酶工程--第4章-酶反应器
蛋白质与酶工程复习资料
酶工程复习提纲第一章绪论1.酶及酶工程的概念。
酶：是生物体内一类具有催化活性和特殊空间构象的生物大分子物质。
酶工程：利用酶的催化作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需产品的一门工程技术。
(名词解释) 2.了解酶学的发展历史，尤其是一些关键事件。
1833年，Payen和Persoz发现了淀粉酶。
1878年，Kuhne首次将酵母中进行乙醇发酵的物质称为酶。
给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个词来自希腊文，其意思“在酵母中”。
1902年，Henri提出中间产物学说。
1913年，Michaelis and Menton推导出酶催化反应的基本动力学方程，米氏方程：V=VmS/（Km+S）。
1926年，Summer分离纯化得到脲酶结晶。
人们开始接受“酶是具有生物催化功能的蛋白质”。
Cech and Altman于1982和1983年发现具有催化活性的RNA即核酸类酶，1989年获诺贝尔化学奖。
现已鉴定出5000多种酶，上千种酶已得到结晶，而且每年都有新酶被发现。
3.了解酶在医药、食品、轻工业方面的应用。
医药：（1）用酶进行疾病的诊断：通过酶活力变化进行疾病诊断，谷丙转氨酶/谷草转氨酶用于诊断肝病、心肌梗塞等，酶活力升高；葡萄糖氧化酶用于测定血糖含量，诊断糖尿病。
（2）用酶进行疾病的治疗：来源于蛋清、细菌的溶菌酶用于治疗各种细菌性和病毒性疾病；来源于动物、蛇、细菌、酵母等的凝血酶用于治疗各种出血病；来源于蚯蚓、尿液、微生物的纤溶酶用于溶血栓。
（3）用酶制造各种药物：来源于微生物的青霉素酰化酶用于制造半合成青霉素和头孢菌素；来源于动物、植物、微生物的蛋白酶用于生产L-氨基酸。
食品：生产低聚果糖，原料为蔗糖，所需酶为果糖基转移酶、蔗糖酶α（黑曲霉、担子菌）；生产低聚异麦芽糖，原料为淀粉，所需酶为α-淀粉酶、β-淀粉酶、真菌α-淀粉酶（米曲霉）、α-葡萄糖苷酶（黑曲霉）、普鲁兰酶、糖化型α-淀粉酶（枯草杆菌）。
酶工程复习资料
酶工程复习资料名词解释1、酶反应器：用于酶进行催化反应的容器和附属设备2、pH记忆：3、产物阻遏作用：又称酶生物合成的反馈阻遏作用，是指酶催化反应的产物或代谢途径末端的产物使该酶的生物合成受到阻遏现象。
4.1酶的延续合成型:酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后，酶还可以延续合成一段时间的生物合成模式。
4.2同步合成型：是指酶的生物合成与细菌生长同步进行的一种酶生物合成模式。
4.3中期合成型：酶在细胞生长一段时间后才开始合成，细胞进入生长平衡期后，酶的生物合成也随之停止。
4.4滞后合成型：酶是在细胞进入生长平衡期后才开始生物合成并大量积累，5、固定化细胞——固定在载体上，并在一定空间范围内进行生命活动的细胞。
6、电场膜分离——是在半透膜的两侧分别装上正、负电极。
在电场作用下，小分子的带电物质或离子向着与其本身所带电荷相反的电极移动，透过半透膜，而达到分离的目的。
7、催化周期：酶进行一次催化所需的时间。
8、固定化酶：固定在载体上并在一定空间范围内进行催化反应的酶称为固定化酶。
9、抗体酶：抗体酶又称为催化性抗体，是一类具有催化功能的抗体10、立体异构专一性：当酶作用的底物含有不对称碳原子时，酶只能作用于异构体的一种，这种绝对专一性称为立体异构专一性。
11、微滤：又称为孔过滤，微滤介质截留的物质颗粒直径为0.2-2um，主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可看到的颗粒物质的分离。
12、酶的比活力：是一个纯度指标，指特定条件下，单位质量的蛋白质或RNA所具有的酶活。
13、膜反应器：是将酶的催化反应和半透膜的分离作用组合在一起的反应器。
14、酶电极：是由固定化酶与各种电极密切结合的传感装置。
15、氨基酸置换修饰：将酶分子上的某一个氨基酸置换成另一个氨基酸的修饰方法。
16、盐析沉淀法：是利用不同蛋白质在不同盐溶度条件下溶解度不同的特性，通过在酶液中添加一定浓度的中性盐，使酶或杂质从溶液中析出沉淀，从而使酶与杂质分离的过程。
南京林业大学酶工程酶反应器讲课文档
酶反应器的选择 —— 依据酶反应动力学性质
影响因素：2) 底物浓度及其抑制作用
底物的浓度受其对酶抑制情况的制约 防止底物浓度过高
游离酶
酶膜反应器 连续式操作
搅拌罐式反应器 流加式操作 / 连续式操作
固定化酶
搅拌罐式反应器
填充床式反应器
流化床式反应器 酶膜反应器
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1、确定酶反应器的类型 根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则
，选择并确定反应器的类型。 2、确定反应器的制造材料 酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性的环境中进
行反应，所以酶反应器的设计对制造材料制造反应容器即 可。没有什么特别要求，一般采用不锈钢
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三、酶反应器的设计
目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反 应器。
