酶工程酶的固定化优秀课件
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《酶固定化和修饰》PPT课件
缺点 结合力弱，对pH、离子强 度、温度等因素敏感，酶 易脱落，酶的装载容量较 小 偶联条件激烈，易引起酶 失活；成本高
交联条件激烈，机械性能 差
仅可用于低分子量的底物
固定化酶的应用
固定化酶既保持了酶的催化特性，又克服了游离酶 的不足之处，具有如下显著的优点： （1）酶的稳定性增加，减少温度、pH值、有机溶剂 和其他外界因素对酶的活力的影响，可以较长期地 保持较高的酶活力。 （2）固定化酶可反复使用或连续使用较长时间，提 高酶的利用价值，降低生产成本。 （3）固定化酶易于和反应产物分开，有利于产物的 分离纯化，从而提高产品质量。
低； —大多数情况下可以提高酶的稳定性； —可以增加产物的收率，提高产物质量； —有利于实现管道化、连续化以及自动化
操作，易于与各种分离手段联用。
固定化酶的缺点
• 但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上，固定化过程中酶 的活力难免有一定损失；
• 而底物则要求是水溶性的，这样才能够接触酶而发生反应； • 也不适宜于需要辅助因子的反应。 • 胞内酶必须经过酶的分离过程
• 固定化酶是20世纪50年代发展起来的一项技术
• 1969年固定化氨基酸酸化酶在工业生产中被正式应用
• 1971年的第一届国际酶工程会议上，正式 采用固定化酶（immobilized enzyme）
固定化酶的优点
• 优点： —易于将酶与底物及产物分离，因而产物
相对容易提纯； — 酶能够重复利用，使用效率提高，成本
由必需基团构成的与酶催化活性有关的 特定区域.
非必需基团
酶
非活性中心
分
子
活性中心外
必需基团
必需基团
结合基团 活
活性中心
性
《酶的固定化》PPT课件
第一节 酶固定化
定义 酶的固定化:将酶和菌体与不溶性载体结合的过程; 固定化酶:在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续 进行反应，反应后的酶可回收重复使用; 概念发展
“水不溶酶”（water insoluble enzyme) “固相酶”（solid phase enzyme)
1971年第一届国际酶工程会议正式采用“固定化酶（immobi lized enzyme)”
• 1、吸附法(link) • 2、包埋法(link) • 3、结合法(link) • 4、交联法(link) • 5、热处理法(link)
酶固定化方法示意图
吸附法 用固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使其固定的方法; 固体吸附剂:活性炭、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等; (1)操作简单，条件温和，不会引起酶变性失活，载体廉价易得，可反复使用; (2)物理吸附结合能力弱，酶与载体结合不牢固易脱落.
(2)产物酸碱性对最适pH值的影响
酸性:固定化酶的最适pH值比游离酶的高 碱性:固定化酶的最适pH值比游离酶的低 中性:固定化酶的最适pH值一般不变 原因:载体障碍产物的扩散
(back)
底物的特异性
与底物分子量的大小有关; 作用于低分子量底物的酶，没有明显变化，如氨基 酰化酶、葡聚糖氧化酶等; 既可作用于大分子底物，又可作用于小分子底物的 酶，往往会发生变化。如，固定在羧甲基纤维素上 的胰蛋白酶，对二肽或多肽的作用保持不变，而对 酶蛋白的作用仅为游离酶的3%左右 原因:载体的空间位阻作用
Relative activity (%)
100
80
60
A
B 40
20
0 30 40 50 60 70 80 90 Temperature ( 篊 )
《酶的固定化》课件
稳定性等
稳定性评估可 以帮助选择合 适的固定化方 法，提高酶的
固定化效果
稳定性评估还 可以帮助优化 固定化酶的生 产工艺，降低
生产成本
固定化酶的使用寿命
固定化酶的稳定性：在固定化过程中，酶的活性和稳定性得到提高
固定化酶的寿命：固定化酶的寿命通常比游离酶长，可以延长酶的使用寿命
固定化酶的再生：固定化酶可以通过再生技术恢复活性，延长使用寿命
添加标题
酶的固定化可以减少污染，提高环 保性能
酶的固定化可以简化生产工艺，提 高生产效率
