生物制药酶反应工程
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
酶工程又称为酶技术，指将酶或者包含酶的微生物细胞、动 植物细胞、细胞器等装载于生物反应装置中，利用酶所具有的 生物催化功能,借助工程手段将原料转化成相应的有用物质， 是酶学与工程学相互结合渗透的一门技术。
酶工程主要包括酶的制备、分离纯化、酶固定化、酶及固定 化酶反应器、酶修饰与改造、酶与固定化酶的应用等。
后退 前进 目录 返回
酶的来源与固定化酶
酶可直接从生物体中分离得到，是特殊的蛋白质制备。 早期的酶产品直接从生物体中提取分离，现在市场上的酶 制剂多采用发酵法生产。 酶反应是在水溶液中进行的，属于均相反应。 固定化酶，是指限制或固定于特定空间位置的酶、不易随 水流失、又能发挥催化作用的酶制剂。分泌产生酶的生物细胞 也可以固定化。 制备固定化酶的过程称为酶的固定化。 固定化的酶，可以是经提取分离后得到的有一定纯度的酶， 也Байду номын сангаас以是结合在菌体（死细胞）或细胞碎片上的酶或酶系。
琼脂糖
多聚氨基酸
明胶
金属氧化物
后退 前进 目录 返回
固定化细胞
细胞固定化是利用细胞内酶和酶系，称为第二代固定化酶。 固定化细胞既有细胞特性，也有生物催化剂功能，又具有固 相催化剂待点。其优点在于： 无需进行酶的分离纯化； 细胞保持酶的原始状态，固定化过程中酶的回收率高； 细胞内酶比固定化酶稳定性更高； 细胞内酶的辅因子可以自动再生； 细胞本身含多酶体系，可催化一系列反应； 抗污染能力强。
后退 前进 目录 返回
固定化载体
酶固定化所用的水不溶性固体支持物称为载体或基质。 固定化载体需符合如下条件：不引起菌体变性，有酸碱耐 受性，有机械强度，有亲水性及良好的稳定性，有疏松、均匀 的网状结构，具有耐受酶和微生物细胞能力，廉价易得。
物理吸附法
矾土
淀粉
膨润土 皂土
胶棉
多孔玻璃
碳酸钙 二氧化硅
交联法的反应条件比较强烈，固定化酶的酶活回收一般较低， 降低交联剂的浓度、缩短反应时间可提高固定化酶的比活。
交联法常与吸附法或包埋法联合使用。在被交联的酶溶液中 添加辅助蛋白如牛血清白蛋白，可提高固定化酶的稳定性。
后退 前进 目录 返回
固定化酶的包埋法制备
包埋法可分为网格型和微囊型两种。 网格型包埋即凝胶包埋，是将酶或细胞包埋在高分子化合 物形成的细微网格中，凝胶材料有卡拉胶、海藻胶、琼脂及明 胶等；也可使用聚丙烯酰胺的进行包埋法固定化。 微囊型包埋是将酶定位于具有半透性膜的微小囊内，酶存 在于类似细胞内的环境中，增加了稳定性。用于制造微胶囊的 材料有聚酰胺、火棉胶、醋酸纤维素等。 包埋法适用于多种酶制剂的固定化，但包埋的固定化酶只 适用于小分子底物及小分子产物的转化反应，不适用于催化大 分子底物或产物的反应，而且因扩散阻力会导致酶的动力学行 为发生改变，降低酶活力。
后退 前进 目录 返回
固定化酶的交联法制备
交联法是使用双功能或多功能试剂，使酶分子之间相互交联， 呈网状结构。常用的交联剂有戊二醛、双重氮联苯胺-2,2-二磺 酸、1,5-二氟-2,4-二硝基苯及己二酰亚胺二甲酯等。参与交联 反应的酶蛋白功能团有N-末端的α-氨基、赖氨酸的ε-氨基、酪 氨酸的酚基、半胱氨酸的巯基，以及组氨酸的咪唑基等。