设计依据：
酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影 响；
反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性； 需要的生产量及生产工艺流程。
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设计过程 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算 4、进行物料衡算
反应操作要求
应用的可塑性及成本
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酶反应器的选择 —— 酶的应用形式
游离酶适用的反应器
特点：均相反应 常用：搅拌罐式反应器
有气体参与：鼓泡式反应器
昂贵的酶：酶膜反应器 —— 酶回收较容易
耐高温酶：喷射式反应器
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酶反应器的选择 —— 酶的应用形式
可用于连续反应，也可用于分 批反应
剪切力小，对结构较脆弱的细胞和 固定化载体有利
酶工程名词解释
标志酶：通常可以将只分布于细胞内某个特定组分的酶称为标志酶，可以将它作为细胞组分鉴别的依据，甚至可以判别组织或器官是否发生病变。
寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，分子量一般高于30kDa，具有四级结构。
构成寡聚酶的亚基可以相同，也可以不同，亚基之间一般以非共价键排列。
多酶复合体：多酶复合体由两个或两个以上的酶靠非共价键连接而成。
固定化酶：指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。
脱氧核酶：脱氧核酶都是单链DNA分子通过自身卷曲、折叠形成的三维结构，在某些特殊的辅助因子的作用下与底物结合并发挥催化功能。
抗体酶：具有催化能力的单克隆抗体，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物。
模拟酶：用人工方法合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白质结构的化合物。
肽酶：就是模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽。
半合成酶：是以天然蛋白或酶为母体，用化学或生物学方法引进适当的活性部位或催化基团，或改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。
分子印迹酶：通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活性中心的空腔，对底物产生有效的结合作用，同时在结合部位的空腔内诱导产生催化基团，并与底物定向排列，制备出人工模拟酶。
糖化酶：即葡萄糖淀粉酶，系统名为α-1，4-葡聚糖葡萄糖水解酶，大量用作淀粉糖化剂。
青霉素酰化酶；又称青霉素酰胺酶或青霉素氨基水解酶，由一个分子质量为20~23kDa、含有侧链结合位点的亚基和一个分子质量为65~69kDa、含有催化位点的亚基组成，是半合成抗生素生产过程中有重要作用的一种酶。
靶酶：在生物体内新陈代谢过程中进行的多种化学反应几乎都是在酶的催化下，以一定的速度、按确定的方向进行的。
其中的每一种酶都有一些特定的抑制剂，通常将这种酶称为该抑制剂的靶酶。
别构酶：调节物与酶分子的调节中心结合后，引起酶分子的构象发生变化，从而改变催化中心对底物的亲和力，这种影响被称为别构效应，具有别构效应的酶叫别构酶。
西大酶工程名词解释
超临界萃取：又称为超临界流体萃取，是利用欲分离物质与杂质在超临界流体中的溶解度不同而达到分离的一种萃取技术。
大分子结合修饰：采用水溶性大分子与酶的侧链基团共价结合，使酶分子空间构象发生改变，从而改变酶的特性与功能的方法称大分子结合修饰。
定点突变：是20世纪80年代发展起来的一种基因操作技术。
是指在DNA序列中的某一特定位点上进行碱基的改变从而获得突变基因的操作技术。
反胶束萃取：是利用反胶束将酶或其他蛋白质从混合液中萃取出来的一种分离纯化技术。
反胶束又称反胶团，是表面活性剂分散于连续有机相中形成的纳米尺度的一种聚集体。
反胶束溶液是透明的，热力学稳定的系统。
反馈阻遏作用：酶生物合成的反馈阻遏作用又称产物阻遏作用，是指酶催化反应的产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象。
分解代谢阻遏作用：是指某些物质（主要是指葡萄糖和其他容易利用的碳源等）分解代谢和产物阻遏某些酶（主要是诱导酶）生物合成的现象。
固定化酶：固定在水不溶性载体上，并在一定的空间范围内进行催化反应的酶，称为固定化酶。
固定化细胞：固定在载体上，并在一定的空间范围内进行生命活动的细胞称为固定化细胞。
固定化原生质体：指固定在载体上，并在一定的空间范围内进行生命活动的原生质体。
抗体酶：又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子。
抗体酶同时具有抗体的高度特异性以及酶的高效催化能力，是通过人工设计、采用现代生物技术而获得的一类新的生物催化剂，有些是在自然界原本不存在的。
离子交换层析：是利用离子交换剂上的可解离基团（活性基团）对各种离子的亲和力不同而达到分离目的的一种层析分离方法。
