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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:

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。

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)。

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)。

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。
——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。

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:





四、固定化酶反应器的操作

搅拌的问题;使用高浓度的酶;游离酶的处理

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:





二、酶传感器的结构与工作原理
,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。
,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)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。

(1)透析膜包扎法
(2)聚丙烯酰***固定化酶涂层法
(3)交联酶涂层法
(二)酶传感器的性能

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。

从酶电极插入被测试样到获得稳定