酶的固定化未来 发展展望
新技术的开发与应用
酶固定化技术的发展：从传统的物理吸附到新型的化学键合 新型酶固定化技术的应用：在生物催化、生物制药、环境保护等领域的应用 酶固定化技术的挑战：如何提高酶的活性和稳定性，降低成本 酶固定化技术的未来：开发新型酶固定化材料，提高酶的固定化效率和稳定性，拓展应用领域
酶的固定化应用
环境保护：酶的固定化可以用 于污水处理、废气处理等领域
生物催化：酶的固定化可以 提高反应速率和选择性
食品加工：酶的固定化可以用 于食品加工，如酿酒、制糖等
医药工业：酶的固定化可以用 于药物合成、药物分析等领域
酶的固定化技术
吸附法
原理：利用酶与载体之间的物理或化学作用力，使酶固定在载体上 优点：操作简单，成本低，固定化效果好 缺点：酶活性易受载体影响，固定化后酶活性降低 应用：广泛应用于生物催化、生物制药等领域
提高固定化酶的稳定性与活性
改进固定化技术：提高酶的固 定化效率和稳定性
优化酶分子结构：提高酶的活 性和稳定性
筛选和优化固定化载体：提高 酶的固定化效率和稳定性
研究酶的固定化机制：为提高 酶的稳定性与活性提供理论支 持
稳定性评估可 以帮助选择合 适的固定化方 法，提高酶的
固定化效果
稳定性评估还 可以帮助优化 固定化酶的生 产工艺，降低
生产成本
固定化酶的使用寿命
固定化酶的稳定性：在固定化过程中，酶的活性和稳定性得到提高
固定化酶的寿命：固定化酶的寿命通常比游离酶长，可以延长酶的使用寿命
固定化酶的再生：固定化酶可以通过再生技术恢复活性，延长使用寿命
添加标题
酶的固定化可以减少污染，提高环 保性能
酶的固定化可以简化生产工艺，提 高生产效率
酶的固定化未来 发展展望
新技术的开发与应用
酶固定化技术的发展：从传统的物理吸附到新型的化学键合 新型酶固定化技术的应用：在生物催化、生物制药、环境保护等领域的应用 酶固定化技术的挑战：如何提高酶的活性和稳定性，降低成本 酶固定化技术的未来：开发新型酶固定化材料，提高酶的固定化效率和稳定性，拓展应用领域
酶的固定化应用
环境保护：酶的固定化可以用 于污水处理、废气处理等领域
生物催化：酶的固定化可以 提高反应速率和选择性
食品加工：酶的固定化可以用 于食品加工，如酿酒、制糖等
医药工业：酶的固定化可以用 于药物合成、药物分析等领域
酶的固定化技术
吸附法
原理：利用酶与载体之间的物理或化学作用力，使酶固定在载体上 优点：操作简单，成本低，固定化效果好 缺点：酶活性易受载体影响，固定化后酶活性降低 应用：广泛应用于生物催化、生物制药等领域
提高固定化酶的稳定性与活性
改进固定化技术：提高酶的固 定化效率和稳定性
优化酶分子结构：提高酶的活 性和稳定性
筛选和优化固定化载体：提高 酶的固定化效率和稳定性
研究酶的固定化机制：为提高 酶的稳定性与活性提供理论支 持
《酶固定化和修饰》课件
酶固定化技术的优缺点
优点：提高酶的稳定性和活性，延长酶的使用寿命 优点：降低酶的流失和污染，提高反应效率 缺点：固定化过程可能导致酶的活性降低 缺点：固定化酶的回收和再利用难度较大
04
酶修饰技术
酶修饰技术的分类
化学修饰：通过化学反应改变酶的活性、稳定性和选择性
物理修饰：通过物理方法改变酶的结构和性质，如加热、冷冻、辐射等
酶修饰在药物合成中的应用
酶修饰在药物代谢中的应用
添加标题
添加标题
酶修饰在药物筛选中的应用
添加标题
添加标题
酶修饰在药物分析中的应用
酶固定化和修饰在其他领域的应用案例
生物医药领域：用于药物合成、生物检测等 食品工业领域：用于食品加工、食品添加剂等 环保领域：用于污水处理、废气处理等 化学工业领域：用于化学反应、催化剂等 生物能源领域：用于生物燃料生产等 生物技术领域：用于基因工程、生物制药等
和效率问题
机遇：酶固定 化技术在生物 催化领域的应
用前景
机遇：酶修饰 技术在药物研 发和生物医学 领域的应用前
景
07
总结与展望
对酶固定化和修饰技术的总结
酶固定化技术：将酶固定在载体上，提高酶的稳定性和活性 酶修饰技术：通过化学修饰改变酶的结构和性质，提高酶的稳定性和活性 应用领域：生物催化、生物制药、环境保护等领域 发展趋势：酶固定化和修饰技术的发展将更加注重环保、高效和低成本
生物修饰：通过生物技术手段改变酶的活性、稳定性和选择性，如基因工程、蛋白质工程 等
复合修饰：结合多种修饰方法，实现对酶的精确调控和优化
酶修饰技术的原理
酶修饰技术是通过化学或生物方法对酶进行修饰，以提高酶的活性、稳定性和选择性。
