物料平衡酶反应动力学课件.ppt

1、生物反应的四个步骤：生物反应的四个步骤：l原材料的预处理原材料的预处理l生物催化剂的制备生物催化剂的制备l生物反应器的选择及反应条件的控制生物反应器的选择及反应条件的控制l产物的分离提纯产物的分离提纯l定义：以酶为催化剂进行反应所需的设备定义：以酶为催化剂进行反应所需的设备l有大类型：有大类型：均相反应器：游离酶均相反应器：游离酶非均相反应器：固定化酶非均相反应器：固定化酶l基本类型：基本类型：搅拌罐型反应器搅拌罐型反应器固定床型反应器固定床型反应器流化床型反应器流化床型反应器膜式反应器膜式反应器l特点：特点：结构简单、温度和结构简单、温度和pH易控制、催易控制、催化剂可更换；但易被破坏。化剂

2、可更换；但易被破坏。l应用：应用：饮料和食品加工业饮料和食品加工业l把催化剂填充在固定床中的反应器把催化剂填充在固定床中的反应器l特点：特点：单位体积的催化剂负荷量高、结构单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高，简单、容易放大、剪切力小、催化效率高，适合产物抑制的催化反应。适合产物抑制的催化反应。l缺点：缺点：温度和温度和pH难控制；底物和产物会轴难控制；底物和产物会轴向分布；更换向分布；更换E麻烦；底物加压才能加入麻烦；底物加压才能加入l装有较小颗粒的垂直塔式反应器装有较小颗粒的垂直塔式反应器l特点：特点：传热、传质特性好、不堵塞、能传热、传质特性好、不堵塞、能处

3、理粉状底物、压降较小；但需要较高处理粉状底物、压降较小；但需要较高的流速。的流速。l应用：应用：处理黏度高的液体和颗粒细小的处理黏度高的液体和颗粒细小的底物（如水解牛乳中的蛋白质）底物（如水解牛乳中的蛋白质）l利用膜的分离功能，同时完成反应和分利用膜的分离功能，同时完成反应和分离过程的反应器。离过程的反应器。l最常用的为中空纤维膜反应器最常用的为中空纤维膜反应器反应器类型反应器类型适用的适用的操作方操作方式式适用适用的酶的酶优缺点优缺点搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器（BSTR、CSTR）分批式、分批式、流加分流加分批式、批式、连续式连续式游离游离酶、酶、固定固定化酶化酶结构简单、操作方便，反应比

4、较完全，结构简单、操作方便，反应比较完全，条件容易控制调节条件容易控制调节载体易被破坏，动力消耗大载体易被破坏，动力消耗大填充床（填充床（PBR、CPBR）连续式连续式固定固定化酶化酶密度大，提高酶催化的速率，工业生产密度大，提高酶催化的速率，工业生产普遍使用普遍使用温度、温度、pH等难以控制；床内压力大，底等难以控制；床内压力大，底物必须加压才能进入。物必须加压才能进入。流化床（流化床（FBR）分批式、分批式、流加分流加分批式、批式、连续式连续式固定固定化酶化酶混合均匀，传质和传热效果好，调节温混合均匀，传质和传热效果好，调节温度等容易，不易堵塞。度等容易，不易堵塞。动力消耗大，且不易直接放

5、大动力消耗大，且不易直接放大膜反应器（膜反应器（MR）连续式连续式游离游离酶、酶、固定固定化酶化酶酶促速率快、传质面积大，速率快，易酶促速率快、传质面积大，速率快，易于自动控制与集成化于自动控制与集成化清洗比较困难清洗比较困难l含辅因子的酶反应器含辅因子的酶反应器l两相或多相反应器两相或多相反应器l固定化多酶反应器固定化多酶反应器l1、反应器设计应考虑四方面l 物料平衡物料平衡l 酶反应动力学酶反应动力学l 酶失活l 传质阻力l1、固定化酶的形状、固定化酶的形状l2、底物的物理性质、底物的物理性质l3、酶反应动力学特性、酶反应动力学特性l4、外界环境对酶的稳定性的影响、外界环境对酶的稳定性的影

6、响l5、操作要求及反应器费用、操作要求及反应器费用l反应特点：产物反应特点：产物1为氨基青霉烷酸（为氨基青霉烷酸（6APA，非竞争性抑制剂）；产物非竞争性抑制剂）；产物2为苯乙酸（竞争为苯乙酸（竞争性抑制剂）。性抑制剂）。1为弱酸，为弱酸，2为强酸，随反应进为强酸，随反应进行，生成大量质子。此酶对行，生成大量质子。此酶对pH比较敏感，比较敏感，最佳反应最佳反应pH是是8.0。l 根据以上信息从根据以上信息从CSTR、CPBR、BSTR、RBR等反应器选择合适的类型并加以说明。等反应器选择合适的类型并加以说明。l1、CSTR：l从动力学考虑，不合适，因为两个产物都是抑制剂；从动力学考虑，不合适，

7、因为两个产物都是抑制剂；但是也可以通过但是也可以通过pH控制来操作。控制来操作。l2、CPBR：l 从动力学观点比较合适，产物可以及时流出，但也从动力学观点比较合适，产物可以及时流出，但也不合适，因为固定床进行不合适，因为固定床进行pH控制比较困难。控制比较困难。l3、BSTR：l比较好的选择比较好的选择，动力学考察接近，动力学考察接近CPBR，pH控制接控制接近近CSTR；但大部分是非生产时间，生产力下降。；但大部分是非生产时间，生产力下降。l4、RBR：l更好的选择，更好的选择，外部引入循环装置后，促进酶催化反外部引入循环装置后，促进酶催化反应或除去有害物质。应或除去有害物质。pH控制放在

8、不同单元，不会影控制放在不同单元，不会影响酶活力。响酶活力。l空时（稀释率）：空时（稀释率）：底物在反应器中的停留时底物在反应器中的停留时间，等于反应器体积与底物体积流速之比。间，等于反应器体积与底物体积流速之比。l转化率：转化率：l生产强度：生产强度：每小时每升反应器体积所生产的每小时每升反应器体积所生产的产品产品g数。数。一、生物传感器一、生物传感器(Biosensor)概述概述l定义：定义：用生物活性物质做敏感器件，配以适用生物活性物质做敏感器件，配以适当的换能器所构成的分析系统。当的换能器所构成的分析系统。l组成：组成：感受器感受器+换能器换能器l特点：特点：选择性高、分析速度快、操作

9、简单、价格低廉；选择性高、分析速度快、操作简单、价格低廉；可连续测定、在线分析、也可活体分析可连续测定、在线分析、也可活体分析类型：类型：1 1、酶传感器、酶传感器,又称酶电极又称酶电极(Enzyme Electrode)2 2、微生物传感器、微生物传感器3 3、免疫传感器、免疫传感器4 4、组织传感器、组织传感器5 5、亚细胞传感器、亚细胞传感器二、酶传感器的工作原理二、酶传感器的工作原理酶传感器是以固定化酶作为感受器，以基酶传感器是以固定化酶作为感受器，以基础电极为换能器的生物传感器。础电极为换能器的生物传感器。l主要目标：以主要目标：以生物感受系统水平生物感受系统水平为主攻为主攻方向方向l分子电学、生物电子学分子电学、生物电子学三、生物传感器的发展前景三、生物传感器的发展前景