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第 一 节 概 述 1.1 生 物 化 工 的 简 单 介 绍 ： 生 物 化 工 是 生 物 学 技 术 和 化 学 工 程技 术 相 互 融 合 的 新 型 学 科 ， 它 以 生 物来 源 的 物 质 为 原 料 ， 通 过 生 物 活 性 物质 为 催 化 剂 使 其 转 化 ， 或 用 其 他 生 物技 术 进 行 制 备 、 纯 化 ， 从 而 得 到 我 们预 期 的 产 品 。 生 物 化 工 作 为 生 物 技 术 下 游 过程 的 支 撑 学 科 ， 对 生 物 技 术 的 发 展和 产 业 的 建 立 起 着 十 分 重 要 的 作 用 ，它 是 基 因 工 程 、 细 胞 工 程 、 发 酵 工程 和 酶 工 程 走 向 产 业 化 的 必 由 之 路 。同 时 也 是 生 物 技 术 的 一 个 重 要 组 成部 分 。 1.2 国 内 外 生 物 化 工 现 状 ： 目 前 全 球 已 拥 有 年 销 售 额 大 于 10亿 美 元 的 生 物 技 术 产品 数 10个 。 到 本 世 纪 末 ， 全 球 生 物 化 工 工 业 产 品 销 售 额 可达 1000亿 美 元 。 仅 美 国 从 事 生 物 技 术 制 品 生 产 的 公 司 约1300多 家 ， 其 中 较 大 的 生 物 制 药 公 司 有 225家 ， 年 工 业 投资 达 350亿 美 元 。 生 物 化 工 是 生 物 技 术 产 业 化 的 关 键 ， 目 前 生 物 技 术 主要 在 医 药 、 农 业 及 保 健 食 品 领 域 ， 但 是 生 物 化 工 在 化 学 品的 制 备 中 发 展 是 最 快 的 ， 每 年 以 18 的 速 度 发 展 ， 许 多 过去 以 化 学 法 生 产 的 化 学 品 如 丙 烯 酰 胺 等 都 开 始 采 用 生 物 法生 产 ， 可 见 生 物 化 工 在 化 学 工 业 中 的 重 要 作 用 。 1.3 与 传 统 化 学 工 业 相 比 ， 生 物 化 工 的 优 点 ：（ 1） 原 料 可 再 生（ 2） 反 应 条 件 温 和（ 3） 反 应 专 一 性 强 ， 副 反 应 少（ 4） 生 产 工 艺 简 单 ， 可 实 现 连 续 化 操 作 ， 可 节 省 能 源 ，减 少 环 境 污 染（ 5） 可 解 决 传 统 生 产 方 法 和 技 术 中 难 以 解 决 的 问 题 。（ 6） 可 按 照 需 要 利 用 生 物 技 术 手 段 创 造 新 物 种 、 新 产品 以 及 其 他 有 经 济 价 值 的 生 命 类 型 。 第 二 节 生 物 催 化 生 物 催 化 是 用 生 物 催 化 剂 来对 底 物 进 行 催 化 反 应 ， 生 物 催 化剂 通 常 是 完 整 细 胞 或 酶 。 工 业 生物 催 化 技 术 是 生 物 技 术 应 用 中 一个 关 键 领 域 ， 是 生 物 技 术 革 命 的第 三 个 浪 潮 。 工 业 生 物 催 化 技 术是 生 物 学 、 化 学 和 现 代 过 程 工 程的 综 合 技 术 。 2.1 生 物 催 化 的 优 缺 点（ 1） 优 点 ： 工 业 催 化 在 常 温 、 常 压 下 进 行 反 应 ， 具 有 投资 少 、 耗 能 低 以 及 温 室 气 体 排 放 量 低 的 优 点 ， 而且 生 物 催 化 剂 是 微 生 物 和 蛋 白 质 ， 可 生 物 降 解 ，环 境 友 好 ， 具 有 极 高 的 催 化 效 率 ， 并 具 有 高 度 专一 性 ， 包 括 化 学 专 一 性 和 立 体 专 一 性 等 ， 能 够 有效 催 化 手 性 反 应 等 一 般 化 学 催 化 剂 难 以 完 成 的 反应 。 （ 2） 缺 点 ： 生 物 催 化 剂 在 反 应 介 质 中 往 往 不 稳 定 ； 目 前 可 用 于 工 业 化 应 用 的 生 物 催 化 剂 还 太 少 ； 生 物 催 化 剂 开 发 的 周 期 较 长 。 