第五章 生物催化剂的固定化

酶的固定化名词解释为了更好地理解酶的固定化，我们需要先了解一些基本的概念和名词。

酶是一种生物催化剂，它能够将化学反应的速率加快数百倍，甚至几千倍。

酶能够在体内进行催化作用，但是在工业中，酶的使用通常需要将其提取出来并进行固定化处理。

酶的固定化是对酶进行处理，使其能够在固定的材料上稳定存在并进行催化作用。

将酶固定在固体支持材料（例如聚四氟乙烯、聚丙烯等）上，然后将其包装成固定化酶催化剂，可以大大提高酶的稳定性和重复使用率，从而减少了生产成本和废弃物的产生。

下面，我们来具体了解一些与酶的固定化相关的名词和概念。

一、酶的特性1、酶的亲和力酶的亲和力指的是酶与反应物之间结合的强度。

酶与反应物之间的亲和力越大，酶的催化效率就越高。

2、酶的催化效率酶的催化效率指的是在特定条件下，酶催化反应的速率。

酶的催化效率越高，酶能够催化反应的速度越快。

3、酶的稳定性酶的稳定性指的是酶在特定条件下的稳定性。

稳定的酶能够长时间地保持其催化活性，从而减少了酶失活的可能性。

二、酶的固定化方式1、吸附法吸附法是将酶分子直接吸附到固体材料表面上，例如有机树脂、硅胶、纤维素等。

吸附法具有操作简单、易于控制等优点，但其中的酶易于脱落，稳定性较差。

2、包埋法包埋法是将酶固定在聚丙烯、聚乙烯等材料中。

在制备过程中，在酶与材料之间添加辅料，或利用聚合反应构筑复合材料结构。

包埋法的优点是稳定性强，但是酶催化效率较低。

3、共价固定化共价固定化是将固体支持材料和酶分子通过化学键或其他共价键结合在一起，从而形成一种新的化合物。

共价固定化的优点是稳定性强，催化效率高，但需要复杂的制备过程和化学反应条件的严格掌控。

三、固定化酶的应用1、废水处理将固定化酶催化剂添加到废水中，可以有效地去除废水中的有害物质和污染物，从而达到净化废水的目的。

2、食品加工固定化酶催化剂可以在食品加工中发挥重要作用，例如在面包、奶酪和啤酒等食品的制备过程中，利用固定化酶催化剂进行酵素催化反应。

第五章生物精细化工产品第一节生物化学工程基本知识生物化工产品的发展：第一代生物化工产品：酿酒、制醋、面团发酵是人类最早掌握的生物技术。

从19世纪80年代起到20世纪30年代末为止，不少发酵产品，如乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮、正丁醇、柠檬酸等相继投入生产。

第二代生物化工产品：在20世纪40年代随着抗生素工业的兴起而出现的，青霉素、链霉素、氯霉素先后投产。

第三代生物化工产品：1974年以后，，生物学取得了以重组DNA（脱氧核糖核酸）技术和细胞融合技术为代表的一系列新的成就，如用DNA重组体菌种生产的胰岛素、干扰素、疫苗以及用杂交瘤技术生产的单克隆抗体等。