活性炭 煤渣
氧化铝 磷酸钙凝胶
纤维素 羟基磷灰石
石英粉
离子吸附法
包埋法
共价结合法
DETE-纤维素 TEAT-纤维素 羟甲基纤维素
卡拉胶
葡聚糖凝胶
海藻胶
琼脂
聚丙烯酰胺凝胶 琼脂糖
DEAE-葡聚糖凝胶 甲壳素 阳离子交换树脂 硅胶
苯胺多孔玻璃 对氨基苯纤维素
阴离子交换树脂 丙烯酸高聚物 聚丙烯酰胺
琼脂
胶原
根霉菌
淀粉酶、蛋白酶、 纤维素酶
黑(黄)曲 霉
糖化酶、蛋白酶、淀粉 酶、果胶酶、葡萄糖氧 化酶、氨基酰化酶、脂 肪酶
链霉菌 葡萄糖异构酶
后退 前进 目录 返回
固定化酶的特点
酶类可粗分为天然酶和修饰酶。固定化酶属于修饰酶，具有 下列优点：
①可以多次使用，提高了酶的稳定性。 ②酶反应产物易分离、易纯化，产品质量高。 ③反应条件易于控制，可实现连续化和自动控制。 ④酶利用效率高，催化底物量增加，酶用量减少。 ⑤比水溶性酶更适合于多酶反应。 应根据酶的应用目的和特性，来选择固定化方法。 酶固定化方法可分为载体结合法、包埋法及交联法3类，此 外细胞固定化还有选择性热变性（热处理）。
酶工程技术
一 固定化酶的概念 二 固定化酶制备方法 三 固定化细胞的制备 四 固定化应用实例
后退 前进 目录 返回
酶的特性与酶工程
酶是具有催化活性的蛋白质，又称为生物催化剂，其化学本 质是蛋白质，基本组成单位是氨基酸。
酶的催化特性为：效率更高；反应专一性更强；反应条件温 和；催化活性可以受到调节和控制。
②离子吸附法 利用离子键使酶与载体结合而将酶固定。载 体是不溶于水的离子交换剂。常用的有DEAE-纤维素、DEAE葡聚糖凝胶、CM-纤维素、纤维素柠檬酸盐等。
③共价结合法 酶功能团和载体表面的反应基团之间以共价 键结合。先活化载体，使载体获得能与酶分子的某一特定基团 发生特异反应的活泼基团；还要考虑到酶蛋白上提供共价结合 的功能团不能影响酶的催化活性；反应条件尽可能温和。
后退 前进 目录 返回
固定化细胞的制备
细胞固定化是酶固定定化技术的延伸，主要适用于胞内酶， 要求底物和产物容易透过细胞膜，细胞内不存在产物分解系统 及其他副反应；若存在副反应，应具有相应的消除措施。
固定化方法有载体结合法、包埋法、交联法及无载体法等。 ①载体结合法 将细胞悬浮液直接与水不溶性的载体相结合， 所用的载体主要为阴离子交换树脂、阴离子交换纤维素、多扎 砖及聚氯乙烯等。 ②包埋法 将细胞定位于凝胶网格内，常用的载体有卡拉胶、 聚乙烯醇、琼脂、明胶及海藻胶等。 ③交联法 用多功能试剂对细胞进行交联。 ④无载体法 靠细胞自身的絮凝作用制备固定化细胞
后退 前进 目录 返回
酶固定化方法
后退 前进 目录 返回
固定化酶的载体结合法制备
通过载体表面和酶分子表面间的次级键作用达到固定目的。 又可分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。
①物理吸附法 利用水不溶性的固相载体表面直接吸附酶而 使酶固定化。固相载体有活性炭、氧化铝、高岭土、多孔玻璃、 等无机载体，也有如纤维素、胶原、淀粉等有机载体。
后退 前进 目录 返回
常用的产酶微生物
菌种
工业酶品种
菌种
工业酶品种
谷氨酸脱羧酶、天冬氨 大肠杆菌 酸酶、青霉素酰化酶、
β-半乳糖甘酶
葡萄糖氧化酶、青
