第5章延伸阅读 延伸阅读5-1酶反应器 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，主要包括原材 料的预处理、生物催化剂的制备、反应器的选择和反应条件的调控及产物分离提纯等部分（图 S5-1)。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。它为生物化学反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在生物催 化剂的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于生物反应过程的中心地位， 是连接原料和产物的桥梁。根据使用对象的不同，生物反应器分为酶反应器和细胞反应器。 生物催化 过程调控 能 剂制备 量 原料预 生物 处理 消毒 反应器 反应分离纯化 产品 废物 除菌 图S5-1生物反应过程示意图 一、 酶反应器概念 酶反应器(enzyme reactor)是指以游离酶或固定化酶、固定化细胞作为生物催化剂， 进行酶促反应的装置。细胞反应器(cell reactor)则是利用增殖细胞内的酶系将培养基中的 成分转化成产品的装置。根据培养对象的不同，细胞反应器可以分为微生物细胞反应器，动 物细胞反应器以及植物细胞反应器。 二、酶反应器的类型和特点 酶反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，可以分为以下类型： 1.间隙搅拌反应器 间隙搅拌反应器(batch stirred tank reactor,BSTR)又称为批量反应器、间歇式搅抖罐、 搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出：反应完成之后， 固定化酶（细胞），用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。其优点是：装置较简单
第 5 章 延伸阅读 延伸阅读 5-1 酶反应器 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，主要包括原材 料的预处理、生物催化剂的制备、反应器的选择和反应条件的调控及产物分离提纯等部分（图 S5-1）。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。它为生物化学反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在生物催 化剂的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于生物反应过程的中心地位， 是连接原料和产物的桥梁。根据使用对象的不同，生物反应器分为酶反应器和细胞反应器。 图 S5-1 生物反应过程示意图 一、酶反应器概念 酶反应器（enzyme reactor）是指以游离酶或固定化酶、固定化细胞作为生物催化剂， 进行酶促反应的装置。细胞反应器（cell reactor）则是利用增殖细胞内的酶系将培养基中的 成分转化成产品的装置。根据培养对象的不同，细胞反应器可以分为微生物细胞反应器，动 物细胞反应器以及植物细胞反应器。 二、酶反应器的类型和特点 酶反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，可以分为以下类型： 1．间隙搅拌反应器 间隙搅拌反应器（batch stirred tank reactor, BSTR）又称为批量反应器、间歇式搅抖罐、 搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后， 固定化酶（细胞），用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。其优点是：装置较简单
成本较低，传质阻力很小，反应能迅速达到稳态。其缺点是操作麻烦，固定化酶经反复回收 使用时，易失活，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，而常用于游离酶。 2.连续搅拌釜式反应器 连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tank reactor,.CSTR)又称为连续式搅拌罐。向 反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再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）。其优点是：在理想状况下，混合良好， 各部位组成相同，并与输出成分一致。其缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗 粒。 3,填充床反应器 填充床反应器(packed bed reactor,.PBR)又称固定床反应器。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，在一定的反应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）。由于它具有高效率、易操作、结构简单等优点，因 而，PB是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶 和不含固体颗粒、强度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。其缺点是：传质系数 和传热系数相对较低。当底物溶液含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。近年来，PBR 有了新发展，产生了带循环的固定床反应器和列管式固定床反应器。 4.流化床反应器 流化床反应器(fluidized bed reactor,FBR)其特点是底物溶液以足够大的流速，从反应 器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反 应液的混合程度介于CSTR和PFR之间。