2021提高酶催化的速率.ppt

第一节 酶反应器 生物反应的四个步骤： ? ? ? ? 原材料的预处理 生物催化剂的制备 生物反应器的选择及反应条件的控制 产物的分离提纯 一、 生物反应器概述 定义：以酶为催化剂进行反应所需的设备 ? 有２大类型： – 均相反应器：游离酶 – 非均相反应器：固定化酶 ? ? 基本类型： – 搅拌罐型反应器 – 固定床型反应器 – 流化床型反应器 – 膜式反应器 搅拌罐型反应器 ? 特点： 结构简单、温度和 pH 易控制、催 化剂可更换；但易被破坏。 ? 应用： 饮料和食品加工业 固定床型反应器（ PBR ） ? ? 把催化剂填充在固定床中的反应器 特点： 单位体积的催化剂负荷量高、结构 简单、容易放大、剪切力小、催化效率高， 适合产物抑制的催化反应。 ? 缺点： 温度和 pH 难控制；底物和产物会轴 向分布；更换 E 麻烦；底物加压才能加入 流化床型反应器（ FBR ） ? ? 装有较小颗粒的垂直塔式反应器 特点： 传热、传质特性好、不堵塞、能 处理粉状底物、压降较小；但需要较高 的流速。 ? 应用： 处理黏度高的液体和颗粒细小的 底物（如水解牛乳中的蛋白质） 膜式反应器（ MR ） ? 利用膜的分离功能，同时完成反应和分 离过程的反应器。 ? 最常用的为中空纤维膜反应器 各种酶反应器比较 反应器类型 适用的 操作方 式 适用 的酶 优缺点 搅拌罐式反应器 分批式、 游离 （ BSTR 、 CSTR ） 流加分 酶、 批式、 固定 连续式 化酶 填充床（ PBR 、 CPBR ） 连续式 固定 化酶 结构简单、操作方便，反应比较完全， 条件容易控制调节 载体易被破坏，动力消耗大 密度大，提高酶催化的速率，工业生产 普遍使用 温度、 pH 等难以控制；床内压力大，底 物必须加压才能进入。 混合均匀，传质和传热效果好，调节温 度等容易，不易堵塞。 动力消耗大，且不易直接放大 流化床（ FBR ） 分批式、 固定 化酶 流加分 批式、 连续式 膜反应器（ MR ） 连续式 游离 酶、 固定 化酶 酶促速率快、传质面积大，速率快，易 于自动控制与集成化 清洗比较困难 第二代酶反应器发展方向 ? ? ? 含辅因子的酶反应器 两相或多相反应器 固定化多酶反应器 二、酶反应器设计 1 、反应器设计应考虑四方面 ? 物料平衡 ? 酶反应动力学 ? 酶失活 ? 传质阻力 ? 2 、反应器的选择依据 ? ? 1 、固定化酶的形状 2 、底物的物理性质 ? ? 3 、酶反应动力学特性 4 、外界环境对酶的稳定性的影响 ? 5 、操作要求及反应器费用 案例：青霉素酰基转移酶水解 青霉素 G 的反应器选择 反应特点：产物 1 为氨基青霉烷酸（ 6APA ， 非竞争性抑制剂）；产物 2 为苯乙酸（竞争 性抑制剂）。 1 为弱酸， 2 为强酸，随反应进 行，生成大量质子。此酶对 pH 比较敏感， 最佳反应 pH 是 8.0 。 ? 根据以上信息从 CSTR 、 CPBR 、 BSTR 、 RBR 等反应器选择合适的类型并加以说明。 ? ? ? 1 、 CSTR ： 从动力学考虑，不合适，因为两个产物都是抑制剂； 但是也可以通过 pH 控制来操作。 ? ? 2 、 CPBR ： 从动力学观点比较合适，产物可以及时流出，但也 不合适，因为固定床进行 pH 控制比较困难。 ? ? 3 、 BSTR ： 比较好的选择 ，动力学考察接近 CPBR ， pH 控制接 近 CSTR ；但大部分是非生产时间，生产力下降。 ? ? 4 、 RBR ： 更好的选择， 外部引入循环装置后，促进酶催化反 应或除去有害物质。 pH 控制放在不同单元，不会影 响酶活力。 3 、酶反应器的性能评价 ? 空时（稀释率）： 底物在反应器中的停留时 间，等于反应器体积与底物体积流速之比。 转化率： 生产强度： 每小时每升反应器体积所生产的 产品 g 数。 ? ? 第二节 酶传感器 一、生物传感器 (Biosensor) 概述 ? 定义： 用生物活性物质做敏感器件，配以适 当的换能器所构成的分析系统。 ? ? 组成： 感受器 + 换能器 特点： – 选择性高、分析速度快、操作简单、价格低廉； – 可连续测定、在线分析、也可活体分析