酶的发酵生产：经过预先设计，通过人工操作，利用微生物的生命活动获得所需酶的技术过程，称为酶的发酵生产。
酶的诱导合成：加进某些物质，使酶的生物合成开始或加速进行的现象，称为酶生物合成的诱导作用，简称诱导作用。
酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。
第四章__酶工程原理及其在食品工业中的应用详解
（2）离子吸附法。通过离子效应，将酶分子固定到 含有离子交换基团的固相载体上。 常见的载体：DEAE-纤维素、 DEAE-葡聚糖凝胶、 CM-纤维素、DOWEX-50等。 优点：操作简单，处理条件温和，能得到酶活回收 率较高的固定化酶。 缺点：酶与载体的结合力较弱，当离子强度高、缓 冲液种类或pH值发生变化时，酶容易脱落。
酶工程一般工艺流程示意图
胞外酶
胞内酶 菌种→基因改造→发酵→发酵酶液→预处理→细胞分离→细 胞破壁→碎片分离→提取→精制→酶制剂及其改造 酶制剂 ↓ 原料→前处理→杀菌→酶反应器→反应液→产品提取→成品
（二）酶工程的发展历程 1.20世纪50～60年代早期的酶工程技术，主要是从 动物、植物和微生物原料中提取、分离、纯化制造各种 酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。 2.20世纪70年代后期，酶的固定化技术取得了突破， 使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等 酶工程技术迅速获得应用。 3.目前，各种酶工程技术已用于制造多种精细化工 产品和医药产品，并且在食品工业、化学检测和环境保 护等各个领域中得到了有效的应用。
（二）非机械破碎法 1.酶溶法 加酶法:常用的有溶菌酶、蛋白酶、糖苷酶等，它们 对细胞壁或细胞膜进行酶解，使细胞破碎。 自溶法：在微生物生长代谢过程中，控制一定条件， 诱发微生物产生少量的溶胞酶或激发自身溶胞酶的活力， 以达到细胞自溶的目的。 2.化学渗透法 用有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素或金属 螯合物等处理，使细胞壁或膜的通透性（渗透性）改变， 从而使胞内物质有选择地渗透出来。
（三）根据酶分子电荷性质的方法 1.离子交换层析 根据被分离物质与分离介质（离子交换剂）间异种电 荷的静电引力的不同来进行物质分离的。不同离子交换剂 上的可解离基团对各种离子的亲和力不同，而使不同物质 分离。 离子交换剂根据活性基团的性质分为阳离子交换剂和 阴离子交换剂。酶具有两性性质，可用阳离子交换剂，也 可用阴离子交换剂进行酶的分离纯化。
酶工程 1~10章题目及答案
第一章绪论试题精选一、名词解释1、酶2、酶工程3、核酸类酶4、蛋白类酶5、酶的生产6、酶的改性7、酶的应用8、酶的专一性9、酶的转换数二、填空题1、根据分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可以分为_蛋白类酶_和核酸类酶_两大类。
2、核酸类酶分子中起催化作用的主要组分是_核糖核酸，蛋白类酶分子中起催化作用的主要组分是_蛋白质_。
3、进行分子内催化作用的核酸类酶可以分为_自我剪切酶_，_自我剪接酶_。
4、酶活力是_酶量_的量度指标，酶的比活力是_酶纯度_的量度指标，酶的转换数的主要组分是_酶催化效率_的度量指标。
5、非竞争性抑制的特点是最大反应速度Vm_减小_，米氏常数Km__不变_。
三、选择题1、酶工程是（C）的技术过程。
A、利用酶的催化作用将底物转化为产物B、通过发酵生产和分离纯化获得所需酶C、酶的生产与应用D、酶在工业上大规模应用2、核酸类酶是（D）。
A、催化RNA进行水解反应的一类酶B、催化RNA进行剪接反应的一类酶C、由RNA组成的一类酶D、分子中起催化作用的主要组分为RNA的一类酶3、RNA剪切酶是（B）。
A、催化其他RNA分子进行反应的酶B、催化其他RNA分子进行剪切反应的R酶C、催化本身RNA分子进行剪切反应的R酶D、催化本身RNA分子进行剪接反应的R酶4、酶的改性是指通过各种方法（A）的技术过程。
A、改进酶的催化特性B、改变酶的催化特性C、提高酶的催化效率D、提高酶的稳定性5、酶的转换数是指（C）。
A、酶催化底物转化成产物的数量B、每个酶分子催化底物转化为产物的分子数C、每个酶分子每分钟催化底物转化为产物的分子数D、每摩尔酶催化底物转化为产物的摩尔数四、判断题（V）1、相同的酶在不同的pH条件下进行测定时，酶活力不同。
（V）2、竞争性抑制的特点是最大反应速度Vm不变，米氏常数Km 增大。
（X）3、催化两个化合物缩成一个化合物的酶称为合成酶。
（X ）4、RNA剪切酶是催化RNA分子进行剪切反应的核酸类酶。
第四章 酶工程
化学酶工程
也称初级酶工程，指自然酶、化学修饰酶、固定 化酶以及人工合成酶的研究和应用。 （1）自然酶：由生物材料中分离出来的酶制成的 酶制剂。价格低，生产方式简单；应用方便，不需辅 因子参加；产品种类少，应用范围窄。 （2）化学修饰酶：通过酶分子的化学修饰达到改 性变构的目的。主要用于酶学研究和疾病治疗。
化学结合法
（1）共价结合法：将载体有关基团活化、与酶分 子上的功能团发生化学反应形成共价键的一种固定化 方法；与载体结合的酶功能团有α或ε-NH2，α、β 或γ-羧基，巯基，咪唑基，酚基等，但参与共价结 合的氨基酸残基应当是酶催化活性的非必需基团，否 则可能会导致固定后酶活力完全丧失；