酶修饰技术主要包括化学修饰和生物修饰两种方式。
【中图版】高中生物选修一34《酶的固定化》PPT课件
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固定化细胞的优点 (1)固定化细胞含有一系列的酶，可以催化一系列的反应。 (2)反应的条件较易控制。 (3)使用时间更长。
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1．生产酒精时，使用固定化细胞比固定化酶更好，原因不包括( ) A．固定化细胞中含有一系列酶(与生产酒精有关) B．固定化细胞比固定化酶更经济、成本更低 C．固定化细胞需要提供营养物质 D．固定化细胞比固定化酶对环境条件要求低
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(4)制备固定化大肠杆菌的步骤为： ①______________________________________________________________； ②______________________________________________________________； ③______________________________________________________________； ④______________________________________________________________。
优点
催化效率高、耗能低、 污染低
①既能与反应物接触， 又能与产物分离 ②可以反复利用
成本低，操作容易、 寿命长
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①固定化细胞使用的都是活细胞，因此应提供一定的营养物质。 ②固定化细胞由于保证了细胞的完整性，因而酶的环境改变较小，酶活性受 外界影响也较小。
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二、固定化酶的制备及利用 1．酶的固定化：(1)18.6%的 CaCl2 溶液和甲醇溶液处理(10 s)，冲洗、吸干。 (2)3.65 mol/L 的盐酸水解(45 min)，蒸馏水冲洗至中性。 (3)在 5%的戊二醛溶液中浸泡(20 min)。 (4)0.1 mol/L 的磷酸缓冲液洗涤，(多次)吸干。 (5)放 1 mg/mL 的木瓜蛋白酶溶液中(4 ℃处理 3.5 h)。 ↓
《酶的固定化》课件
01
02
03
酶的固定化步骤：
实验 木瓜蛋白酶的固定化
取出尼龙布，用0.1mol/L 磷酸缓冲液（pH值7.8）反复洗涤，洗去多余的戊二醛，吸干之后，立即用酶液（0.5～1mg/mL）在4℃下固定3.5h（酶液用量每块尼龙布不宜超过0.8mL）。
从酶液中取出尼龙布（保留残余酶液作测定用），用0.5mol/L NaCl溶液（用0.1mol/L磷酸缓冲液（pH值7.2）配制），洗去多余的酶蛋白，即为尼龙固定化酶。
热处理法只适用于热稳定性较好的酶的固定化，在热处理时，要严格控制好加热温度和时间，以免引起酶的变性失活。
（4）热处理法
步骤step
总体积Volume(ml)
总活力Total activity(u)
总蛋白Total protein(mg)
比活力Specific activity(u/mg)
纯化倍数Purification(fold)
缺点
（2）固定化（增殖）细胞的优点和缺点
（3）固定化细胞的制备（P169-178）
一般说，对于一步和两步反应的转化过程，用固定化酶较合适；对多步转化，采用整体细胞有利。
合成聚合物（聚酯、聚胺、尼龙等）
ⅰ.优点：酶与载体结合牢固，一般不会因底物浓度高或存在盐类等原因而轻易脱落。 ⅱ.缺点：反应条件苛刻，操作条件复杂； 酶蛋白高级结构变化，破坏活性中心，活力降低。
1
2
3
4
5
6
1
重氮法
2
叠氮法
3
烷基化反应法
4
溴化氰法
⑤载体活化方法
A．重氮法
反应示意式
NH2
NaNO2/HCl
.缩短发酵周期，提高生产能力（产率）；
02
03
酶的固定化步骤：
实验 木瓜蛋白酶的固定化
取出尼龙布，用0.1mol/L 磷酸缓冲液（pH值7.8）反复洗涤，洗去多余的戊二醛，吸干之后，立即用酶液（0.5～1mg/mL）在4℃下固定3.5h（酶液用量每块尼龙布不宜超过0.8mL）。