2.2 生 物 催 化 剂 的 来 源 2.3 生 物 催 化 的 主 要 应 用 方 向 第 三 节 酶 工 程3.1 酶 概 念 ： 酶 是 由 生 物 体 内 活 细 胞 产 生 的 一 种 具 有 高 效 性 与专 一 性 的 生 物 催 化 剂 ， 绝 大 多 数 为 蛋 白 质 ， 少 数 为 RNA。3.1.1 酶 作 为 生 物 催 化 剂 的 特 点 ： 1.高 效 率 ： 比 非 酶 反 应 要 高 105-1017， 比 非 酶 催 化 剂 催化 时 要 高 107-1013， 例 如 过 氧 化 氢 的 分 解 ， 无 催 化 剂 时不 反 应 ， 用 Fe催 化 ， 其 反 应 速 度 不 大 ， 如 果 用 过 氧 化 氢 酶催 化 此 反 应 ， 其 速 度 会 增 加 很 多无 催 化 剂 Fe 过 氧 化 氢 酶 速 度 不 反 应 5mol/min 5 106mol/min 2.高 度 专 一 性 ： 结 构 专 一 性 绝 对 专 一 性相 对 专 一 性立 体 专 一 性 基 团 专 一 性键 专 一 性旋 光 异 构 专 一 性顺 反 异 构 专 一 性绝 对 专 一 性 ： 一 种 酶 只 催 化 特 定 的 底 物 发 生 反 应 ， 如 ： 脲酶 只 催 化 尿 素 分 解 ：H 2NCONH 2 + H 2O = 2NH 3 + CO2相 对 专 一 性 ： 键 专 一 性 酶 对 反 应 键 两 端 的 基 团 都 没 有 特殊 要 求 ， 如 酯 酶 只 要 是 酯 键 就 可 水 解 。 R C O C R O 基 团 专 一 性 :即 酶 对 反 应 键 一 端 的 基 团 有 绝 对 要 求 ， 而 对 另一 端 的 基 团 则 无 特 殊 要 求 ， 如 葡 萄 糖 苷 酶 ， 可 以 催 化 水解 糖 苷 键 ， 并 且 要 求 键 的 一 端 为 葡 萄 糖 ， 而 另 一 端 可 以是 任 意 糖 。葡 萄 糖 其 它 单 糖麦 芽 糖 、 果糖 、 葡 萄 糖 葡 萄 糖 其 它 单 糖立 体 专 一 性 ： 旋 光 异 构 专 一 性 L-氨 基 酸 氧 化 酶 只 催 化 L-氨基 酸 氧 化 , 而 对 D-氨 基 酸 无 作 用 顺 反 异 构 专 一 性 : 如 琥 珀 酸 脱 氢 酶 只 催 化 产 生 反 式 结 构 的丁 烯 二 酸 即 延 胡 索 酸 。琥 珀 酸 延 胡 索 酸 + 2H + 2e+ -CH2 COOHCH2 COOH CCH COOHHHOOC3.对 环 境 条 件 敏 感 ： 酶 的 最 佳 作 用 条 件 是 常 温 、 常 压 、 中 性 ，如 果 条 件 发 生 改 变 ， 酶 的 催 化 活 性 则 会 降 低 。4.活 性 可 调 ： 酶 的 活 性 可 在 调 节 因 子 的 作 用 下 发 生 变 化 。 3.1.2 酶 的 组 成 ： 根 据 组 成 ： 酶 分 为 简 单 酶 和 结 合 酶 简 单 酶 ： 只 由 蛋 白 组 成 的 酶 ， 就 是 简 单 酶 。 辅 助 因 子 无 机 离 子有 机 分 子 ： 辅 酶 、 辅 基 辅 基 和 辅 酶 实 际 上 没 有 本 质 的 区 别 ， 只 是 辅 基 与 酶 结 合 的 作 用 力 强 ，而 辅 酶 与 酶 的 结 合 力 弱 ， 实 际 上 ， 辅 酶 只 有 在 参 与 催 化 时 才 与 酶 结 合 。全 酶 酶 蛋 白（ 决 定 专 一 性 和 高 效 率 ） 辅 助 因 子（ 决 定 反 应 性 质 ）结 合 酶 ： 酶 的 组 分 中 除 了 蛋 白 质 外 ， 还 有 其 他 非 蛋 白 成 分 。 根 据 分 子 结 构 ： 可 分 为 单 体 酶 、 寡 聚 酶 和 多 酶 复 合 物单 体 酶 ： 只 具 有 一 条 多 肽 链 的 酶 ； 特 点 ： 分 子 量 较 小 。