【学习课件】第六章固定化酶反应器
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固定化酶技术ppt课件
固定化酶应有最小的空间位阻。 酶与载体必须结合牢固，利于固定化酶的回收及反
复使用。 固定化酶应有最大的稳定性，所选载体不与废物、
产物或反应液发生化学反应。 固定化酶成本要低，以利于工业使用。
7
3.1 固定化酶的传统制备方法
3.1.1吸附法
吸附法是利用物理吸附法，将酶固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻 璃、离子交换树脂等载体上的固定方式。显著特点是：工艺简便及条件温 和，包括无机、有机高分子材料，吸附过程可同时达到纯化和固定化；酶 失活后可重新活化，载体也可再生。但要求载体的比表面积要求较大，有 活泼的表面。
酶与载体的结合部位不应当是酶的活性部位（酶 活性中心的氨基酸残基不发生变化）
避免那些可能导致酶蛋白高级结构破坏的条件。 由于酶蛋白的高级结构是凭借氢键、疏水键和离
子键等弱键维持，所以固定化时要采取尽量温和 的条件，尽可能保护好酶蛋白的活性基团。
6
固定化应该有利于生产自动化、连续化。 载体能抗一定的机械力。
(2)微囊型
把酶包埋在由高分 子聚合物制成的小 球内，制成固定化 酶。由于形成的酶 小球直径一般只有 几微米至几百微米， 所以也称为微囊化 法。
9
1.3结合法 酶蛋白分子上与不溶性固相支持物表面上通过离子键结合而使酶固定
的方法，叫离子键结合法。其间形成化学共价键结合的固定化方法叫 共价键结合法。共价键结合法结合力牢固，使用过程中不易发生酶的 脱落，稳定性能好。该法的缺点是载体的活化或固定化操作比较复杂， 反应条件也比较强烈，所以往往需要严格控制条件才能获得活力较高 的固定化酶。
11
3.2固定化酶的新型制备方法
3.2.1共价固定法 酶分子表面存在很多可供利用的化学基团。选择性地利用酶分子表面远离
复使用。 固定化酶应有最大的稳定性，所选载体不与废物、
产物或反应液发生化学反应。 固定化酶成本要低，以利于工业使用。
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3.1 固定化酶的传统制备方法
3.1.1吸附法
吸附法是利用物理吸附法，将酶固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻 璃、离子交换树脂等载体上的固定方式。显著特点是：工艺简便及条件温 和，包括无机、有机高分子材料，吸附过程可同时达到纯化和固定化；酶 失活后可重新活化，载体也可再生。但要求载体的比表面积要求较大，有 活泼的表面。
酶与载体的结合部位不应当是酶的活性部位（酶 活性中心的氨基酸残基不发生变化）
避免那些可能导致酶蛋白高级结构破坏的条件。 由于酶蛋白的高级结构是凭借氢键、疏水键和离
子键等弱键维持，所以固定化时要采取尽量温和 的条件，尽可能保护好酶蛋白的活性基团。
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固定化应该有利于生产自动化、连续化。 载体能抗一定的机械力。
(2)微囊型
把酶包埋在由高分 子聚合物制成的小 球内，制成固定化 酶。由于形成的酶 小球直径一般只有 几微米至几百微米， 所以也称为微囊化 法。
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1.3结合法 酶蛋白分子上与不溶性固相支持物表面上通过离子键结合而使酶固定
的方法，叫离子键结合法。其间形成化学共价键结合的固定化方法叫 共价键结合法。共价键结合法结合力牢固，使用过程中不易发生酶的 脱落，稳定性能好。该法的缺点是载体的活化或固定化操作比较复杂， 反应条件也比较强烈，所以往往需要严格控制条件才能获得活力较高 的固定化酶。
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3.2固定化酶的新型制备方法
3.2.1共价固定法 酶分子表面存在很多可供利用的化学基团。选择性地利用酶分子表面远离
酶的固定化优秀PPT
38
2、空间障碍效应
固定化之后，由于酶的空间自由度受到限制(因为载体 的空隙太小，或者固定化方式与位置不当，给酶的活性部 位造成了空间屏障)，使酶分子的活性基团不易于底物或效 应物接触，影响酶分子的分子活性中心对底物的定位作用, 所造成的对固定化酶的活力的影响效应，被称为空间障碍 效应。
39
40
64
1）酶传感器的原理
酶传感器主要由固定 化酶膜和变换器组成： 固定化酶膜：选择性 地“识别”并催化被 检测物质发生化学反 应 变换器：把催化反应 中底物或产物的变量 转换成电信号，通过 仪表显示出来。
65
（2）酶电极（葡萄糖氧化酶电极） 半透膜 酶胶层
感应电极
1967年Updike等采用 酶的固定化技术，将葡萄 糖氧化酶固定在疏水膜上， 然后再和氧电极结合，组 装成了世界上第一个生物 传感器——葡萄糖氧化酶 电极。
优点：操作简单、条件温和、 载体廉价易得、可反复使用。
缺点：结合力不劳、容易脱落。 9
2.包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中， 使酶固定化的方法称为包埋法。
载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、 聚丙烯酰胺……
（1）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、 细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的固 定化方法。