从酶液中取出尼龙布（保留残余酶液作测定用），用0.5mol/L NaCl溶液（用0.1mol/L磷酸缓冲液（pH值7.2）配制），洗去多余的酶蛋白，即为尼龙固定化酶。
热处理法只适用于热稳定性较好的酶的固定化，在热处理时，要严格控制好加热温度和时间，以免引起酶的变性失活。
（4）热处理法
步骤step
总体积Volume(ml)
总活力Total activity(u)
总蛋白Total protein(mg)
比活力Specific activity(u/mg)
纯化倍数Purification(fold)
缺点
（2）固定化（增殖）细胞的优点和缺点
（3）固定化细胞的制备（P169-178）
一般说，对于一步和两步反应的转化过程，用固定化酶较合适；对多步转化，采用整体细胞有利。
合成聚合物（聚酯、聚胺、尼龙等）
ⅰ.优点：酶与载体结合牢固，一般不会因底物浓度高或存在盐类等原因而轻易脱落。 ⅱ.缺点：反应条件苛刻，操作条件复杂； 酶蛋白高级结构变化，破坏活性中心，活力降低。
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重氮法
2
叠氮法
3
烷基化反应法
4
溴化氰法
⑤载体活化方法
A．重氮法
反应示意式
NH2
NaNO2/HCl
.缩短发酵周期，提高生产能力（产率）；
酶工程固定化酶的性质PPT讲稿
可以得用外到定宏扩性观的散语体实言系来际相描上同述。水包平括的分底子物扩，因散而和观对测流到扩的实散效两反部
①应速底物度和，其常它低效于应物理分论子预量测对的扩散水速平率。的对影于响分这析种表影明响，，一通般情
分况下。常，引在固用定固实化定酶效化作系用酶数于η反高O分进应子行操量定底作量物中讨比低，论分。可子以量底通物过的实搅效拌反应混速和度
活酶涌A化纤2比酶pp而6的最SHH30•••酶1，维量力明用％适胰8移另.℃的例3向.素为回等戊，0温蛋向活影由9一，变活碱8如经每收F(二而度酸白中响下力而种i1力为性，化1m达9对不醛侧酶性克且的式9回方％回p区李学93分变的固和蛋复0H即年情求收法收移增法％子的。7糜＝定白合使)况得率率是动.吉共；量，0用蛋酶于物在—分了下 ：等价，：以为例壳白9、8脱7别0(固.，.也聚5V如00酶聚1胰4．乙Vm0为9℃定0(固乙壳叫’0的.糖9隋蛋m4酰4m3仍（化g0烯聚个定V固7最年德白和作.0壳’％后有B糖pB基0化定适)新m酶1载－iH、聚的报，6较m固吡.酶温等和.化单体B7直糖B道8对高定啶’4度胃m，i的位效，％m链），g载分的化与则蛋时1，酶戊率、淀用子体活胃9聚比白，（活9二5×粉、D量蛋性后甲01E酶游酶为％力醛的A残为)白。，基E。进离1活p和催作回—80酶存H用最丙另行酶力纤005化8交收。%C活50烯适外固回．高维％活M0联率力酸p也定9收的5素—。性剂H马可～纤复等有化分直下范，林1以维合实别，链。接降5围等分素物通℃验可在淀吸在8加，别5包叠。过证达最粉附不％宽1对埋氮也明佳8的天实9考一7，木9同衍有固条催％冬验虑81由瓜一生固定件化和氨7)测。扩％液蛋酶物定化下活9酸得4散。相白固，酶化，性酶％胰限酶酶当最定固下，蛋。制加适降定的白酶化姜、 式•中符号与Fi上m ％式相＝同，B’为固定化处×理1后00，% 回收的未固定的酶蛋白的 量•。实际上这种方法，只Vm考.虑B 了在固定化处理过程中，固定化方法对 酶虑•。蛋式B白im中构为F型制im、为得活活的性力固中回定心收化等率酶的(湿％影体)响，积，B；为把V固m未为定被固化固定前定化所化前用的的的酶酶游蛋的离白最酶作大溶为反液回体应收积考速；
酶的固定化优秀PPT
38
2、空间障碍效应
固定化之后，由于酶的空间自由度受到限制(因为载体 的空隙太小，或者固定化方式与位置不当，给酶的活性部 位造成了空间屏障)，使酶分子的活性基团不易于底物或效 应物接触，影响酶分子的分子活性中心对底物的定位作用, 所造成的对固定化酶的活力的影响效应，被称为空间障碍 效应。
39
40
64
1）酶传感器的原理
酶传感器主要由固定 化酶膜和变换器组成： 固定化酶膜：选择性 地“识别”并催化被 检测物质发生化学反 应 变换器：把催化反应 中底物或产物的变量 转换成电信号，通过 仪表显示出来。
65
（2）酶电极（葡萄糖氧化酶电极） 半透膜 酶胶层
感应电极