寡 聚 酶 ： 两 个 或 两 个 以 上 的 亚 基 组 成 的 酶 ； 特 点 ： 亚 基 间 以 非 共 价 键 结 合 ， 容 易 在 变 性 剂 的 作 用 下 失 活 。多 酶 复 合 物 ： 由 几 种 酶 彼 此 嵌 合 形 成 的 复 合 体 ； 特 点 ： 有 利 于 细 胞 中 系 列 反 应 的 连 续 进 行 ， 催 化 效 率 高 ， 便于 调 控 。 3.1.3 酶 分 为 六 类2.转 移 酶 类 催 化 底 物 中 基 团 （ 如 ： 甲 基 、 氨 基 、 酰 基等 ） 转 移 的 酶 类 。 如 谷 丙 转 氨 酶 ：1.氧 化 还 原 酶 类 AH 2 + B A + BH 2 如 ： 乙 醛 氧 化 为 乙 酸 C OC H 2C H 2C O O HC O O HCH C H 2C H 2C O O HC O O HN H 2 C OC O O HC H 3 CH C O O HC H 3N H 2+ +谷 氨 酸 丙 酮 酸 酮 戊 二 酸 丙 氨 酸 CH 3CH O+ H 2O CH 3COOH + 2H + + 2e- 3.水 解 酶 类 催 化 底 物 发 生 水 解 反 应 ， 如 蛋 白 质 的 水 解4.裂 解 酶 类 催 化 一 个 底 物 分 解 为 两 个 化 合 物 或 两 个 化 合 物合 成 为 一 个 化 合 物 ， 如 醛 缩 酶 催 化 的 反 应 F1， 62P 甘 油 醛 3P 磷 酸 二 羟 丙 酮C OC HC OHC OHCH2OOH H CH2OH CHCCH2OOHOH C OCH2OHCH2O+ PPP P 蛋 白 质 + H 2O 氨 基 酸 6.合 成 酶 类 催 化 各 种 合 成 反 应 ， 该 过 程 是 需 能 过 程 。 如 脂酰 CoA合 成 酶 催 化 的 反 应 ： 5.异 构 酶 类 催 化 各 种 同 分 异 构 反 应 。 如 磷 酸 丙 糖 异 构 酶 催化 的 如 下 反 应 CHCHOCH2OPO3H3OH C OCH2OHCH2OPO3H3甘 油 醛 3P 磷 酸 二 羟 丙 酮 R COOH+ SH CoA R CO S CoA + OH2ATP AMP+ PPi 3.2 酶 工 程概 念 : 酶 工 程 就 是 将 酶 或 微 生 物 细 胞 ， 动 植 物 细胞 ， 细 胞 器 等 在 一 定 的 生 物 反 应 装 置 中 ， 利 用 酶所 具 有 的 生 物 催 化 功 能 ， 借 助 工 程 手 段 将 相 应 的原 料 转 换 成 有 用 物 质 并 应 用 于 社 会 生 活 的 一 门 科学 技 术 。 包 括 酶 制 剂 的 制 备 ， 酶 的 固 定 化 ， 酶 的修 饰 与 改 造 及 酶 反 应 器 等 方 面 内 容 。 3.2.1 酶 的 固 定 化游 离 酶 的 一 些 不 足 之 处 ：n （ 1） 酶 的 稳 定 性 较 差n （ 2） 酶 的 一 次 性 使 用n （ 3） 产 物 的 分 离 纯 化 较 困 难1、 为 什 么 开 展 酶 的 固 定 化 技 术 ？ 2、 什 么 是 固 定 化 酶 ？水 溶 性 酶 水 不 溶 性 载 体固 定 化 技 术水 不 溶 性 酶（ 固 定 化 酶 ）固 定 化 酶 是 被 固 定 在 某 一 有 限 空 间 内 不 再 能 自 由流 动 而 仍 有 催 化 活 性 的 酶 。 n 固 定 化 酶 是 20世 纪 50年 代 发 展 起 来 的 一 项技 术n 1969年 固 定 化 氨 基 酸 酸 化 酶 在 工 业 生 产 中被 正 式 应 用n 1971年 的 第 一 届 国 际 酶 工 程 会 议 上 ， 正 式 采 用 固 定 化 酶 3、 固 定 化 酶 的 优 点 和 缺 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 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 。 