1.必须注意维持酶的催化活性和专一性 2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度 4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定，不可与底物、产物发生反应 6.固定化酶要廉价
34
三 固定化酶的性质
35
36
37
1、分配效应
由于载体和底物的性 质差异引起了微环境和宏 观环境之间的性质不同。 微环境是在固定化酶附近 的局部环境，而将主体溶 液称为宏观环境。由这种 不同造成的底物、产物和 各种效应物在两个环境之 间的不同分配，被称为分 配效应。
2、空间障碍效应
固定化之后，由于酶的空间自由度受到限制(因为载体 的空隙太小，或者固定化方式与位置不当，给酶的活性部 位造成了空间屏障)，使酶分子的活性基团不易于底物或效 应物接触，影响酶分子的分子活性中心对底物的定位作用, 所造成的对固定化酶的活力的影响效应，被称为空间障碍 效应。
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1）酶传感器的原理
酶传感器主要由固定 化酶膜和变换器组成： 固定化酶膜：选择性 地“识别”并催化被 检测物质发生化学反 应 变换器：把催化反应 中底物或产物的变量 转换成电信号，通过 仪表显示出来。
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（2）酶电极（葡萄糖氧化酶电极） 半透膜 酶胶层
感应电极
1967年Updike等采用 酶的固定化技术，将葡萄 糖氧化酶固定在疏水膜上， 然后再和氧电极结合，组 装成了世界上第一个生物 传感器——葡萄糖氧化酶 电极。
优点：操作简单、条件温和、 载体廉价易得、可反复使用。
缺点：结合力不劳、容易脱落。 9
2.包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中， 使酶固定化的方法称为包埋法。
载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、 聚丙烯酰胺……
（1）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、 细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的固 定化方法。
1.必须注意维持酶的催化活性和专一性 2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度 4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定，不可与底物、产物发生反应 6.固定化酶要廉价
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三 固定化酶的性质
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1、分配效应
由于载体和底物的性 质差异引起了微环境和宏 观环境之间的性质不同。 微环境是在固定化酶附近 的局部环境，而将主体溶 液称为宏观环境。由这种 不同造成的底物、产物和 各种效应物在两个环境之 间的不同分配，被称为分 配效应。
固定化酶PPT课件
A．重氮法
h
34
B 叠氮法
•例 • 用羧甲基纤维素叠氮衍生物制备固定化胰蛋
白酶，步骤如下：
• ⑴ 酯化 • ⑵ 肼解 • ⑶ 叠氮化 • (4) 偶联
h
35
B 叠氮法
• 对含有羧机基的载体，与肼基作用生成含有酰肼基团的载体， 再与亚硝酸活化，生成叠氮化合物。最后于酶偶联
h
36
C．烷基化反应法
• 含羟基的载体可用三氯三嗪等多卤代物进行活化， 形成含有卤素基团的活化载体。
乙酰 -DL — Ala 乙酸
L — Ala +
Ala Aminoacylase
乙酰 -D —
氨基酰化酶
h
67
A-L-Ala A-D-Ala
储 罐
固定化酶 柱子
消
泵
离心机
旋
反
应
器
反应产物
L-Ala A-D-Ala
晶体 L-Ala
h
68
2、固定化酶在医学上的应用（酶电极）
（1）葡萄糖电极
半透膜 酶胶层
感应电极
ß－D－葡萄糖＋O2
酶电极示意图
D－葡萄糖酸－1，5－内酯＋H2O
h
69
葡萄糖氧化酶
葡萄糖＋醌＋H2O
葡萄糖酸＋氢醌
Pt
氢醌
醌＋2H＋＋2e－
铂电极
h
70
（2）脲电极
脲酶
Urea + 2H2O
2NH4++2HCO3-
产生的2NH4+为阳离子电极感应。
此外还有： 氨基酸电极 醇电极 尿酸电极 乳酸电极 青霉素电极 亚硝酸离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生NH3
《酶的固定化》PPT课件
第一节 酶固定化
定义 酶的固定化:将酶和菌体与不溶性载体结合的过程; 固定化酶:在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续 进行反应，反应后的酶可回收重复使用; 概念发展
“水不溶酶”（water insoluble enzyme) “固相酶”（solid phase enzyme)
1971年第一届国际酶工程会议正式采用“固定化酶（immobi lized enzyme)”
• 1、吸附法(link) • 2、包埋法(link) • 3、结合法(link) • 4、交联法(link) • 5、热处理法(link)
酶固定化方法示意图
吸附法 用固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使其固定的方法; 固体吸附剂:活性炭、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等; (1)操作简单，条件温和，不会引起酶变性失活，载体廉价易得，可反复使用; (2)物理吸附结合能力弱，酶与载体结合不牢固易脱落.