基本知识准备：一、生物化学工程的定义及特点生物反应过程是利用生物催化剂，即游离或固定化的活细胞或酶从事生物化工产品的生产过程。

发酵过程--当采用活细胞催化剂(主要是整体的微生物细胞)。

酶反应过程--利用从细胞中提取得到的酶为催化剂。

生物反应过程包括4个组成部分：（1）原料预处理即底物或培养基的制备过程，包括原料的物理、化学加工和灭菌过程。

（2）生物催化剂的制备生物催化剂是指游离或固定化的活细胞或酶，微生物是最常用的活细胞催化剂，酶催化剂则是从细胞中提取出来的，只在经济合理时才被应用。

不同菌株和不同酶的催化专一性、活力及稳定性有很大差异，因此有关菌种分离、筛选、选育是不可缺少的。

（3）生物反应的主体设备即生物反应器，凡反应中采用整体微生物细胞时，反应器则称发酵罐；凡采用酶催化剂时，则称为酶反应器。

（4）生物化工产品的分离和精制这一部分常称下游加工，是生化分离工程的主要内容。

特点：A：由于采用生物催化剂，可在常温常压下进行反应，但生物催化剂易于失活，易受环境影响和污染，一般采用分批操作；B：可采用再生性的生物资源为原料，且来源丰富，价格低廉，过程中产生的废料危害性较小，但往往形成原料成分不易控制，对生产控制和产品质量带来影响；C：生产设备较为简单，能量消耗较少，但由于反应液的底物和产物浓度不能太高，造成反应器体积很大；D：酶反应的专一性强、转化率高，但成本较高；发酵过程应用面广、成本较低，但反应机理复杂，难以控制，产物中常含有杂质，给提取带来困难。

固定化生物催化剂（IBC）处理景观水的试验研究【摘要】IBC利用微生物分解污染物酶促反应的原理，加快污染物分解速度，使水体中的污染物含量降低，从而改善景观水的水质。

本课题就IBC用于景观水进行了试验，结果表明IBC对于藻类上浮有一定的抑制作用，其中的微生物可以分解水中的营养物质，使其氨氮、总磷、COD指标有所下降，从而改善水质。

【关键词】景观水；生物固定化技术；IBC固定化生物催化剂是使用物理或化学方法限制或定位在某一特定空间范围内，保留了其固有的催化活性，能被重复和连续使用的酶、微生物细胞、动植物细胞、细胞器等生物催化剂。

固定化技术不需把酶从细胞中提取及纯化，酶活性损失较小且利于提高生物反应器内的微生物密度，利于反应后的固液分离，缩短处理时间。

目前研究最多的固定化方法是包埋法，其对微生物活性影响小、颗粒强度高，常用的载体材料有天然高分子多糖类和合成高分子化合物。

中村裕纪用聚丙烯酸胺包埋法固定硝化菌和脱氮菌，用好氧硝化与厌氧反硝化两段工艺进行合成废水的脱氮试验，其结果表明：与悬浮生物法相比，低温下硝化速度（以N计）加快了6～7倍，约为0.5 kg/（m2·d）；脱氮速率提高了3倍，约为1.5 kg/（m2·d）；停留时间由原来的7h（硝化4h，反硝化3h）缩短为4h（硝化2h，反硝化2h），即处理装置容积可减少约50%左右。

目前国内外应用固定化技术对难降解有机废水的处理包含对含重金属废水、含氮废水、印染造纸等废水的处理。

结果表明，固定化技术具有独特的优势：相对于悬浮液，能够提高Ph2+、Cu2+和Zn2+的去除率；固定化脱色菌活性污泥在脱色方面显示了极大的优越性；能够有效去除甲醇、TOC和对甲苯胺等。

1 试验水体试验水体选自小区内夏季最容易发生水华且最严重的水域进行试验，并以与其相近的水域作为对照。

1.1水域水质指标试验水域及对照水域的水质如表1所示。

1.2水域面积及水量试验水域面积约为720m2，水深1.6m；对照水域面积约为700m2，水深1.6m。

生物固定化和生物催化的应用随着生物学、化学和材料学等学科的发展，生物固定化和生物催化已经成为化学工业中不可或缺的重要技术。

这些技术利用微生物和酶对化学反应或废水处理等方面进行处理，具有节约能源、减少废弃物和减少环境污染等优点。

生物固定化技术生物固定化技术是利用载体将微生物固定在其上，以便进行特定的化学反应。

这些载体通常是有机聚合物、矿物质或无机材料，它们具有表面可修饰性和高度孔隙度的特点，从而能够吸附和保持微生物在固定化过程中的生物活性。

与传统的自由生物反应相比，生物固定化技术具有以下优点：（1）增加生物反应在工业生产中的稳定性和可控性；（2）提高反应效率，减少物质的损失和反应时间；（3）减少废弃物和减轻环境污染的风险。