青霉菌
霉素酰化酶、5’磷酸二酯酶、脂肪
酶
枯草杆菌
α-淀粉酶、β-葡萄糖氧 化酶、碱性磷酸酯酶
木霉菌 纤维素酶
啤酒酵母
转化酶、丙酮酸脱羧酶 、乙醇脱羧酶
酶工程主要包括酶的制备、分离纯化、酶固定化、酶及固定 化酶反应器、酶修饰与改造、酶与固定化酶的应用等。
后退 前进 目录 返回
酶的来源与固定化酶
酶可直接从生物体中分离得到，是特殊的蛋白质制备。 早期的酶产品直接从生物体中提取分离，现在市场上的酶 制剂多采用发酵法生产。 酶反应是在水溶液中进行的，属于均相反应。 固定化酶，是指限制或固定于特定空间位置的酶、不易随 水流失、又能发挥催化作用的酶制剂。分泌产生酶的生物细胞 也可以固定化。 制备固定化酶的过程称为酶的固定化。 固定化的酶，可以是经提取分离后得到的有一定纯度的酶， 也Байду номын сангаас以是结合在菌体（死细胞）或细胞碎片上的酶或酶系。
琼脂糖
多聚氨基酸
明胶
金属氧化物
后退 前进 目录 返回
固定化细胞
细胞固定化是利用细胞内酶和酶系，称为第二代固定化酶。 固定化细胞既有细胞特性，也有生物催化剂功能，又具有固 相催化剂待点。其优点在于： 无需进行酶的分离纯化； 细胞保持酶的原始状态，固定化过程中酶的回收率高； 细胞内酶比固定化酶稳定性更高； 细胞内酶的辅因子可以自动再生； 细胞本身含多酶体系，可催化一系列反应； 抗污染能力强。
后退 前进 目录 返回
固定化载体
酶固定化所用的水不溶性固体支持物称为载体或基质。 固定化载体需符合如下条件：不引起菌体变性，有酸碱耐 受性，有机械强度，有亲水性及良好的稳定性，有疏松、均匀 的网状结构，具有耐受酶和微生物细胞能力，廉价易得。
物理吸附法
矾土
淀粉
膨润土 皂土
胶棉
多孔玻璃
碳酸钙 二氧化硅
交联法的反应条件比较强烈，固定化酶的酶活回收一般较低， 降低交联剂的浓度、缩短反应时间可提高固定化酶的比活。
交联法常与吸附法或包埋法联合使用。在被交联的酶溶液中 添加辅助蛋白如牛血清白蛋白，可提高固定化酶的稳定性。
后退 前进 目录 返回
固定化酶的包埋法制备
包埋法可分为网格型和微囊型两种。 网格型包埋即凝胶包埋，是将酶或细胞包埋在高分子化合 物形成的细微网格中，凝胶材料有卡拉胶、海藻胶、琼脂及明 胶等；也可使用聚丙烯酰胺的进行包埋法固定化。 微囊型包埋是将酶定位于具有半透性膜的微小囊内，酶存 在于类似细胞内的环境中，增加了稳定性。用于制造微胶囊的 材料有聚酰胺、火棉胶、醋酸纤维素等。 包埋法适用于多种酶制剂的固定化，但包埋的固定化酶只 适用于小分子底物及小分子产物的转化反应，不适用于催化大 分子底物或产物的反应，而且因扩散阻力会导致酶的动力学行 为发生改变，降低酶活力。
后退 前进 目录 返回
固定化酶的交联法制备
交联法是使用双功能或多功能试剂，使酶分子之间相互交联， 呈网状结构。常用的交联剂有戊二醛、双重氮联苯胺-2,2-二磺 酸、1,5-二氟-2,4-二硝基苯及己二酰亚胺二甲酯等。参与交联 反应的酶蛋白功能团有N-末端的α-氨基、赖氨酸的ε-氨基、酪 氨酸的酚基、半胱氨酸的巯基，以及组氨酸的咪唑基等。
活性炭 煤渣
氧化铝 磷酸钙凝胶
纤维素 羟基磷灰石
石英粉
离子吸附法
包埋法
共价结合法
DETE-纤维素 TEAT-纤维素 羟甲基纤维素
卡拉胶