(2)产物酸碱性对最适pH值的影响
酸性:固定化酶的最适pH值比游离酶的高 碱性:固定化酶的最适pH值比游离酶的低 中性:固定化酶的最适pH值一般不变 原因:载体障碍产物的扩散
(back)
底物的特异性
与底物分子量的大小有关; 作用于低分子量底物的酶，没有明显变化，如氨基 酰化酶、葡聚糖氧化酶等; 既可作用于大分子底物，又可作用于小分子底物的 酶，往往会发生变化。如，固定在羧甲基纤维素上 的胰蛋白酶，对二肽或多肽的作用保持不变，而对 酶蛋白的作用仅为游离酶的3%左右 原因:载体的空间位阻作用
Relative activity (%)
100
80
60
A
B 40
20
0 30 40 50 60 70 80 90 Temperature ( 篊 )
固定化酶简述 PPT课件 通用
固定化酶的应用固定能源开发化学分析生物工程临床诊断医学环境保护酶的固定化及应用研究已得到长足进展开发新型固定化技术进传统固定化方法和注重天然高分子载体改性是酶固定化研究的主要趋生物学及生物工程医学及生命科学仍是固定化酶应用的重要场合适于化学化工及环境科学领域应用的固定化酶具有生态环境材料的鲜明特应给予足够重视
不足：由于包埋 优点：酶不参加化
学反应，整体结 构保持不变，酶 的催化活性得到 很好保留。
物或半透膜具 有一定的空间 或立体阻碍作 用，因此对一 些反应不适用
• 形式较物理法少 • 过程较物理法复杂 • 与物理法比较可形成相对 分子质量更大、不溶性的 固定化酶
传统固定化技术的改进
• 基于传统载体材料的各自优点与不足，通 过改性充分发挥其优势并弥补不足，将会 显著提高所得固定化酶的性能，已成为固 定化酶载体材料研究的主要内容之一。 • 经过近几十年的不断发展，已经产生了很 多制备载体固定化酶的新方法。
水不溶性大分子载体结合或把酶包 埋在水不溶性凝胶或半透膜的微囊 体中制成的。
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐ │景┆等┆生┆的┆酶┆于┆便┆制┆系┆稳│ │。┆方┆产┆酶┆是┆自┆于┆，┆统┆定│ │ ┆面┆、┆应┆近┆动┆运┆能┆中┆性│ │ ┆有┆化┆用┆十┆化┆输┆反┆分┆增│ │ ┆诱┆学┆技┆余┆生┆和┆复┆离┆加│ │ ┆人┆分┆术┆年┆产┆贮┆多┆，┆，│ │ ┆的┆析┆，┆发┆。┆存┆次┆且┆易│ │ ┆应┆和┆在┆展┆固┆，┆使┆易┆从│ │ ┆用┆医┆工┆起┆定┆有┆用┆于┆反│ │ ┆前┆药┆业┆来┆化┆利┆。┆控┆应│ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
简讯
我国自主开发成功固定化酶技术
“ 十五” 国家科技攻关计划’ 纳米材料 技术及应用开发 ’ 延续项目——纳米结构固 定化酶组装技术的开发，上 周在北京通过了 中国石油和化学工业协会、 中国钢协粉末冶 金协会共同组织的专家验收。这一成果可望 使我国 摆脱依赖进口载体生产固定化青霉素 酰化酶催化剂的被动局面，促进我国固定化 酶技术提升和抗生素产业可持续发 展。
不足：由于包埋 优点：酶不参加化
学反应，整体结 构保持不变，酶 的催化活性得到 很好保留。
物或半透膜具 有一定的空间 或立体阻碍作 用，因此对一 些反应不适用
• 形式较物理法少 • 过程较物理法复杂 • 与物理法比较可形成相对 分子质量更大、不溶性的 固定化酶
传统固定化技术的改进
• 基于传统载体材料的各自优点与不足，通 过改性充分发挥其优势并弥补不足，将会 显著提高所得固定化酶的性能，已成为固 定化酶载体材料研究的主要内容之一。 • 经过近几十年的不断发展，已经产生了很 多制备载体固定化酶的新方法。
水不溶性大分子载体结合或把酶包 埋在水不溶性凝胶或半透膜的微囊 体中制成的。
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐ │景┆等┆生┆的┆酶┆于┆便┆制┆系┆稳│ │。┆方┆产┆酶┆是┆自┆于┆，┆统┆定│ │ ┆面┆、┆应┆近┆动┆运┆能┆中┆性│ │ ┆有┆化┆用┆十┆化┆输┆反┆分┆增│ │ ┆诱┆学┆技┆余┆生┆和┆复┆离┆加│ │ ┆人┆分┆术┆年┆产┆贮┆多┆，┆，│ │ ┆的┆析┆，┆发┆。┆存┆次┆且┆易│ │ ┆应┆和┆在┆展┆固┆，┆使┆易┆从│ │ ┆用┆医┆工┆起┆定┆有┆用┆于┆反│ │ ┆前┆药┆业┆来┆化┆利┆。┆控┆应│ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
简讯
我国自主开发成功固定化酶技术
“ 十五” 国家科技攻关计划’ 纳米材料 技术及应用开发 ’ 延续项目——纳米结构固 定化酶组装技术的开发，上 周在北京通过了 中国石油和化学工业协会、 中国钢协粉末冶 金协会共同组织的专家验收。这一成果可望 使我国 摆脱依赖进口载体生产固定化青霉素 酰化酶催化剂的被动局面，促进我国固定化 酶技术提升和抗生素产业可持续发 展。
第六章酶反应器案例
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 ❖特点：可承受较高的操作压力，表面积
膜
大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
反
应
器
❖中空纤维酶膜反应器连续制备异麦芽低聚糖
❖ 以淀粉为原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。采用中空纤维酶 膜反应器,
❖ 先用α－淀粉酶和异淀粉酶糖化制备麦芽低聚糖; ❖ 后用α－葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶转苷制得异麦芽低聚糖。 ❖ 本发明大大缩短糖化、转苷的反应周期,酶用量省,产品质量
器 ❖ 操作：游离酶、固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部
的 类