生物固定化应用在医药生产中，可加快药物的合成速率，提高化学过程的纯度，减少有毒物质的产生。

同时，固定化技术在废水处理和环境保护中也是非常有用的。

例如，利用固定化微生物对有害物质进行降解和转化，可以减少污染物的存在，促进自然资源的重复利用。

生物催化技术生物催化技术是利用酶这种天然生物催化剂来促进化学反应过程。

酶具有高度的选择性，高效性和高温、低温、酸性和碱性环境下均能工作的特点。

相比于传统的化学催化反应，生物催化技术更加环保，能够提高反应效率和产物纯度。

生物催化在食品、医药、石油化工、农业等多个领域中都得到了广泛应用。

例如，在食品工业中，生物催化技术可以用于制作味精、酒精和酸奶等产品。

在医药工业中，生物催化技术可以用于制药反应，提高药物的产量和纯度。

在农业领域中，生物催化技术可以用于植物保护和肥料制备等方面。

总之，生物固定化和生物催化技术是化学工业中非常重要的技术。

这些技术可以在生产过程中减少环境污染的风险、提高反应效率和产物纯度，从而可持续发展地为人类社会和自然环境做出贡献。

酶固定化方法酶是一种生物催化剂，能够在生物体内促进化学反应的发生，并具有选择性、高效率等特点，被广泛应用于药物合成、化妆品生产、食品加工、农业等领域。

然而，酶在生产过程中易受到环境条件、物质浓度、PH值等因素的影响，其失活速度也较快，因此需要采用酶固定化方法来提高酶的稳定性和重复使用性。

酶固定化是指将酶分子固定在一定的载体上，形成酶固定化催化剂，以提高酶的稳定性、活性和寿命，并使其能够重复使用。

酶固定化的优点在于可以有效地降低生产成本，提高产品的纯度和产量，减少废物的生成，并且有利于环境保护。

常见的酶固定化方法有物理吸附法、化学共价键结合法、交联共价键结合法、磁性分子筛固定法等。

1.物理吸附法物理吸附法是一种简单易行的酶固定化方法，主要是利用载体表面的物理吸附力将酶固定在载体上。

常用的载体有纤维素、硅胶、氧化铝、纳米颗粒等。

物理吸附法具有操作简单、成本低、不影响酶的活性、经济实用等优点，但固定效果不够稳定，易受到温度、PH值、离子浓度等因素的影响，且固定效率较低。

2.化学共价键结合法化学共价键结合法是将酶固定于载体表面通过共价键（如酯键、硫醇键、胺键等）连接，酶与载体结合更牢固。

此方法的固定效果稳定，易于操作，但可能影响酶的活性，且固定剂的使用可能会增加成本。

交联共价键结合法是一种主要针对大分子酶的固定化方法，其原理是将酶分子与载体交联，形成较牢固的内部网络结构，通过物理和化学交联结合将酶固定在载体上。

该方法具有较好的固定效果和稳定性，并且可以在不影响酶的活性的情况下实现酶的固定化。

4.磁性分子筛固定法磁性分子筛固定法是一种新型的酶固定化方法，利用磁性颗粒作为载体，采用超声波或磁力场等手段使酶分子与磁性颗粒产生交互作用，从而固定酶分子。

此方法具有简单易行、操作方便、固定效果好等优点，适用于固定化小分子酶和大分子酶。

酶的固定化方法及优缺点酶是一种能够促进化学反应的生物催化剂，具有高效、特异性和温和等优点，因此在许多工业生产和科学研究中得到广泛应用。

然而，酶的活性易受环境条件影响，如温度、pH值、离子强度等，因此需要进行固定化处理以提高其稳定性和重复使用性。

酶的固定化方法主要包括物理吸附、共价结合、交联固定等。

其中，物理吸附是将酶溶液直接吸附在载体表面上，通常采用多孔材料或纤维素等作为载体；共价结合是通过化学反应将酶与载体共价键结合，常用的交联剂有戊二醛、硫酸氢钠等；交联固定则是利用交联剂将酶与载体交联形成一种网状结构。