缺 点 ：n 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 ；n 而 底 物 则 要 求 是 水 溶 性 的 ， 这 样 才 能 够 接 触 酶 而 发 生反 应 ；n 也 不 适 宜 于 需 要 辅 助 因 子 的 反 应 。n 胞 内 酶 必 须 经 过 酶 的 分 离 过 程 4.酶 的 固 定 化 方 法交 联 法 胶 体 包 埋 法半 透 膜 包 埋 法离 子 键 结 合 法共 价 键 结 合 法热 处 理 法结 合 法包 埋 法吸 附 法 固 定 化 酶 的 模 式 图 1、 吸 附 法吸 附 法 是 利 用 各 种 固 体 吸 附 剂 将 酶 或 含 酶 菌 体 吸 附 在 其表 面 上 而 使 酶 固 定 化 的 方 法 。常 用 载 体 ： 活 性 炭 、 氧 化 铝 、 硅 藻 土 、 多 孔 陶 瓷 、 多 孔 玻 璃 、硅 胶 、 羟 基 磷 灰 石 。 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 。 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 。 （ 2） 半 透 膜 包 埋 法将 酶 包 埋 在 由 各 种 高 分 子 聚 合 物 制 成 的 小 球 内 ， 制 成 固定 化 酶 . 制 备 方 法 ： 酶 ， 水 ，乙 二 胺癸 二 酰 氯 +氯 仿优 点 ： 结 合 力 劳 、 活 力 回 收 高 、 底 物 专 一 性 不 变 。 缺 点 ： 制 备 较 难 ， 载 体 无 法 回 收 、 扩 散 限 制 。 包 埋 法 3、 结 合 法选 择 适 宜 载 体 ， 使 之 通 过 共 价 键 或 离 子 键 与 酶 结 合 在 一起 的 固 定 化 方 法 称 为 结 合 法 。（ 1） 离 子 结 合 法 ： 通 过 离 子 键 使 酶 与 载 体 结 合 的 固 定 化 方法 。 载 体 ： DEAE纤 维 素 、 TEAE纤 维 素 、 DEAE葡 聚糖 凝 胶 + + +- - - - - - - - - -+ + + （ 2） 共 价 结 合 法 ： 通 过 共 价 键 将 酶 与 载 体 结 合 的 固 定 化 方法 。 载 体 ： 纤 维 素琼 脂 糖 凝 胶葡 聚 糖 凝 胶甲 壳 质氨 基 酸 共 聚 物酶 分 子 中 可 以 形 成 共 价 键 的 基 团 ：氨 基 、 羧 基 、 巯 基 、 羟 基 、 酚 基 、 咪 唑 基 载 体活 泼 基 团 4、 交 联 法（ 1） 交 联 法 常 用 试 剂 （ 2） 交 联 形 式酶 直 接 交 联 法 ： 方 法 优 点 缺 点吸 附 法 制 作 条 件 温 和 、 简 便 、 成 本 低 、载 体 再 生 、 可 反 复 使 用 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 小共 价 法 酶 分 子 的 官 能 团 和 载 体 表 面 的基 团 发 生 反 应 ； 酶 的 结 合 力 强 ，非 常 稳 定 偶 联 条 件 激 烈 ， 易 引 起 酶 失 活 ；成 本 高交 联 法 可 用 的 交 联 试 剂 多 ， 技 术 简 易 ，酶 的 结 合 力 强 ， 稳 定 性 高 交 联 条 件 激 烈 ， 机 械 性 能 差包 埋 法 包 埋 材 料 、 包 埋 方 法 可 选 余 地大 ， 固 定 化 酶 的 使 用 面 广 ， 包埋 条 件 温 和 仅 可 用 于 低 分 子 量 的 底 物 ， 不 适用 于 柱 系 统 ， 常 有 扩 散 限 制 问 题各 种 酶 固 定 化 方 法 的 比 较 3.2.2 酶 分 子 修 饰 及 修 饰 目 的 1、 酶 分 子 修 饰 指 通 过 对 酶 蛋 白 主 链 的 剪 接 、 切 割 和 侧 链 的 化 学 修 饰对 酶 分 子 进 行 改 造 。