通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡提供混合作用。
型 ❖ 优点：适用于有气体吸收的生物反应。
及
特
点
❖啤酒连续发酵塔型固定化活菌体反应器
5.喷射式反应器
❖特点：利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混
合，进行高温短时催化反应的反应器。 ❖ 催化反应速度快，效率高，可在短时间完成催化反应。
特
下一批反应。
点
连续流式搅拌罐式反应器：
向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断 搅拌，反应平衡后，以恒定流速连续流入底物， 以相同流速输出产物。
1、搅拌罐式反应器
6.1 ❖优点：结构简单，易操作；酶与底物混合充分均
酶 匀；传质速度快，反应能迅速达到稳态；能处理
反 应
胶体状底物、不溶性底物。
器 的
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
固定化酶膜式反应器
（4）中空纤维酶膜反应器
4 ❖结构：由外壳和数以千计的醋酸纤
膜
维制成的中空纤维组成。中空纤维：
反
内层紧密、光滑，可截留大分子物
应
固定化酶PPT参考幻灯片
17
LOGO
展望
膜反应器融酶触转化、产品分离、 酶剂再利用为一体
将酶固定化与酶的选择性修饰结合
将酶固定化与细胞固定化结合
酶固定化 的发展方向
18
LOGO
19
将酶固定在生物膜 或超滤膜上，制造 出来的生物膜反应 器5Biblioteka LOGO固定化酶的优点
能反复使用
对热、pH等的稳定性提高， 对抑制剂的敏感性降低
经过简单过滤离心， 产品与酶可分离开
反应空间大大缩小 ， 从而能准确控制反应,
可以消除侧反应
优点
应用制成酶电极的固定 化酶建成监测化学反应 的系统
适用于连续化、自动化生产
日本一家制药公司第一次将 固定化的酰化氨基酸水解酶 用来从混合氨基酸中生产L-氨基酸， 开辟了固定化酶工业化的新纪元。
4
LOGO
固定化酶简介
定义
常用 技术
先进 方法
通过化学或物理的 处理方法，使原来 水不溶的酶与固态 的水不溶性支持物 结合或被载体包埋 。
物理吸附法、交联 、共价结合及包埋 等方法
3
LOGO
背景
发展历程
自1972
1916
Neleson和Griffin 最先发现了 酶的固定化现象。科学家就 开始了固定化酶的研究工作。
1969
1970
已固定了几种芽孢杆菌和链 霉菌中提取的葡萄糖异构化 酶，并大量应用于工业生产。
我国开始了固定化酶的研究工作， 许多单位相继进行了固定化酶和 固定化细胞的应用。
新型载体
高分子复合物 ， 因其 优良的传质性能 、 电 解质的灵敏介电特性 以 及 良好 的生物相容性 等特点， 也成为固定化 酶良好的新型载体， 在 酶固定化 领域 显示 了 广 阔的应用前景 。
LOGO
展望
膜反应器融酶触转化、产品分离、 酶剂再利用为一体
将酶固定化与酶的选择性修饰结合
将酶固定化与细胞固定化结合
酶固定化 的发展方向
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LOGO
19
将酶固定在生物膜 或超滤膜上，制造 出来的生物膜反应 器5Biblioteka LOGO固定化酶的优点
能反复使用
对热、pH等的稳定性提高， 对抑制剂的敏感性降低
经过简单过滤离心， 产品与酶可分离开
反应空间大大缩小 ， 从而能准确控制反应,
可以消除侧反应
优点
应用制成酶电极的固定 化酶建成监测化学反应 的系统
适用于连续化、自动化生产
日本一家制药公司第一次将 固定化的酰化氨基酸水解酶 用来从混合氨基酸中生产L-氨基酸， 开辟了固定化酶工业化的新纪元。
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LOGO
固定化酶简介
定义
常用 技术
先进 方法
通过化学或物理的 处理方法，使原来 水不溶的酶与固态 的水不溶性支持物 结合或被载体包埋 。
物理吸附法、交联 、共价结合及包埋 等方法
3
LOGO
背景
发展历程
自1972
1916
Neleson和Griffin 最先发现了 酶的固定化现象。科学家就 开始了固定化酶的研究工作。
1969
1970
已固定了几种芽孢杆菌和链 霉菌中提取的葡萄糖异构化 酶，并大量应用于工业生产。
我国开始了固定化酶的研究工作， 许多单位相继进行了固定化酶和 固定化细胞的应用。
新型载体
高分子复合物 ， 因其 优良的传质性能 、 电 解质的灵敏介电特性 以 及 良好 的生物相容性 等特点， 也成为固定化 酶良好的新型载体， 在 酶固定化 领域 显示 了 广 阔的应用前景 。
《酶反应器》幻灯片
《酶反应器》幻灯片
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酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附 属设备
酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反 应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下， 使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应 过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。
等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在悬 浮翻动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和 PFR之间。 适用于：固定化酶。
注意： 控制流速 固定化酶的颗粒不应过大
• 优点： • 具有良好的传质及传热性能，pH、温度控
