固定化酶和固定化细胞(I)

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1、第4章固定化酶和固定化细胞主要内容：4.4固定化活细胞4.5酶催化反应器及其类型4.4固定化活细胞利用胞内酶制作固定化酶时，先要把细胞破碎，才能将里面的酶提取出来，这就增加了工序和成本，且提取的酶往往不够稳定。因此人们设想直接固定那些含有所需胞内酶的细胞，并且就用这样的细胞来催化化学反应。20世纪70年代，在固定化酶的基础上科学家们研制成固定化细胞（ImmobilizedCell），并且用于生产。70年代末，法国研究成功固定化细胞生产啤酒，80年代初我国居乃琥等用固定化细胞批量生产啤酒和酒精取得重要研究成果。固定化

2、细胞按其生理状态又可分为固定化死细胞和活细胞两大类。最初固定化的细胞是死细胞或静止态细胞，只利用其酶活性，近年来发展到固定化活细胞。前者经固定化后，虽然整个细胞活力消失，但是，需要利用的“目的酶”仍保持催化活力；而后者经固定化后，细胞仍保存活性，能进行正常的生长、繁殖和新陈代谢，所以称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。例如，琼脂包埋的酵母细胞数初时为106个/m3，在营养培养基里培养两天后，细胞数可达109～1010个/m3。与酶的固定化相比，固定化细胞保持了胞内酶系的原始状态与天然环境，有效地利用游离细胞完整的酶系

3、统和细胞膜的选择通透性，既具有固定化酶的优点，又具有其自身的优越性：①无需进行酶的分离和纯化，减少酶的活力损失，同时大大降低了成本；②可进行多酶反应，且不需添加辅助因子，固定化细胞不仅可以作为单一的酶发挥作用，而且可以利用菌体中所含的复合酶系完成一系列的催化反应，对于这种多酶系统，辅助因子再生容易；固定化细胞的优越性③对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高，对污染的抵抗力更强；④细胞生长停滞时间短，细胞多，反应快等等。正是由于固定化细胞的这些无可比拟的优势，尽管其出现远远晚于固定化酶，但其应用范围比固定

4、化酶更为广泛。固定化细胞的优越性当然，固定化细胞也有其自身的缺点，如：必须保持菌体的完整，需防止菌体的自溶，否则影响产物的纯度；必须抑制细胞内蛋白酶对目的酶的分解；胞内多酶的存在，会形成副产物；载体、细胞膜或细胞壁会造成底物渗透与扩散的障碍等。固定化酶和固定化细胞都是以酶的应用为目的，其制备方法也基本相同。固定化活细胞的制备条件比固定化酶更要温和，其制备方法主要有物理吸附法和包埋法两种。4.5酶催化反应器及其类型以酶为催化剂进行反应所需要的设备称之为酶催化反应器，简称酶反应器。4.5.1酶反应器的类型酶反应器有两种

5、类型：一类是直接用游离酶进行反应，即均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行的非均相酶反应器。均相酶反应能在批量式搅拌桶反应器或超滤膜反应器中进行，而非均相酶反应则可在多种反应器中进行，适用于连续催化反应，包括：连续流搅拌桶反应器、填充床反应器、流化床反应器、连续搅拌桶-超滤和循环式反应器等。4.5.2反应器的结构特点这类反应器结构简单，造价较低，传质阻力很小，反应能迅速达到稳态，主要应用在饮料等食品工业中。其缺点是操作麻烦，在反复回收过程中固定化酶容易损失，所以工业规模的固定化酶很少采用。但是，常用于游离酶。图4-

6、2批量式搅拌桶反应器4.5.2.1批量式搅拌桶反应器这种反应器在运转过程中，底物以恒定的流速流入反应器，与此同时，反应液则以同样的流速流出反应器。反应桶内装有搅拌器，使反应组分与固定化酶颗粒混合均一，出口处有过滤膜，可使不断补充新鲜底物与反应液流量维持动态平衡，如图4-3。4.5.2.2连续流搅拌桶反应器(ContinuousFlowStirredTandReactor，缩写CSTR)图4-3连续流搅拌桶反应器在理想的连续流搅拌桶反应器中，反应液混合良好，各部位的成分相同，并与流出液的组成也一致。CSTR的开放结构

7、使得调换固定化酶比较容易，而且有利于控制温度和调节pH，还能够处理胶态或不溶性底物，受底物抑制的固定化酶采用CSTR有较高的转化率。其缺点是，由搅拌产生的剪切力较大，易打碎磨损固定化酶颗粒。近来对此类型反应器进行了改良，就是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐内，这样，既能保证反应液搅拌均匀，同时又不致损坏固定化酶。4.5.2.3填充床反应器(PackedBedReactor，缩写PBR)图4-4填充床反应器填充床反应器又称固定床反应器（如图4-4）。可填充多向异性半透性中空纤维制

8、成管状，内部填充酶膜、酶片等。在填充床反应器内，底物在一定方向上以恒定的速度通过固定化酶柱。若柱的横截面上每一点液体流动的速度完全相同，则可以认为反应器是在理想条件下作为活塞式流动反应器（PlugFlowReactor，PFR）运转。由于流动方向上存在速度和温度梯度，在轴方向上存在底物的扩散，所以实际上总是不可能完全符合理想化的条件。4.5.2.4流化床反应