酶反應(yīng)器及生物酶?jìng)鞲衅鞯?頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生物反應(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。第2頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三乳腺生物反應(yīng)器：將外源基因?qū)胼d體，位于β－乳球蛋白基因啟動(dòng)子下游，使得該目的基因只能在哺乳動(dòng)物組織中表達(dá)第3頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三乳腺生物反應(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(dòng)物胚胎細(xì)胞，使轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(gè)過(guò)程，包括胚胎植入、分娩和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的生長(zhǎng)。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物從出生到第一次泌乳，豬、羊、牛各需12、14、16個(gè)月；并且只有雌性動(dòng)物泌乳且不連續(xù)，一般可持續(xù)2、6、10個(gè)月。牛、羊等大型家畜能對(duì)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(shí)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(dòng)物類(lèi)型。

第4頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1999年英國(guó)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(guó)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，這些羊的乳汁中含有能治療血友病的珍貴藥物。利用生物反應(yīng)器來(lái)生產(chǎn)人類(lèi)所需要的某些物質(zhì)，可以節(jié)省建設(shè)廠(chǎng)房和購(gòu)買(mǎi)儀器設(shè)備的費(fèi)用，可以減少?gòu)?fù)雜的生產(chǎn)程序和環(huán)境污染。第5頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)酶反應(yīng)器第6頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、什么叫酶反應(yīng)器？酶反應(yīng)器有兩種類(lèi)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(chǎng)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。第7頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第8頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常見(jiàn)的酶反應(yīng)器類(lèi)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(bubblecolumnreactor,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）第9頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、基本類(lèi)型：間歇式酶反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐式酶反應(yīng)器固定床型酶反應(yīng)器流化床型酶反應(yīng)器膜式酶反應(yīng)器第10頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.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(guò)濾（或超濾）法回收。第11頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.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(shí)，以相同流速輸出反應(yīng)液（含產(chǎn)物）第12頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.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)器第13頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.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?gòu)南孪蛏狭鬟^(guò)，使固定化酶顆粒在流體中維持懸浮狀態(tài)并進(jìn)行反應(yīng)，這時(shí)的固定化顆粒和流體可以被看作是均勻以合的流體。第14頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三優(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。第15頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三目前，流化床反應(yīng)器主要被用來(lái)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)。第16頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.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，而制成的生物反應(yīng)器。第17頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常用的是中空纖維反應(yīng)器第18頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三膜反應(yīng)器類(lèi)型：平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉(zhuǎn)盤(pán)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(guò)第19頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的膜生物反應(yīng)器可以分為三類(lèi)：

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(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)器的無(wú)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(guò)膜被用于萃取特定的污染物。

第20頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三目前已進(jìn)行大量研究并投入大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的只有膜分離生物反應(yīng)器第21頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反應(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(dòng)力學(xué)性質(zhì)酶的穩(wěn)定性操作要求反應(yīng)器制造、控制成本第22頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三根據(jù)催化劑的形狀來(lái)選用粒狀催化劑可采用攪拌罐、固定化床和鼓泡塔式反應(yīng)器，而細(xì)小顆粒的催化劑則宜選用流化床對(duì)于膜狀催化劑，則可考慮采用螺旋式、轉(zhuǎn)盤(pán)式、平板式、空心管等膜反應(yīng)器。盡管酶工藝在近幾十年來(lái)有了顯著的進(jìn)展，但是在已知的2000多種酶中已被利用的酶還是少數(shù)第23頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求設(shè)計(jì)目標(biāo)：

降低成本、高效生產(chǎn)要求事先了解：酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)內(nèi)容及溫度、pH等對(duì)酶特性的影響設(shè)計(jì)的酶反應(yīng)器的類(lèi)型及反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)及傳熱特性所達(dá)到的生產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝流程第24頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)計(jì)要求：高容積的生產(chǎn)率（酶的比活和濃度大）簡(jiǎn)便有效的控制反應(yīng)條件連續(xù)化、自動(dòng)化，并利于監(jiān)測(cè)和監(jiān)控盡可能降低能耗盡量減少污染反應(yīng)器加工簡(jiǎn)便、易行、投資低使設(shè)備與工藝流程達(dá)到最優(yōu)化組合第25頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三酶反應(yīng)器使用中應(yīng)注意的問(wèn)題酶的穩(wěn)定性對(duì)酶反應(yīng)器的功效是很重要的。在操作過(guò)程中，有時(shí)需要用酸或堿來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH。如果局部的pH過(guò)高或過(guò)低，就會(huì)引起酶的失活，或者使底物和產(chǎn)物發(fā)生水解反應(yīng)。這時(shí)，可用加快攪拌已促使混合均勻。如果底物和產(chǎn)物在反應(yīng)器中不夠穩(wěn)定的話(huà)，可以采用高濃度的酶，以減少底物和產(chǎn)物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，從而減少損失。防止微生物污染酶反應(yīng)器操作中，生產(chǎn)能力逐漸降低，主要原因是固定化酶活性降低或損失。造成固定化酶活性損失的原因：（1）酶本身的失活；（2）酶從載體上脫落；（3）載體的破碎或溶解。第26頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)生物傳感器第27頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如何獲得外界物質(zhì)世界的信息？光、聲、氣味等信號(hào)與感覺(jué)器官作用，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的信息處理和傳遞，最終被大腦所感知第28頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第29頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、生物傳感器的概念：是用生物活性物質(zhì)（如酶、核酸、抗體、蛋白質(zhì)、細(xì)胞等）做敏感元件，配以適當(dāng)?shù)膿Q能器（將生物和化學(xué)等的信息轉(zhuǎn)變成可測(cè)量的光、電等物理信息）所構(gòu)成的分析工具。第30頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、各種類(lèi)型的生物傳感器：主要分類(lèi)：酶?jìng)鞲衅?，微生物傳感器，免疫傳感器，組織傳感器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器第31頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第32頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.酶?jìng)鞲衅鳎好傅奶禺愋詫?duì)底物的特異性結(jié)合，避免其他物質(zhì)干擾。第33頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三酶催化氧化還原反應(yīng)，涉及到電子在分子間的傳遞：葡萄糖氧化酶（GOD）催化葡萄糖氧化反應(yīng)第34頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三微電極.