制及气体的供给比较容易； • 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体； • 能处理粉末状底物； • 即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会
结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件 易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。
3. 缺点:
反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程 酶易损失。
4. 改进：
在反应器出口装上滤器 ，或用尼龙网罩住固定化酶 ， 或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。
溶液中连续流加酶
使用多孔膜使酶在 溶液中滞留
很高。
• 缺点： • 需保持一定的流速，运转本钱高，难于放大； • 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破
损； • 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； • 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 • 改进： • 使底物进展循环，防止催化剂损伤。 • 使用几个流态化床组成的反响器组，或使用锥形
流态化床。
• 按操作方式区分 • 分批式反响(batch ) • 连续式反响(continuous ) • 流加分批式反响(feeding batch )
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酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附 属设备
酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反 应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下， 使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应 过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。
等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在悬 浮翻动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和 PFR之间。 适用于：固定化酶。
注意： 控制流速 固定化酶的颗粒不应过大
• 优点： • 具有良好的传质及传热性能，pH、温度控
制及气体的供给比较容易； • 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体； • 能处理粉末状底物； • 即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会
结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件 易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。
3. 缺点:
反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程 酶易损失。
4. 改进：
在反应器出口装上滤器 ，或用尼龙网罩住固定化酶 ， 或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。
溶液中连续流加酶
使用多孔膜使酶在 溶液中滞留
很高。
• 缺点： • 需保持一定的流速，运转本钱高，难于放大； • 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破
损； • 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； • 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 • 改进： • 使底物进展循环，防止催化剂损伤。 • 使用几个流态化床组成的反响器组，或使用锥形
流态化床。
• 按操作方式区分 • 分批式反响(batch ) • 连续式反响(continuous ) • 流加分批式反响(feeding batch )
第六章固定化酶反应器08
15
4、膜反应器（Membrane reactor or 、膜反应器 Hollow fiber reactor）
酶连接于膜表面和以特定形式存在于膜内分隔空 间，可用较大孔径的膜，因为溶质与固定化酶的 大小差别，远大于溶质与可溶酶的差异，这样， 溶质可容易通过膜，不易被堵塞。 有许多种类的膜反应器，一个普通的形式为，使 用半透膜的中空纤维，浸没于反应混合物中，该 反应器可分批也可连续。
25
26
酶反应器的发展
1、含有辅助因子再生的酶反应器 问题由来： 许多酶反应都需要辅因子的协助，如辅酶、辅基、能 量供给体等。这些辅因子价格昂贵，需再生循环使用 才能降低成本，因而发展了辅因子再生酶反应器。 例：利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依 靠半透膜能将固定化NAD保留在反应器内，实现了NAD 的再生与循环使用。 辅因子再生方法： （1）两种酶反应偶联、两种底物偶联 （2）电化学方法（生物传感器） （3）化学方法（氧化剂）
5