由于反应器内混合程度高，因此，传热、传质情 况良好。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液，同时，亦可用于需要供气 体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产 物抑制的酶反应。 5.连续搅拌罐一超滤膜反应器 连续搅拌罐一超滤膜反应器(continuous stirred tank reactor/ultrafiltration reactor, CSTR-UFR)在CSTR出口处设置一个超滤器。该超滤器中的半透性超滤膜只允许小分子产 物通过，不允许大分子酶和底物通过。因此，可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有 利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分 子底物。 三、固定化酶反应器
成本较低，传质阻力很小，反应能迅速达到稳态。其缺点是操作麻烦，固定化酶经反复回收 使用时，易失活，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，而常用于游离酶。 2．连续搅拌釜式反应器 连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor, CSTR）又称为连续式搅拌罐。向 反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再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）。其优点是：在理想状况下，混合良好， 各部位组成相同，并与输出成分一致。其缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗 粒。 3．填充床反应器 填充床反应器（packed bed reactor, PBR）又称固定床反应器。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，在一定的反应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）。由于它具有高效率、易操作、结构简单等优点，因 而，PBR 是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶 和不含固体颗粒、强度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。其缺点是：传质系数 和传热系数相对较低。当底物溶液含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用 PBR。近年来，PBR 有了新发展，产生了带循环的固定床反应器和列管式固定床反应器。 4．流化床反应器 流化床反应器（fluidized bed reactor, FBR）其特点是底物溶液以足够大的流速，从反应 器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反 应液的混合程度介于 CSTR 和 PFR 之间。由于反应器内混合程度高，因此，传热、传质情 况良好。FBR 可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液，同时，亦可用于需要供气 体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因 FBR 混合均匀，故不适用于有产 物抑制的酶反应。 5．连续搅拌罐—超滤膜反应器 连 续搅 拌罐— 超 滤膜 反应 器（continuous stirred tank reactor/ultrafiltration reactor， CSTR-UFR）在 CSTR 出口处设置一个超滤器。该超滤器中的半透性超滤膜只允许小分子产 物通过，不允许大分子酶和底物通过。因此，可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有 利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分 子底物。 三、固定化酶反应器
高效的生物催化反应需在适宜的生物反应器中进行。以固定化酶为生物催化的所需容器 或附属设备称为酶反应器，它不同于化学反应器，在低温低压下进行反应，反应的产能或 耗能较少。其类型很多（图$5-2），主要有搅拌罐型反应器、固定床型反应器、流化床型 反应器、膜型反应器等。 底物 产物 循环流 底物 底物 底物 酶循环 底物 F 底物G 产物 底物 底物 产物 底物 物 图S5-2几种固定化酶反应器示意图 A间歇式搅拌罐：B连续式搅拌罐：C多级连续搅拌罐：D填充床（固定床）：E带循环的固定床：F列管 式固定床G流化床：H搅拌罐超滤器联合装置：1多釜串联半连续操反应器：」环流反应器：K螺旋卷生物 膜反应器
高效的生物催化反应需在适宜的生物反应器中进行。以固定化酶为生物催化的所需容器 或附属设备称为酶反应器，它不同于化学反应器， 在低温低压下进行反应，反应的产能或 耗能较少。其类型很多（图 S5-2），主要有搅拌罐型反应器、固定床型反应器、流化床型 反应器、膜型反应器等。 图 S5-2 几种固定化酶反应器示意图 A 间歇式搅拌罐；B 连续式搅拌罐；C 多级连续搅拌罐；D 填充床（固定床）；E 带循环的固定床；F 列管 式固定床 G 流化床；H 搅拌罐-超滤器联合装置；I 多釜串联半连续操反应器；J 环流反应器；K 螺旋卷生物 膜反应器