1967年Updike等采用 酶的固定化技术，将葡萄 糖氧化酶固定在疏水膜上， 然后再和氧电极结合，组 装成了世界上第一个生物 传感器——葡萄糖氧化酶 电极。
优点：操作简单、条件温和、 载体廉价易得、可反复使用。
缺点：结合力不劳、容易脱落。 9
2.包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中， 使酶固定化的方法称为包埋法。
载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、 聚丙烯酰胺……
（1）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、 细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的固 定化方法。
1.必须注意维持酶的催化活性和专一性 2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度 4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定，不可与底物、产物发生反应 6.固定化酶要廉价
34
三 固定化酶的性质
35
36
37
1、分配效应
由于载体和底物的性 质差异引起了微环境和宏 观环境之间的性质不同。 微环境是在固定化酶附近 的局部环境，而将主体溶 液称为宏观环境。由这种 不同造成的底物、产物和 各种效应物在两个环境之 间的不同分配，被称为分 配效应。
2、空间障碍效应
固定化之后，由于酶的空间自由度受到限制(因为载体 的空隙太小，或者固定化方式与位置不当，给酶的活性部 位造成了空间屏障)，使酶分子的活性基团不易于底物或效 应物接触，影响酶分子的分子活性中心对底物的定位作用, 所造成的对固定化酶的活力的影响效应，被称为空间障碍 效应。
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1）酶传感器的原理
酶传感器主要由固定 化酶膜和变换器组成： 固定化酶膜：选择性 地“识别”并催化被 检测物质发生化学反 应 变换器：把催化反应 中底物或产物的变量 转换成电信号，通过 仪表显示出来。
65
（2）酶电极（葡萄糖氧化酶电极） 半透膜 酶胶层
感应电极
1967年Updike等采用 酶的固定化技术，将葡萄 糖氧化酶固定在疏水膜上， 然后再和氧电极结合，组 装成了世界上第一个生物 传感器——葡萄糖氧化酶 电极。
优点：操作简单、条件温和、 载体廉价易得、可反复使用。
缺点：结合力不劳、容易脱落。 9
2.包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中， 使酶固定化的方法称为包埋法。
载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、 聚丙烯酰胺……
（1）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、 细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的固 定化方法。
1.必须注意维持酶的催化活性和专一性 2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度 4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定，不可与底物、产物发生反应 6.固定化酶要廉价
34
三 固定化酶的性质
35
36
37
1、分配效应
由于载体和底物的性 质差异引起了微环境和宏 观环境之间的性质不同。 微环境是在固定化酶附近 的局部环境，而将主体溶 液称为宏观环境。由这种 不同造成的底物、产物和 各种效应物在两个环境之 间的不同分配，被称为分 配效应。
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固定化生物催化剂
固定化酶 固定化死细胞（微生物菌体） 固定化活细胞（增殖细胞） 固定化植物细胞 固定化动物细胞 固定化原生质体
固定化酶是一个广义的概念！
Enzyme Engineering
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
固定化酶的优点