2、活塞流反应器或填充床反应器 、 （Plug flow reactor,PFR; or Packed bed reactor, PBR） 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床 （填充床）内，底物按一定方向以恒定的速 度通过反应床。它是一种单位体积催化剂负 荷量最大，效率高的反应器。反应器水平或 垂直放置，底物用泵从底部或顶部打入（上 流比下流好，因不易阻塞，液流更均匀）。
12
连续搅拌罐反应器
产物 过滤器
固定化酶
底物
13
CSTR与PBR的比较： 与 的比较： 的比较
（1）在CSTR中，所有酶暴露在相对低的底物浓度和 相对高的产物浓度中，效率因子η下降，反应器中酶 未被有效利用。 在PBR中，反应器的初始部分在高底物浓度下操作， 仅在最后部分，底物浓度较低，产物浓度较高，因此 仅在最后部分效率因子η下降，这意味着在CSTR中比 PBR可能需更多的酶。 在实际中，在CSTR中很容易得到紊流，可消弱扩 散限制作用，而在PBR中，使用层流，更容易遇到扩 散限制情况，因此CSTR可得到与PBR一样好的性能， 而监控PH、温度相对容易。
4、膜反应器（Membrane reactor or 、膜反应器 Hollow fiber reactor）
酶连接于膜表面和以特定形式存在于膜内分隔空 间，可用较大孔径的膜，因为溶质与固定化酶的 大小差别，远大于溶质与可溶酶的差异，这样， 溶质可容易通过膜，不易被堵塞。 有许多种类的膜反应器，一个普通的形式为，使 用半透膜的中空纤维，浸没于反应混合物中，该 反应器可分批也可连续。
25
26
酶反应器的发展
1、含有辅助因子再生的酶反应器 问题由来： 许多酶反应都需要辅因子的协助，如辅酶、辅基、能 量供给体等。这些辅因子价格昂贵，需再生循环使用 才能降低成本，因而发展了辅因子再生酶反应器。 例：利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依 靠半透膜能将固定化NAD保留在反应器内，实现了NAD 的再生与循环使用。 辅因子再生方法： （1）两种酶反应偶联、两种底物偶联 （2）电化学方法（生物传感器） （3）化学方法（氧化剂）
5
2、活塞流反应器或填充床反应器 、 （Plug flow reactor,PFR; or Packed bed reactor, PBR） 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床 （填充床）内，底物按一定方向以恒定的速 度通过反应床。它是一种单位体积催化剂负 荷量最大，效率高的反应器。反应器水平或 垂直放置，底物用泵从底部或顶部打入（上 流比下流好，因不易阻塞，液流更均匀）。
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连续搅拌罐反应器
产物 过滤器
固定化酶
底物
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CSTR与PBR的比较： 与 的比较： 的比较
（1）在CSTR中，所有酶暴露在相对低的底物浓度和 相对高的产物浓度中，效率因子η下降，反应器中酶 未被有效利用。 在PBR中，反应器的初始部分在高底物浓度下操作， 仅在最后部分，底物浓度较低，产物浓度较高，因此 仅在最后部分效率因子η下降，这意味着在CSTR中比 PBR可能需更多的酶。 在实际中，在CSTR中很容易得到紊流，可消弱扩 散限制作用，而在PBR中，使用层流，更容易遇到扩 散限制情况，因此CSTR可得到与PBR一样好的性能， 而监控PH、温度相对容易。
《固定床反应器》课件
编辑ppt
原料气 催 化 剂
产物
4
多段绝热床反应器
l 实际是单段绝热式的改进型， 原料气 在段间设置热交换装置，既
保持了单段结构简单等优点，
每一段的过程完全类似于单 催
层式，又能在一定程度上调
化 剂
节反应温度。换热装置的设
置有多种方式，根据具体反
应选择。如CO与H2合成反应
器。
编辑ppt
产物
5
外热式固定床反应器
原料气 催化 剂
产物
编辑ppt
9
6.2 固定床中的传递过程
l 颗粒层的若干物理特性参数
(1) 催化剂密度表征 ① 颗粒密度(又称假密度) : 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度(又称真密度) : 粒子骨架(包括粒内微孔)密度。
③ 床层密度 (又称堆密度) : 单位体积催化剂床层具有的质量。
差异程度(P162表6-1列出了一些粒子的球形系数)。
编辑ppt
12
④ 各种相当直径的关系
(6-6) (6-7)
则有： 所以有：
在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质 研究中，常采用面积相当直径。
编辑ppt
13
⑤ 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算
(6-8)
为直径为 的粒子所占的重量分率。
6-20)
为以单位质量催化剂来定义的反应速率 床层的比表面积，上式整理可得：
(
6-21)
称为传热数
对气相： Pr = 0.6~1.0 ；液相： Pr = 2~400
l 是传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12 。实际上，一 般 均很小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。
原料气 催 化 剂
产物
4
多段绝热床反应器
l 实际是单段绝热式的改进型， 原料气 在段间设置热交换装置，既
保持了单段结构简单等优点，
每一段的过程完全类似于单 催
层式，又能在一定程度上调
化 剂
节反应温度。换热装置的设
置有多种方式，根据具体反
应选择。如CO与H2合成反应
器。
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产物
5
外热式固定床反应器
原料气 催化 剂
产物
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9