延伸阅读5-2生物传感器 一、生物传感器的概念 生物传感器(biosensor)是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多学科 相互渗透而产生的一种分析检测装置，是由感受器和换能器两部分组成的。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（如高分子膜、陶瓷膜、半导体元件等）结合而 成的。它能够识别混合物中目标物质，即能够选择性地使目标物质发生化学变化或物理变化， 从而产生化学信号（如：离子浓度，气体浓度等）或物理信号（如：温度变化，发光等）。 生物活性物质可以是酶、抗体、抗原、激素受体、微生物细胞、动物或植物的组织，以及细 胞器等。换能器可以是离子选择性电极、气敏电极、光导纤维、热敏电阻、压电晶体，以及 离子敏场效应晶体管等。它能够将上述化学信号或物理信号转变成电信号（如电位或电流）。 上述电信号，经过放大、数据处理，最后，测出混合物溶液中的某种物质的浓度（图$5-3）。 信号转换 分子识别 目标物质 电信号 物理变化 化学变化 其他物质 图S5-3生物传感器的功能结构 生物传感器的开发和应用是和酶的开发应用息息相关的。在20世纪60年代，科学家们 将酶与各种电化学传感器结合起来，创造出了新的分析装置一酶电极，它兼有了酶法和电极 法分析的优点，测定迅速而准确。例如由美国首先开发研制的葡萄糖酶电极，是由葡萄糖氧 化酶膜和溶氧电极构成，能够迅速测定人的血液和尿液中的葡萄糖含量，作为检测糖尿病患 者的工具。 二、生物传感器的分类 根据生物活性物质的不同，可以将生物传感器分为酶传感器(enzyme sensor)、微生物 传感器、免疫传感器、组织传感器和亚细胞传感器等。 1.酶传感器的结构与工作原理 (1)酶传感器的结构酶传感器是以固定化酶作为感受器，以基础电极作为换能器的
延伸阅读 5-2 生物传感器 一、生物传感器的概念 生物传感器（biosensor）是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多学科 相互渗透而产生的一种分析检测装置，是由感受器和换能器两部分组成的。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（如高分子膜、陶瓷膜、半导体元件等）结合而 成的。它能够识别混合物中目标物质，即能够选择性地使目标物质发生化学变化或物理变化， 从而产生化学信号（如：离子浓度，气体浓度等）或物理信号（如：温度变化，发光等）。 生物活性物质可以是酶、抗体、抗原、激素受体、微生物细胞、动物或植物的组织，以及细 胞器等。换能器可以是离子选择性电极、气敏电极、光导纤维、热敏电阻、压电晶体，以及 离子敏场效应晶体管等。它能够将上述化学信号或物理信号转变成电信号（如电位或电流）。 上述电信号，经过放大、数据处理，最后，测出混合物溶液中的某种物质的浓度（图 S5-3）。 图 S5-3 生物传感器的功能结构 生物传感器的开发和应用是和酶的开发应用息息相关的。在 20 世纪 60 年代，科学家们 将酶与各种电化学传感器结合起来，创造出了新的分析装置—酶电极，它兼有了酶法和电极 法分析的优点，测定迅速而准确。例如由美国首先开发研制的葡萄糖酶电极，是由葡萄糖氧 化酶膜和溶氧电极构成，能够迅速测定人的血液和尿液中的葡萄糖含量，作为检测糖尿病患 者的工具。 二、生物传感器的分类 根据生物活性物质的不同，可以将生物传感器分为酶传感器（enzyme sensor）、微生物 传感器、免疫传感器、组织传感器和亚细胞传感器等。 1． 酶传感器的结构与工作原理 （1）酶传感器的结构 酶传感器是以固定化酶作为感受器，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不同，将酶传感器分为电极密接型和液流系统 型（图S5-4)。电极密接型：即直接在基础电极的敏感面上安装固定化酶膜，从而构成酶电 极。液流系统型：固定化酶与基础电极是分开的，将固定化酶填充在反应柱内，底物溶液流 经反应柱时，发生酶促反应，产生生化信号，再流经基础电极敏感面，此时，生化信号转换 成电信号。 离子电极 气体电极等 泵 酶填充柱 离子电极 气体电极等 酶膜 试样进入口 a b 酶传感器 a.电极密接型b.液流系统型 图S5-4酶传感器 (2)酶传感器的工作原理酶传感器的工作原理是把酶促反应中的生化信号转换成电 信号，从而检测目标物质含量的一种方法。具体而言，是指把酶电极插入待测溶液中，固定 化酶专一地催化混合物中目标物质发生化学反应，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。 分子识别 信号转换 放大 数据 数据 生化 测量装置 处理 分析 信号 电信号 离子或 电位 气体 或电流 固定化酶膜 基础电极 图S5-5酶传感器工作原理 2.生物传感器的发展前景 生物传感器的开发依赖于生物技术、生物电子学和微电子学最新成果的不断渗透和发展， 在未来的研究工作中，生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境检测
生物传感器。根据感受器与基础电极结合方式不同，将酶传感器分为电极密接型和液流系统 型（图 S5-4）。电极密接型：即直接在基础电极的敏感面上安装固定化酶膜，从而构成酶电 极。液流系统型：固定化酶与基础电极是分开的，将固定化酶填充在反应柱内，底物溶液流 经反应柱时，发生酶促反应，产生生化信号，再流经基础电极敏感面，此时，生化信号转换 成电信号。 图 S5-4 酶传感器 （2）酶传感器的工作原理 酶传感器的工作原理是把酶促反应中的生化信号转换成电 信号，从而检测目标物质含量的一种方法。具体而言，是指把酶电极插入待测溶液中，固定 化酶专一地催化混合物中目标物质发生化学反应，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。 图 S5-5 酶传感器工作原理 2. 生物传感器的发展前景 生物传感器的开发依赖于生物技术、生物电子学和微电子学最新成果的不断渗透和发展， 在未来的研究工作中，生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境检测