第九章酶反应器和酶传感器.

第九章酶反应器和酶传感器

第一节酶反应器

一、生物反应器概述

利用生物催化剂将原料转化成有用物质的生产过程,称为生物反应过程。

通常,生物反应过程包括四个组成部分:

(1原材料的预处理。

(2生物催化剂的制备。

(3生物反应器的选择及反应条件的调控。

(4产物的分离提纯。

在生物反应过程中,生物反应器(Biological Reactor是用于完成生物化学反应(酶促反应的核心装置。

利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程,在这一过程中,生物反应器起着极其重要的作用,它是实现生物技术产品产业化的关键设备,是连接原料和产物的桥梁。

生物反应器设计的主要目标是,使产品的质量提高,生产成本降低。为了达到上述标准,对生物反应器提出下列要求:

(1.所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度。

(2.能用电脑自动检测和调控,从而获得最佳的反应条件。

(3.应具有良好的传质和混合性能。

(4.应具有最佳的无菌条件。

二、固定化酶反应器的类型及特点

固定化酶反应器和固定化细胞反应器,二者的构造、性能基本一致。

固定化酶反应器有下列各种类型:

1.间歇式酶反应器

特点是底物与酶一次性投入反应器内,产物一次性取出;酶回收后转入下一批反应。

2.连续搅拌釜式反应器

特点是达到平衡后以恒定的流速连续流入底物溶液,同时,以相同流速输出反应液(含产物。

3.填充床反应器

将固定化酶填充于反应器内,制成稳定的柱床,然后,通入底物溶液,在一定的条件下实现酶催化反应,以一定的流速,收集输出的转化液(含产物。

4.流化床反应器

特点是底物溶液以足够大的流速,从反应器的底部向上通过固定化柱床时,便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。

5.连续搅拌罐——超滤膜反应器

特点是在连续搅拌釜式反应器出口处设置一个超滤器。

6.其他类型反应器

三、对固定化酶反应器的选择

影响酶反应器选择的因素很多,但一般可以从以下几个方面考虑:

1.固定化酶的形状

2.底物的物理性质

3.酶反应动力学特征

4.固定化酶稳定性

5.操作要求及反应器费用

四、固定化酶反应器的操作

1.操作中存在的问题

搅拌的问题;使用高浓度的酶;游离酶的处理

2.酶反应器生产能力下降的原因及对策

在酶反应器操作过程中,其生产能力是逐渐下降的。其原因是多方面的。但是,主要原因是固定化酶活性的下降或损失。造成固定化酶活性的损失可能有下列原因:

(1酶本身的失活;

(2酶从载体上脱落;

(3载体的破碎或溶解。

常用的对策:

(1为了防止变性,操作温度不宜过高,搅拌速度不宜过快;

(2为了防止中毒,要求所用试剂和水不含毒物;

(3为了防止微生物污染,可以提高操作温度,并使反应液pH的尽量偏离中性。

第二节酶传感器

一、生物传感器概述

生物传感器是一种分离测试装置,用于测定混合物中某中物质的浓度。它具有专一、快速、简便、准确的优点。

生物传感器由感受器和换能器两部分组成。感受器又称为分子识别元件,是由生物活性物质与固相载体结合而成。换能器能将化学信号或物理信号转变为电信号。

根据生物活性物质的不同,可以将生物传感器分成下列几种类型:

1.酶传感器其感受器是固定化酶

2.微生物传感器其感受器是固定化微生物细胞

3.免疫传感器其感受器是固定化抗原或固定化抗体

4.组织传感器其感受器是固定化动物或植物的组织切片

5.亚细胞传感器其感受器是固定化细胞器

二、酶传感器的结构与工作原理

1.酶传感器以固定化酶作为感受器,以基础电极作为换能器的生物传感器。

根据感受器与基础电极结合方式的不同,将酶传感器分为电极密接型和液流系统型。

2.酶传感器的工作原理把酶电极插入待测溶液中,此时,固定化酶专一地催化混合物中目的物质发生化学反应,产生某种离子或气体等电极活性物质(生化信号,再由基础电极对其作出选择性响应,将生化信号转变成电信号,然后,经过放大、数据处理,由记录仪给出混合物溶液中目的物质的浓度数据。

三、酶传感器的制备及性能

(一酶传感器的制备

1.制备酶传感器的一般步骤

(1选择酶,选择能专一性催化目的物质发生化学反应的酶。

(2酶与固相载体结合成固定化酶。

(3选择基础电极。

(4将固定化酶与电极连接。

2.几种常见酶传感器的制备

(1透析膜包扎法

(2聚丙烯酰胺固定化酶涂层法

(3交联酶涂层法

(二酶传感器的性能

1.稳定性

酶电极的稳定性可以用使用时间和使用次数来表示。为了得到准确的测定数据,每次使用时都要重新做校正曲线,如果校正曲线的斜率保持不变,则酶电极可以使用。

2.响应特性

从酶电极插入被测试样到获得稳定测定值的电信号所需要的时间,称为响应时间。

3.恢复时间

酶电极在完成第一个样品测定之后,不能立即作第二个样品的测定,需要充分洗涤酶电极,洗涤的时间称为恢复时间。

4.测量范围

测量范围是指酶电极电位对目的物质浓度存在线性关系的底物浓度范围。5.测定中的干扰

酶电极在测量过程中常常受到干扰,从而影响测量的准确性。

四、酶传感器的应用

酶电极具有测试专一、灵敏、快速、简便、准确的优点,并且稳定性较好,可以使用几十次到几百次。因此,它已广泛地应用于发酵过程、临床诊断、化学分析,以及环境检测等各个方面。不少酶电极已经商品化了,用于测定下列许多物质的含量:葡萄糖、尿素、尿酸、乳酸、乙酸、赖氨酸、乙醇、胆碱、乳糖、果糖、蔗糖、过氧化氢等物质。

在发酵过程中,已正式用酶电极监测发酵液中各种物质浓度的变化,可以及时获得预期的信息(一次参数,经过电子计算机处理,可获得二次参数,用以指导发酵生产,以便对发酵生产过程作出更精确的调控。

在临床诊断中,把固定化诊断酶制成酶电极,更加体现酶法诊断的精确性,易于进行数据处理和确定病因。

在环境监测中,酶电极用于野外检测,具有简便、快速、准确的优越性。(五酶电极

将酶固定在薄膜(如醋酸纤维素薄膜上,制成酶膜,然后将酶膜与离子选择性电极相结合,便制成了酶电极。

八、酶在食品保鲜中的应用