葡聚糖凝胶
海藻胶
琼脂
聚丙烯酰胺凝胶 琼脂糖
DEAE-葡聚糖凝胶 甲壳素 阳离子交换树脂 硅胶
苯胺多孔玻璃 对氨基苯纤维素
阴离子交换树脂 丙烯酸高聚物 聚丙烯酰胺
琼脂
胶原
根霉菌
淀粉酶、蛋白酶、 纤维素酶
黑(黄)曲 霉
糖化酶、蛋白酶、淀粉 酶、果胶酶、葡萄糖氧 化酶、氨基酰化酶、脂 肪酶
链霉菌 葡萄糖异构酶
后退 前进 目录 返回
固定化酶的特点
酶类可粗分为天然酶和修饰酶。固定化酶属于修饰酶，具有 下列优点：
①可以多次使用，提高了酶的稳定性。 ②酶反应产物易分离、易纯化，产品质量高。 ③反应条件易于控制，可实现连续化和自动控制。 ④酶利用效率高，催化底物量增加，酶用量减少。 ⑤比水溶性酶更适合于多酶反应。 应根据酶的应用目的和特性，来选择固定化方法。 酶固定化方法可分为载体结合法、包埋法及交联法3类，此 外细胞固定化还有选择性热变性（热处理）。
酶工程技术
一 固定化酶的概念 二 固定化酶制备方法 三 固定化细胞的制备 四 固定化应用实例
后退 前进 目录 返回
酶的特性与酶工程
酶是具有催化活性的蛋白质，又称为生物催化剂，其化学本 质是蛋白质，基本组成单位是氨基酸。
酶的催化特性为：效率更高；反应专一性更强；反应条件温 和；催化活性可以受到调节和控制。
②离子吸附法 利用离子键使酶与载体结合而将酶固定。载 体是不溶于水的离子交换剂。常用的有DEAE-纤维素、DEAE葡聚糖凝胶、CM-纤维素、纤维素柠檬酸盐等。
③共价结合法 酶功能团和载体表面的反应基团之间以共价 键结合。先活化载体，使载体获得能与酶分子的某一特定基团 发生特异反应的活泼基团；还要考虑到酶蛋白上提供共价结合 的功能团不能影响酶的催化活性；反应条件尽可能温和。
后退 前进 目录 返回
固定化细胞的制备
细胞固定化是酶固定定化技术的延伸，主要适用于胞内酶， 要求底物和产物容易透过细胞膜，细胞内不存在产物分解系统 及其他副反应；若存在副反应，应具有相应的消除措施。
固定化方法有载体结合法、包埋法、交联法及无载体法等。 ①载体结合法 将细胞悬浮液直接与水不溶性的载体相结合， 所用的载体主要为阴离子交换树脂、阴离子交换纤维素、多扎 砖及聚氯乙烯等。 ②包埋法 将细胞定位于凝胶网格内，常用的载体有卡拉胶、 聚乙烯醇、琼脂、明胶及海藻胶等。 ③交联法 用多功能试剂对细胞进行交联。 ④无载体法 靠细胞自身的絮凝作用制备固定化细胞
后退 前进 目录 返回
酶固定化方法
后退 前进 目录 返回
固定化酶的载体结合法制备
通过载体表面和酶分子表面间的次级键作用达到固定目的。 又可分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。
①物理吸附法 利用水不溶性的固相载体表面直接吸附酶而 使酶固定化。固相载体有活性炭、氧化铝、高岭土、多孔玻璃、 等无机载体，也有如纤维素、胶原、淀粉等有机载体。
后退 前进 目录 返回
常用的产酶微生物
菌种
工业酶品种
菌种
工业酶品种
谷氨酸脱羧酶、天冬氨 大肠杆菌 酸酶、青霉素酰化酶、
β-半乳糖甘酶
葡萄糖氧化酶、青
青霉菌
霉素酰化酶、5’磷酸二酯酶、脂肪
酶
枯草杆菌
α-淀粉酶、β-葡萄糖氧 化酶、碱性磷酸酯酶
木霉菌 纤维素酶
啤酒酵母
转化酶、丙酮酸脱羧酶 、乙醇脱羧酶