6.2 固定床中的传递过程
l 颗粒层的若干物理特性参数
(1) 催化剂密度表征 ① 颗粒密度(又称假密度) : 包括粒内微孔在内的全部颗粒的密度。
② 骨架密度(又称真密度) : 粒子骨架(包括粒内微孔)密度。
③ 床层密度 (又称堆密度) : 单位体积催化剂床层具有的质量。
差异程度(P162表6-1列出了一些粒子的球形系数)。
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④ 各种相当直径的关系
(6-6) (6-7)
则有： 所以有：
在固定床流体力学研究中，常采用比表面相当直径；在传热传质 研究中，常采用面积相当直径。
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⑤ 混合粒子的平均粒径：采用调和平均法计算
(6-8)
为直径为 的粒子所占的重量分率。
6-20)
为以单位质量催化剂来定义的反应速率 床层的比表面积，上式整理可得：
(
6-21)
称为传热数
对气相： Pr = 0.6~1.0 ；液相： Pr = 2~400
l 是传热数Q、Pr 、Re的函数，见P167 关联图6-12 。实际上，一 般 均很小，催化剂外表面与气流主体的温度可看作为近似相等。
固定化酶和细胞原理 ppt课件
各类固定化方法的特点比较:
比较项目
吸附法
结合法
交联法 包埋法
物理吸附 .共价键结合 离子键结合
制备难易 固定化程度 活力回收率 载体再生
费用 底物专一性
易 弱 较高 可能 低 不变
适用性
酶源多
难 强 低 不可能 高 可变
易 中等 高 可能 低 不变
较广
广泛
较难 强 中等 不可能 中等 可变
较广
较难 强 高 不可能 低 不变
（四） 包埋法（entrapping
method）
• 定义：将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载 体中，使酶固定化的方法称为包埋法。
• 包埋法分为网格型和微囊型
• 1．网格型 • 2．微囊型
1．网格型
• (1) 概念 将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网 格中，制成一定形状的固定化酶，称为网 格型包埋法。也称为凝胶包埋法
2． 固定化对酶稳定性的影响 • （1） 操作稳定性提高
• （2） 贮存稳定性比游离酶大多数提高。 • (3 ) 对热稳定性，大多数升高，有些反而降低。 • (4 ) 对分解酶的稳定性提高。 • （5） 对变性剂的耐受力升高
2 ．固定化后酶稳定性提高的原因：
• a. 固定化后酶分子与载体多点连接。 • b. 酶活力的释放是缓慢的。 • c. 抑制自降解，提高了酶稳定性。
评价指标
• 评价固定化酶的指标 活力测定方法
固定化酶的制备
• 一． 一般方法及特点 • 二． 酶的固定化方法
一． 一般方法及特点
关键在于选择适当的固定化方法和必要的载体以及稳定 性研究、改进。
1． 四大类方法： • 吸附法（包括电吸附法） • 结合法（无机多孔材料） • 交联法（双功能试剂） • 包埋法（微胶囊法）
固定化酶及反应动力学PPT教案
➢ 1953年德国的 Grubhofer和Schleith采用聚氨 基苯乙烯树脂为载体与羧肽酶、淀粉酶、 胃蛋白酶、核糖核酸酶等结合，制成固定 化酶。
➢ 60年代后期，固定化技术迅速发展起来。 1969年，日本的千烟一郎首次在工业上生 产应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸连
第5页/共233页
➢ 在1971年召开的第一次国际酶工程学术会 议上，确定固定化酶的统一英文名称为 Immobilized enzyme。
第7页/共233页
01 概 述
为什么固定化？
易从反应系统分离，简化产物纯化过程。 稳定性增加，不易失活 具有一定形状和机械强度，可以装填于反应器 固定床反应器可连续生产，过程易控制。 简化了提取工艺，增加产物收率，提高产品质量 更适合多酶反应 酶使用效率提高，产品成本降低
存在问题
(1)制备困难，活性降低 (2) 增加了载体成本费及固定化操作费用； (3) 增大了颗粒扩散阻力，使反应速度下降。 固定化细胞
例如用含酶的10血红蛋白水溶液与己甲叉二胺的水溶液混合立即在1span85的氯仿环已烷中分散乳化加人癸二有机相后便在油水界面发生聚合反应弃除上清液加入tween20去乳化洗除有机溶剂除去未聚合单体后转入水相制得固定化酶
固定化酶及反应动力学
会计学
1
内容
概述
固定化后酶性质变化及动力学影响因素
外扩散限制效应 内扩散限制效应 扩散影响下的表观动力学参 数
共价结合法制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的固定化酶，酶和载体的连
第21页/共233页
(1) 酶分子和载体连接的功能基团 从理论上讲，酶蛋白 上可供载体结合的功能基团有以下几种： ①酶蛋白N—端的M—氨基或赖氨酸残基的-氨基。 ②酶蛋白C-端的羧基以及Asp残基的α-羧基和Glu残基γ羧基。 ③Cys残基的巯基。 ④Ser、Tyr、Thr残基的羟基。 ⑤Phe和Tyr残基的苯环。 ⑥His残基的咪唑基。 ⑦Trp残基的吲哚基。
➢ 60年代后期，固定化技术迅速发展起来。 1969年，日本的千烟一郎首次在工业上生 产应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸连
第5页/共233页
➢ 在1971年召开的第一次国际酶工程学术会 议上，确定固定化酶的统一英文名称为 Immobilized enzyme。
第7页/共233页
01 概 述
为什么固定化？
易从反应系统分离，简化产物纯化过程。 稳定性增加，不易失活 具有一定形状和机械强度，可以装填于反应器 固定床反应器可连续生产，过程易控制。 简化了提取工艺，增加产物收率，提高产品质量 更适合多酶反应 酶使用效率提高，产品成本降低