（ 2 ）共价交联法 ：通过双功能或多功能试剂 （交联剂），在酶分子之间或酶分子与微生物细胞 之间形成共价键的连接方法； 常用的交联剂有戊二 醛、异氰酸酯、顺丁烯二酸酐和乙烯共聚物等；
等电点沉淀法
利用蛋白质在等电点时溶解度最低，以及不同 的蛋白质具有不同的等电点这一特性，对酶进行分 离纯化的方法。经常与盐析沉淀、有机溶剂沉淀等 方法一起使用，使其沉淀完全。
有机溶剂沉淀法
利用酶在有机溶剂中溶解度不同而使其分离。 常用有机溶剂：乙醇、丙酮、异丙酮等。
（二）根据酶分子大小和形状不同的方法
酶反应器是完成酶促反应的装臵，研究内容包括 酶反应器的类型、特性；酶反应器的设计、制造及选 择等。
二、酶的生产与分离纯化技术
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➢ 传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为 了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热 量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一 个环节。
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酶反应器（enzyme reactor）
搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构 受到破坏。
/ipc/hxyj_C12M_detail_200720125230.html 微型生物酶反应器
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4.1.2 填充床式反应器
➢ 是将酶固定化后， 填充到柱式反应容 器中而制成的一种 反应器。
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按操作方式分为： 分批式反应（batch） 连续式反应（continuous） 流加分批式反应（feeding batch）
将结构和操作方式结合一起分为： ➢ 连续搅拌罐式反应器
continuous stirred tank reactor，CSTR
➢ 分批搅拌罐式反应器 batch stirred tank reactor，BSTR等
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优点：
➢ 混合均匀 ➢ 传质和传热效果好 ➢ 温度和pH值易于调节控制 ➢ 不易堵塞 ➢ 对黏度较大的反应液也可进行催化
反应
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• 缺点：
需要较高的流速才能维持粒子的充分流态 化，而且固定化酶颗粒易于被破坏，流体 动力学变化较大，参数复杂，放大较为困 难。 • 目前，流化床反应器主要被用来处理一些 粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于 水解牛乳中的蛋白质。
• 20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和 应用获得迅速发展的阶段。
• 传统生物工业中使用的生物反应器称为“发 酵罐”（fermenter）
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发酵罐
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生物反应器历史简介
• 20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应 器（biochemical reactor）一词，其含义 除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、 处理废水用反应器等。
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• 分批搅拌罐式反应器也可以用于流加 分批式反应。
• 流加分批搅拌罐式反应器的装置与分 批搅拌罐式反应器的装置相同。
• 流加分批式反应可以用于游离酶和固 定化酶的催化反应。
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2、连续搅拌罐式反应器 只适用于固定便 ➢ 反应条件容易调节控制 ➢ 底物与固定化酶接触较好 ➢ 传质阻力较小 ➢ 反应器的利用率较高。 ➢ 需注意控制好搅拌速度，以免由于强烈
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4.1.1 搅拌罐式反应器
由反应罐、搅拌器和保温装置组成。 既可以用于游离酶的催化反应，又可以用 于固定化酶的催化反应 1、分批搅拌罐式反应器
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优点：
设备简单，操作容易，酶与底物 混合均匀， 传质阻力较小，反应较为 完全，反应条件容易调节控制。 缺点： 用于游离酶，酶难以回收。 用于固定化酶，反应器利用率较低， 而且可能对固定化酶的结构造成破坏。
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生物反应过程: 由生物工程所引出的生产过程