提高酶稳定性，可反复或连续使用，提高使用效率，降低成本 易于和反应产物分开，产物溶液无酶残留，简化提纯工艺 酶反应过程可严格控制 较游离酶更适合多酶反应 增加产物收率，提高产物质量
固定化方法
Enzyme Engineering
酶和细胞的固定化
酶的固定化
固定化方法（重点）
包埋法 物理吸附法 离子结合法 共价结合法 交联法 其他方法 固定化方法的比较 ▲
Enzyme Engineering
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
酶的固定化
固定化方法 —— 包埋法
《载体固定化酶 —— 原理、应用 和设计》
杨晟，袁中一译，化学工业出版社， 2008
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
本章内容
酶的固定化
酶的固定化方法（重点） 固定化酶的性质（重点） 固定化酶的反应动力学简述（补充内容） 固定化酶的应用
细胞的固定化
细胞固定化方法（重点） 微生物细胞固定化 植物细胞固定化 动物细胞固定化
原生质体的固定化
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
酶的固定化
几个概念
固定化酶（immobilized enzyme）
水不溶酶（water insoluble enzyme） 固相酶（solid phase enzyme）
酶的固定化（enzyme immobilization）
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中的固定化方法 多孔载体
琼脂、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚酰胺、火棉胶等
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
酶的固定化
固定化方法 —— 包埋法
凝胶包埋法
天然凝胶 天然多糖及其衍生物 特点：条件温和，操作简便，对酶活影响小，强度较差
固定在一定 载体 上，并在一定的 空间范围 内进行催化反
应的酶 固定化酶可像一般化学反应中的固相催化剂一样，既有酶催化
特性，又有一般化学催化剂能回收、反复使用等优点，可使生 产工艺连续化、自动化 固定化酶克服游离酶的不足之处，增加酶的稳定性，使昂贵的 酶能重复使用
酶和细胞的固定化
固定化酶概述
产物分离纯化的问题
酶反应后成为杂质与产物混在一起，增加分离纯化的困难，尤其 是大分子产物
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
游离酶的改进思路
设计一种方法，将酶束缚于特殊的相（固定化），使它与整体 分开，但仍能进行底物和效应物的分子交换
固定化酶（Immobilized enzyme）的概念
制备“固定化酶”的过程，即将酶或菌体与不溶性载体结合的过 程
固定化采用的酶的类型
粗酶，或是提纯后的酶 结合在菌体或细胞碎片上的酶 / 酶系（固定化菌体）
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
酶的固定化
固定化酶制备原则
应有利于生产
自动化、连续化
维持酶的催化
活性及专一性
固定化酶
1971 年，第一次国际酶工程会议确定“固定化酶”的统一英 文名称为 Immobilized Enzyme
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
固定化酶的发展简史
1973 年，日本首次在工业上成功应用固定化 E. coli 菌体中的 天冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产 L-天冬氨酸
固定化酶的缺点
固定化时酶活有损失 增加了生产初始成本 只能用于可溶性底物且较小分子，催化过程受传质因素的限制 一般适用于胞外产物，而胞内产物分离较困难
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
固定化酶和 Griffin（美）发现吸附在骨碳上的蔗糖 酶仍显示催化活力 —— 最早的固定化酶（吸附法）
Enzyme Engineering
酶工程酶的固定化优秀课件
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
问题的提出：游离酶的不足之处
