酶反應(yīng)器及生物酶傳感器

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1、第八章酶反應(yīng)器和生物酶傳感器生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，是一種生物功能模擬機(jī)，如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細(xì)胞反應(yīng)器等。乳腺生物反應(yīng)器：將外源基因?qū)胼d體，位于β－乳球蛋白基因啟動子下游，使得該目的基因只能在哺乳動物組織中表達(dá)乳腺生物反應(yīng)器　　將所需目的基因構(gòu)建入載體，加上適當(dāng)?shù)恼{(diào)控序列，轉(zhuǎn)入動物胚胎細(xì)胞，使轉(zhuǎn)基因動物分泌的乳汁中含有所需要藥用蛋白。從融合基因轉(zhuǎn)入胚胎細(xì)胞到收集蛋白質(zhì)有一個過程，包括胚胎植入、分娩和轉(zhuǎn)基因動物的生長。轉(zhuǎn)基因動物從出生到第一次泌乳，豬、羊、

2、牛各需12、14、16個月；并且只有雌性動物泌乳且不連續(xù)，一般可持續(xù)2、6、10個月。牛、羊等大型家畜能對藥用蛋白進(jìn)行正確的后加工，使之具有較高的生物活性，同時產(chǎn)奶量大，易于大規(guī)模生產(chǎn)，因而成為乳腺生物反應(yīng)器理想的動物類型。1999年英國PPL醫(yī)療公司培育出100只轉(zhuǎn)基因羊，其奶水中含有用于醫(yī)療的人體蛋白，能夠治療嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)疾病、血友病和先天發(fā)聲缺陷等荷蘭一家公司培育出一批轉(zhuǎn)基因牛，這些牛的乳汁中含有人乳鐵蛋白。人乳鐵蛋白可以抑制人胃腸道的細(xì)菌感染。中國科學(xué)院上海遺傳所和復(fù)旦大學(xué)合作，培育出5只含有人體某種基因的轉(zhuǎn)基因羊，這些羊的乳汁中

3、含有能治療血友病的珍貴藥物。利用生物反應(yīng)器來生產(chǎn)人類所需要的某些物質(zhì)，可以節(jié)省建設(shè)廠房和購買儀器設(shè)備的費(fèi)用，可以減少復(fù)雜的生產(chǎn)程序和環(huán)境污染。第一節(jié)酶反應(yīng)器一、什么叫酶反應(yīng)器？酶反應(yīng)器有兩種類型：直接應(yīng)用游離酶進(jìn)行反應(yīng)，即均相酶反應(yīng)器；應(yīng)用固定化酶進(jìn)行的非均相酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器是以酶為催化劑進(jìn)行生物催化反應(yīng)的核心裝置或設(shè)備，為酶促反應(yīng)提供合適的場所和反應(yīng)條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度的轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。常見的酶反應(yīng)器類型按結(jié)構(gòu)區(qū)分?jǐn)嚢韫奘椒磻?yīng)器（StirredTankReactor,STR）鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumn

4、reactor,BCR)填充床式反應(yīng)器(packedcolumnreactor,PCR)流化床式反應(yīng)器(FluidizedBedReactor,FBR)膜反應(yīng)器(MembraneReactor,MR)按操作方式區(qū)分分批式反應(yīng)(batch)連續(xù)式反應(yīng)(continuous)流加分批式反應(yīng)(feedingbatch)混合形式連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批攪拌罐反應(yīng)器（BatchStirredTankReactor,BSTR）二、基本類型：間歇式酶反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐式酶反應(yīng)器固定床型酶反

5、應(yīng)器流化床型酶反應(yīng)器膜式酶反應(yīng)器1.間歇式酶反應(yīng)器特點(diǎn)：底物和酶一次性投入反應(yīng)器中，產(chǎn)物一次性取出，反應(yīng)結(jié)束后，固定化酶（細(xì)胞）用過濾（或超濾）法回收。2.連續(xù)攪拌罐式酶反應(yīng)器向反應(yīng)器中投入固定化酶和底物溶液，不斷攪拌，反應(yīng)達(dá)到平衡后，再以恒定流速連續(xù)流入底物溶液，同時，以相同流速輸出反應(yīng)液（含產(chǎn)物）3.填充床（固定床）型酶反應(yīng)器——把催化劑填充在固定床（填充床）中的反應(yīng)器，這是一種使用得最廣泛的固定化酶反應(yīng)器4.流化床型酶反應(yīng)器流化床型反應(yīng)器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。底物以一定的流速從下向上流過，使固定化酶顆粒在流體中維持懸浮

6、狀態(tài)并進(jìn)行反應(yīng)，這時的固定化顆粒和流體可以被看作是均勻以合的流體。優(yōu)點(diǎn)：流化床反應(yīng)器具有傳熱與傳質(zhì)特性好、不堵塞、能處理粉狀底物、壓降較小，缺點(diǎn)：需要較高的流速才能維持粒子的充分流態(tài)化，而且放大較困難。目前，流化床反應(yīng)器主要被用來處理一些粘度高的液體和顆粒細(xì)小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白質(zhì)。5.膜式酶反應(yīng)器(MBR)membranebiologicalreactor是將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器，可用于游離酶的催化，也可用于固定化酶的催化反應(yīng)其中，固定化酶的利用，是將酶固定在具有一定孔徑的多孔薄膜中，而制成的生

7、物反應(yīng)器。常用的是中空纖維反應(yīng)器膜反應(yīng)器類型：平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉(zhuǎn)盤型等，常用的是中空纖維反應(yīng)器。中空纖維反應(yīng)器則是由數(shù)根醋酸纖維素制成的中空纖維構(gòu)成，其內(nèi)層緊密光滑，具有一定的分子量截留值，可截留大分子物質(zhì)，而允許不同的小分子量物質(zhì)通過目前開發(fā)出來的膜生物反應(yīng)器可以分為三類：膜分離生物反應(yīng)器:用于污水處理中的固液分離膜曝氣生物反應(yīng)器:為好氧工藝供氧，可以實現(xiàn)生物反應(yīng)器的無泡曝氣，大大提高反應(yīng)器的傳氧效率萃取膜生物反應(yīng)器:主要用于工業(yè)廢水中優(yōu)先污染物的處理，選擇性透過膜被用于萃取特定的污染物。目前已進(jìn)行大量研究并投入大規(guī)模

8、實際應(yīng)用的只有膜分離生物反應(yīng)器反應(yīng)器的選擇：考慮因素：酶的形式（游離、固定化）固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)酶的穩(wěn)定性操作要求反應(yīng)器制造、控制成本根據(jù)催化劑的形狀來選用粒狀催化劑