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生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地 位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品 产业化的关键设备。 ➢ 在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料
升值。 ➢ 生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个
及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很 大影响。
➢ 适用于固定化酶进 行催化反应
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旋转填充床
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优点： ➢ 设备简单 ➢ 操作方便 ➢ 单位体积反应床的固定化酶密度大 ➢ 可以提高酶催化反应的速度 缺点： 底层固定化酶颗粒所受压力较大，容易 引起固定化酶颗粒的变形或破碎。
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4.1.3 流化床反应器
是一种适用 于固定化酶 进行连续催 化反应的反 应器。
第4章 酶反应器
刘立丽 浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所
E-mail: llliu@
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生物反应器
一、生物反应器概述 生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化
成有用物质的过程。 四个组成部分： ——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
定义：通常将用于酶进行催化反应的容器 及其附属设备称为酶反应器。 作用：使酶得到合理的应用，并能够提 高产品的质量和降低成本。
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本章内容 P92
酶反应器的分类 酶反应器的选择 酶反应器的设计 酶反应器的放大 酶反应器的操作
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4.1 酶反应器的类型和特点
按照结构的不同可以分为：
➢ 搅拌罐式反应器 stirred tank reactor，STR ➢ 填充床式反应器 packed column reactor，PCR ➢ 流化床反应器 fluidized bed reactor，FBR ➢ 鼓泡式反应器 bubble column reactor，BCR ➢ 膜反应器 membrane reactor，MR ➢ 喷射式反应器 jet gas-liquid reactor
评价生物反应器主要是看它生产能力的大 小以及产品质量的高低。
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生物反应器的要求
➢ 一般的化学反应器相似： 维持一定的温度、pH、反应物（营养物质， 包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、 传热和混合性能，以提供合适的环境条件， 确保生物反应的顺利进行。
➢ 与一般的化学反应器不同： 细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种 微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。
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生物反应器
生物反应器设计的 主要目标是使产品 的质量高，成本低。
生物反应器处于生 物过程的中心，它 常是影响整个过程 的经济效益的一个 重要方面。
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生物反应器历史简介
• 生物反应器这一术语出现的时间不长，但人 们利用生物反应器进行有用物质生产却有着 悠久的历史。
• 我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就 是最初的生物反应器。
• 同一时期，Ollis提出了另一术语——生物 反应器（biological reactor）.
• 20世纪80年代，生物反应器（bioreactor) 一词在专业期刊与书籍中大量出现。
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传质和传热
➢ 生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和 传热。
➢ 传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最 主要考虑的问题。