酶的稳定性问题
在温度、pH 和无机离子等外界因素的影响下，酶的稳定性不佳， 半衰期较短，容易变性失活
酶的重复使用的问题
在均相体系中的酶催化反应，反应结束后，即使仍有较高酶活力， 也难以回收利用，成本较高，不便连续化生产
——固定化原生质体技术诞生
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
固定化酶的专著
Carrier-bound Immobilized Enzymes: Principles, Applications and Design
Written by Lin-Qiu Cao
——首次报道固定化细胞的应用
1976 年，法国用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精 1978 年，日本用固定化 B. subtilis 细胞生产淀粉酶
——固定化细胞产酶的先例
1979 年，固定化毛地黄细胞和长春花细胞成功
——固定化植物细胞技术的突破
1982 年，日本首次研究用固定化原生质体生产谷氨酸
1953 年，Grubhofer 和 Schleith（德）用重氮化聚氨基苯乙 烯树脂固定化水解酶（共价结合法）
1969 年，千畑一郎（日）采用固定化氨基酰化酶，从 DL-氨 基酸消旋混合物中连续拆分生产 L-氨基酸
——固定化酶的首次工业规模应用，并促使酶工程作为一个独立 的学科从发酵工程中脱离出来
应有最小的 空间位阻
制备的原则
成本尽可能低
稳定性好
酶与载体必须 结合牢固
载体具有惰性
酶和细胞的固定化
酶的固定化
固定化方法
非共价结合法
酶的 固定化
化学结合法 包埋法
Enzyme Engineering
结晶法 分散法 物理吸附法 离子结合法 交联法 共价结合法 微囊法 网格法
酶和细胞的固定化
酶的固定化
固定化酶 固定化死细胞（微生物菌体） 固定化活细胞（增殖细胞） 固定化植物细胞 固定化动物细胞 固定化原生质体
固定化酶是一个广义的概念！
Enzyme Engineering
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
固定化酶概述
固定化酶的优点
提高酶稳定性，可反复或连续使用，提高使用效率，降低成本 易于和反应产物分开，产物溶液无酶残留，简化提纯工艺 酶反应过程可严格控制 较游离酶更适合多酶反应 增加产物收率，提高产物质量
固定化方法
Enzyme Engineering
酶和细胞的固定化
酶的固定化
固定化方法（重点）
包埋法 物理吸附法 离子结合法 共价结合法 交联法 其他方法 固定化方法的比较 ▲
Enzyme Engineering
酶和细胞的固定化
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酶的固定化
固定化方法 —— 包埋法
《载体固定化酶 —— 原理、应用 和设计》
杨晟，袁中一译，化学工业出版社， 2008
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
本章内容
酶的固定化
酶的固定化方法（重点） 固定化酶的性质（重点） 固定化酶的反应动力学简述（补充内容） 固定化酶的应用
细胞的固定化
细胞固定化方法（重点） 微生物细胞固定化 植物细胞固定化 动物细胞固定化
原生质体的固定化
酶和细胞的固定化
Enzyme Engineering
酶的固定化
几个概念
固定化酶（immobilized enzyme）
水不溶酶（water insoluble enzyme） 固相酶（solid phase enzyme）
酶的固定化（enzyme immobilization）
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中的固定化方法 多孔载体
琼脂、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚酰胺、火棉胶等
酶和细胞的固定化
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酶的固定化
固定化方法 —— 包埋法
凝胶包埋法
天然凝胶 天然多糖及其衍生物 特点：条件温和，操作简便，对酶活影响小，强度较差
固定在一定 载体 上，并在一定的 空间范围 内进行催化反