物理吸附法是一种简单易行的方法，不需要进行复杂的化学反应步骤，且操作方便。

但其缺点是稳定性较差，在长时间使用过程中容易脱落或失活。

共价结合法可以使酶与载体之间形成更牢固的化学键，因此稳定性较好，但其缺点是反应条件较为苛刻，易导致酶失活或降低活性。

交联固定法是一种中庸之道，既能保持酶的高活性，又能提高稳定性和重复使用性。

但其缺点是需要进行复杂的交联反应步骤，操作相对较为繁琐。

除了上述方法外，还有一些新型的固定化方法正在不断发展和探索中。

例如，在纳米技术领域中，利用纳米粒子作为载体可以提高酶的稳定性和催化效率；在材料科学领域中，利用多孔材料或金属有机框架等作为载体也具有很好的固定化效果。

总之，选择合适的固定化方法需要根据具体情况进行综合考虑。

在实际应用中，需要根据酶的特性、工艺要求、经济成本等因素进行权衡和取舍。

未来随着科技不断进步和创新发展，相信会有更加优异的固定化方法出现，并为酶在工业生产和科学研究中带来更广泛的应用前景。

固定化微生物原理及方法所谓固定化技术(IMC)，就是利用化学的或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域，并使之成为不悬浮于水仍保持生物活性，可反复利用的方法。

包括固定化酶技术和同定化细胞技术，微生物被固定后，细胞内酶系统保存完整，相当于一个多酶生物反应器，与传统的悬浮生物处理法相比，它具有处理效率高、稳定性强、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高、污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等优。

其固定方法国内外没有统一的分类标准，根据对各种方法的分析，可将其分为物理固定法和化学固定法两大类。

物理同定法主要有吸附法、包埋法、截留法，化学固定法包括共价结合法和交联法1.1吸附法吸附法是依据带电的微生物细胞和载体之间的静电、表面张力和黏附力的作用，而使微生物细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法。

这是一种非常廉价、有效且常用的微生物固定化方法。

吸附法可分为物理吸附和离子吸附。

物理吸附是使用具有高吸附能力的物质，如硅胶、活性炭、多孔玻璃、碎石、卵石、焦炭、硅藻土、多孔砖等吸附剂，将微生物吸附在表面使其固定化。

离子吸附是利用微生物在解离状态下离子健合作用而固定定于带有相反电荷的离子交换剂上，常见的离子交换剂有DEAE一纤维素、CM一纤维素等。

吸附法操作简单，微生物固定过程对细胞活性的影响小，但所固定的微生物数量受所用载体的种类及其表面积的限制。

固定化对于吸附载体的要求包括：具有抗物理降解、抗化学降解、抗生物降解的稳定性，具有一定的机械强度和结构稳定性。

根据载体性质可分为：有机载体和无机载体，有机载体又分为天然载体和合成载体。

天然载体包括：聚多糖，如纤维素、葡萄糖；蛋白质，如明胶、胶原蛋白；碳材料，如无烟煤、木材等。

合成载体包括：乙烯和马来酸酐的共聚物、戊二醛缩水甲基丙烯酯共聚物、合成的离子交换材料及塑料等。

无机载体主要包括：玻璃、陶瓷、含水的金属氧化物及硅藻土等。

固定化细胞相对活性=（固定化细胞活性/游离细胞活性）*100%造成活性差异原因：各种载体的吸附容量不同，因而所固定的细胞量不同，有些吸附载体对微生物细胞可能有毒害作用，各种载体与微生物细胞之间的结合程度不一样，有些易脱落优点：吸附法操作简单，微生物固定过程对细胞活性的影响小，缺点：所固定的微生物数量受所用载体的种类及其表面积的限制，不够牢固易脱落。