存在问题
(1)制备困难，活性降低 (2) 增加了载体成本费及固定化操作费用； (3) 增大了颗粒扩散阻力，使反应速度下降。 固定化细胞
例如用含酶的10血红蛋白水溶液与己甲叉二胺的水溶液混合立即在1span85的氯仿环已烷中分散乳化加人癸二有机相后便在油水界面发生聚合反应弃除上清液加入tween20去乳化洗除有机溶剂除去未聚合单体后转入水相制得固定化酶
固定化酶及反应动力学
会计学
1
内容
概述
固定化后酶性质变化及动力学影响因素
外扩散限制效应 内扩散限制效应 扩散影响下的表观动力学参 数
共价结合法制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的固定化酶，酶和载体的连
第21页/共233页
(1) 酶分子和载体连接的功能基团 从理论上讲，酶蛋白 上可供载体结合的功能基团有以下几种： ①酶蛋白N—端的M—氨基或赖氨酸残基的-氨基。 ②酶蛋白C-端的羧基以及Asp残基的α-羧基和Glu残基γ羧基。 ③Cys残基的巯基。 ④Ser、Tyr、Thr残基的羟基。 ⑤Phe和Tyr残基的苯环。 ⑥His残基的咪唑基。 ⑦Trp残基的吲哚基。
《固定化酶反应器》PPT课件
精品文档
若考虑反应器的价格，CSTR最便宜，它结构简 单，又具有良好的操作性，适应性强。此外还 应考虑固定化酶本身的费用以及在各种反应器 中的稳定性。综上所述，在反应器的选择上并 无固定模式可循，必须根据上述各项条件综合 权衡，才能做出正确的决定。
精品文档
3. 固定化酶反应器的性能评价
影响酶反应器性能的因素很多，一般可以从以 下几个方面考虑：
精品文档
在填充床反应器内流体的流动型态接近于平推 流(又称活塞流)流型，所以填充床反应器可近 似 认 为 是 一 种 平 推 （ 活 塞 ） 流 反 应 器 (Plugflow reactor，PFR)。这种反应器运转时，底 物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。
精品文档
根据底物的流动方式，又有下向流动、上向流 动和循环流动之分。工业生产中，液流方向常 用上向方式，这样可以避免下向流动的液压对 柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。
固定化酶的形状 底物的物理性质 固定化酶的稳定性 酶反应动力学特性
精品文档
固定化酶的形状
通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶 均可采用PBR，而颗粒状、粉末状及片状固定 化酶均适用于CSTR，但是，膜状、纤维状固定 化酶不适用于CSTR。其中，膜状固定化酶要用 螺旋卷膜式反应器。
精品文档
精品文档
颗粒状和片状的固定化酶对CSTR和PBR类型的 反应器均可适用，但膜状和纤维状的固定化酶 仅适用于PBR。如果固定化酶容易变形、易粘 结或颗粒细小时，采用FBR较为适宜。
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根据底物的物理性质来选择
溶解性或浊液性底物，对任何类型的反应器都 适用；颗粒状和胶状底物，往往会堵塞填充床， 需要采用高流速搅拌的CSTR、FBR和RCR以减少 底物颗粒的集结、沉积和堵塞，使底物保持悬 浮状态。
若考虑反应器的价格，CSTR最便宜，它结构简 单，又具有良好的操作性，适应性强。此外还 应考虑固定化酶本身的费用以及在各种反应器 中的稳定性。综上所述，在反应器的选择上并 无固定模式可循，必须根据上述各项条件综合 权衡，才能做出正确的决定。
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3. 固定化酶反应器的性能评价
影响酶反应器性能的因素很多，一般可以从以 下几个方面考虑：
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在填充床反应器内流体的流动型态接近于平推 流(又称活塞流)流型，所以填充床反应器可近 似 认 为 是 一 种 平 推 （ 活 塞 ） 流 反 应 器 (Plugflow reactor，PFR)。这种反应器运转时，底 物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。
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根据底物的流动方式，又有下向流动、上向流 动和循环流动之分。工业生产中，液流方向常 用上向方式，这样可以避免下向流动的液压对 柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。
固定化酶的形状 底物的物理性质 固定化酶的稳定性 酶反应动力学特性
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固定化酶的形状
通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶 均可采用PBR，而颗粒状、粉末状及片状固定 化酶均适用于CSTR，但是，膜状、纤维状固定 化酶不适用于CSTR。其中，膜状固定化酶要用 螺旋卷膜式反应器。
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颗粒状和片状的固定化酶对CSTR和PBR类型的 反应器均可适用，但膜状和纤维状的固定化酶 仅适用于PBR。如果固定化酶容易变形、易粘 结或颗粒细小时，采用FBR较为适宜。
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根据底物的物理性质来选择
溶解性或浊液性底物，对任何类型的反应器都 适用；颗粒状和胶状底物，往往会堵塞填充床， 需要采用高流速搅拌的CSTR、FBR和RCR以减少 底物颗粒的集结、沉积和堵塞，使底物保持悬 浮状态。