应的酶 固定化酶可像一般化学反应中的固相催化剂一样，既有酶催化
特性，又有一般化学催化剂能回收、反复使用等优点，可使生 产工艺连续化、自动化 固定化酶克服游离酶的不足之处，增加酶的稳定性，使昂贵的 酶能重复使用
酶和细胞的固定化
固定化酶概述
产物分离纯化的问题
酶反应后成为杂质与产物混在一起，增加分离纯化的困难，尤其 是大分子产物
酶和细胞的固定化
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固定化酶概述
游离酶的改进思路
设计一种方法，将酶束缚于特殊的相（固定化），使它与整体 分开，但仍能进行底物和效应物的分子交换
固定化酶（Immobilized enzyme）的概念
制备“固定化酶”的过程，即将酶或菌体与不溶性载体结合的过 程
固定化采用的酶的类型
粗酶，或是提纯后的酶 结合在菌体或细胞碎片上的酶 / 酶系（固定化菌体）
酶和细胞的固定化
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酶的固定化
固定化酶制备原则
应有利于生产
自动化、连续化
维持酶的催化
活性及专一性
固定化酶
1971 年，第一次国际酶工程会议确定“固定化酶”的统一英 文名称为 Immobilized Enzyme
酶和细胞的固定化
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固定化酶概述
固定化酶的发展简史
1973 年，日本首次在工业上成功应用固定化 E. coli 菌体中的 天冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产 L-天冬氨酸
固定化酶的缺点
固定化时酶活有损失 增加了生产初始成本 只能用于可溶性底物且较小分子，催化过程受传质因素的限制 一般适用于胞外产物，而胞内产物分离较困难
酶和细胞的固定化
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固定化酶概述
固定化酶和 Griffin（美）发现吸附在骨碳上的蔗糖 酶仍显示催化活力 —— 最早的固定化酶（吸附法）
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酶工程酶的固定化优秀课件
酶和细胞的固定化
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固定化酶概述
问题的提出：游离酶的不足之处
酶的稳定性问题
在温度、pH 和无机离子等外界因素的影响下，酶的稳定性不佳， 半衰期较短，容易变性失活
酶的重复使用的问题
在均相体系中的酶催化反应，反应结束后，即使仍有较高酶活力， 也难以回收利用，成本较高，不便连续化生产
——固定化原生质体技术诞生
酶和细胞的固定化
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固定化酶概述
固定化酶的专著
Carrier-bound Immobilized Enzymes: Principles, Applications and Design
Written by Lin-Qiu Cao
——首次报道固定化细胞的应用
1976 年，法国用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精 1978 年，日本用固定化 B. subtilis 细胞生产淀粉酶
——固定化细胞产酶的先例
1979 年，固定化毛地黄细胞和长春花细胞成功
——固定化植物细胞技术的突破
1982 年，日本首次研究用固定化原生质体生产谷氨酸
1953 年，Grubhofer 和 Schleith（德）用重氮化聚氨基苯乙 烯树脂固定化水解酶（共价结合法）
1969 年，千畑一郎（日）采用固定化氨基酰化酶，从 DL-氨 基酸消旋混合物中连续拆分生产 L-氨基酸
——固定化酶的首次工业规模应用，并促使酶工程作为一个独立 的学科从发酵工程中脱离出来
应有最小的 空间位阻
制备的原则
成本尽可能低
稳定性好
酶与载体必须 结合牢固
载体具有惰性
酶和细胞的固定化
酶的固定化
固定化方法
非共价结合法
酶的 固定化
化学结合法 包埋法
Enzyme Engineering
结晶法 分散法 物理吸附法 离子结合法 交联法 共价结合法 微囊法 网格法
酶和细胞的固定化
酶的固定化