通過(guò)表面化學(xué)技術(shù)，將酶固定在電極表面，實(shí)現(xiàn)電子傳遞，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)第35頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——是問(wèn)世最早、成熟度最高的一類(lèi)傳感器。它是利用酶的催化作用，在常溫常壓下將糖類(lèi)、醇類(lèi)、有機(jī)酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過(guò)換能器將反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來(lái)，進(jìn)而推出相應(yīng)的生物分子濃度。酶?jìng)鞲衅魇情g接型傳感器，它不是直接測(cè)定待測(cè)物質(zhì)，而是通過(guò)對(duì)反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的濃度測(cè)定來(lái)推斷底物的濃度。酶?jìng)鞲衅鞯?6頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三目前國(guó)際上已研制成功的酶?jìng)鞲衅饔?0余種，其中最為成熟的傳感器是葡萄糖傳感器

，年銷(xiāo)售量約為十億美元；

第37頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在葡萄糖和葡萄糖氧化酶(GOx)存在時(shí)，稀溶液中羧酸二茂鐵(FCA)的循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)。"空白“實(shí)驗(yàn)（藍(lán)色）信號(hào)顯示沒(méi)有葡萄糖存在時(shí)的循環(huán)伏安圖。當(dāng)FCA+中電化學(xué)生成Fe(III)時(shí)，葡萄糖被氧化。在氧化條件下，電極上不斷生成FCA+。陽(yáng)極電流的大小取決于酶和葡萄糖的濃度。

第38頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.組織傳感器

組織傳感器是利用動(dòng)植物組織中多酶系統(tǒng)的催化作用來(lái)識(shí)別分子。由于所用的酶存在于天然組織內(nèi)，無(wú)須進(jìn)行人工提取純化，因而比較穩(wěn)定，制備成的傳感器壽命較長(zhǎng)。第39頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.微生物傳感器

微生物傳感器是應(yīng)用細(xì)胞固定化技術(shù)，將各種微生物固定在膜上的生物傳感器。它主要可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是利用微生物的呼吸作用，另一類(lèi)是利用微生物內(nèi)所含的酶。微生物生物體與組織一樣含有許多天然的生物分子，能對(duì)酶起協(xié)同作用.第40頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.免疫傳感器

免疫傳感器是利用抗體與抗原之間的高選擇特性而研制的。如：絨毛促性腺激素（HCG）傳感器便是其中的一種，HCG是鑒定懷孕與否的主要化合物其傳感器的制備是將HCG抗體固定在二氧化鈦電極的表面制成工作電極，通過(guò)它與固定尿素的參比電極之間形成一定的電位差，當(dāng)電解液中加人含HCG的抗原時(shí)，工作電極的電位立即發(fā)生變化，從電位變化則。可求出的HCG濃度第41頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三微懸臂免疫生物傳感器:微懸臂:第42頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第43頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器將生物技術(shù)與晶體管工藝結(jié)合的生物傳感器。所需酶量和抗體量小第44頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第45頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.生物芯片生物芯片是生物傳感器的陣列和集成化：微陣列.

第46頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DNA雜交蛋白質(zhì)雜交第47頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三生物芯片是指包被在硅片、尼龍膜等固相支持物上的高密度的組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)及其他生物組分的微點(diǎn)陣。芯片與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過(guò)檢測(cè)雜交信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的分析。DNA,酶,抗體...扮演不同的角色.第48頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三微電極陣列第49頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常見(jiàn)的生物芯片類(lèi)型：基因芯片蛋白質(zhì)芯片組織芯片第50頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基因芯片是指將大量基因探針?lè)肿庸潭ㄔ谥С治锷?，然后與標(biāo)記的樣品基因進(jìn)行雜交，通過(guò)雜交信號(hào)強(qiáng)弱判斷靶分子的數(shù)量第51頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)芯片主要是指蛋白質(zhì)如抗原或抗體在載體上的有序排列，依據(jù)蛋白質(zhì)分子、蛋白質(zhì)與核酸相互作用原理進(jìn)行雜交、檢測(cè)和分析。第52頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三組織芯片是一種特殊、新型的生物芯片將數(shù)十個(gè)甚至上千個(gè)不同個(gè)體的組織標(biāo)本集成在一張固相載體上，為醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)提供一種高通量、大樣本及快速的分子水平的分析工具。第53頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、生物傳感器的特點(diǎn)：1.其識(shí)別元件是有選擇性好的主體材料構(gòu)成，樣品無(wú)需預(yù)處理，測(cè)定方便2.體積小，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的原位檢測(cè)3.響應(yīng)快，樣品用量少，且由于敏感材料是固定的，故可反復(fù)使用4.成本相對(duì)較低，便于普及第54頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三算是生物電子的一個(gè)綜合,包含了不少內(nèi)容.

第55頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、生物傳感器的應(yīng)用生命科學(xué)與衛(wèi)生保健食品檢測(cè)工業(yè)及環(huán)境。。。。第56頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期三