限 制 酶 大 规 模 应 用 的 原 因 ：1)细 胞 外 稳 定 性 差 ；2)酶 活 性 不 够 高 ；3)具 有 抗 原 性 。 改 变 酶 特 性 有 两 种 主 要 的 方 法 ： 1)通 过 分 子 修 饰 的 方 法 来 改 变 已 分 离 出 来 的 天 然 酶的 活 性 。 2)通 过 基 因 工 程 方 法 改 变 编 码 酶 分 子 的 基 因 而 达 到改 造 酶 的 目 的 。 2、 酶 化 学 修 饰 的 目 的（ 1） 研 究 酶 的 结 构 与 功 能 的 关 系 。 （ 50年 代 末 ）（ 2） 人 为 改 变 天 然 酶 的 某 些 性 质 ， 扩 大 酶 的 应 用 范 围 。 （ 70年 代 末 之 后 ）1） 提 高 酶 的 生 物 活 性 （ 酶 活 力 ） 。2） 增 强 酶 的 稳 定 性 （ 热 稳 定 性 、 体 内 半 衰 期 ） 。3） 消 除 抗 原 性 （ 针 对 特 异 性 反 应 降 低 生 物 识 别 能 力 ） 。4） 产 生 新 的 催 化 能 力 。5） 允 许 酶 在 一 个 变 化 的 环 境 中 起 作 用6） 提 高 催 化 过 程 的 反 应 效 率 7） 改 变 最 适 的 pH值 和 温 度 3.酶 化 学 修 饰 的 原 理1)如 何 增 强 酶 天 然 构 象 的 稳 定 性 与 耐 热 性 修 饰 剂 分 子 存 在 多 个 反 应 基 团 ， 可 与 酶 形 成 多 点交 联 。 使 酶 的 天 然 构 象 产 生 “ 刚 性 ” 结 构 。2)如 何 保 护 酶 活 性 部 位 与 抗 抑 制 剂 大 分 子 修 饰 剂 与 酶 结 合 后 ， 产 生 的 空 间 障 碍 或 静电 斥 力 阻 挡 抑 制 剂 ， “ 遮 盖 ” 了 酶 的 活 性 部 位 。 3)如 何 维 持 酶 功 能 结 构 的 完 整 性 与 抗 蛋 白 水 解 酶 酶 化 学 修 饰 后 通 过 两 种 途 径 抗 蛋 白 水 解 酶 ： 1） 大 分 子 修 饰 剂 产 生 空 间 障 碍 阻 挡 蛋 白 水 解 酶 接 近 酶分 子 。 “ 遮 盖 ” 酶 分 子 上 敏 感 键 免 遭 破 坏 。 2） 酶 分 子 上 许 多 敏 感 基 团 交 联 上 修 饰 剂 后 ， 减 少 了 受 蛋白 水 解 酶 破 坏 的 可 能 性 。 4)如 何 消 除 酶 的 抗 原 性 及 稳 定 酶 的 微 环 境1） 酶 蛋 白 氨 基 酸 组 成 的 抗 原 决 定 簇 ， 与 修 饰 剂 形 成 了 共 价 键 。 破 坏 了 抗 原 决 定 簇 抗 原 性 降 低 乃 至 消 除 “ 遮 盖 ” 了 抗 原 决 定 簇 阻 碍 抗 原 、 抗 体 结 合2） 大 分 子 修 饰 剂 本 身 是 多 聚 电 荷 体 ， 能 在 酶 分 子 表 面 形 成“ 缓 冲 外 壳 ” ， 抵 御 外 界 环 境 的 极 性 变 化 ， 维 持 酶 活 性 部 位微 环 境 相 对 稳 定 。 3.3 酶 工 程 的 应 用 领 域 把 生 物 工 程 技 术 应 用 到 药 物 制 造 的 过程 称 之 为 生 物 制 药 。 生 物 药 品 是 以 微 生 物 、寄 生 虫 、 动 物 毒 素 、 生 物 组 织 为 原 材 料 ， 采用 生 物 学 工 艺 和 分 离 、 纯 化 技 术 ， 并 以 生 物学 的 分 析 技 术 控 制 中 间 产 物 和 成 品 质 量 制 成的 生 物 活 化 制 剂 ， 包 括 菌 苗 、 疫 苗 、 毒 素 、类 毒 素 、 血 清 、 血 液 制 品 、 免 疫 制 剂 、 细 胞因 子 、 抗 原 、 单 克 隆 抗 体 及 基 因 工 程 产 品 等 。 3.3.1酶 在 医 学 方 面 的 应 用 1、 酶 在 疾 病 诊 断 方 面 的 应 用酶 学 诊 断 ：（ ） 根 据 体 内 原 有 酶 活 力 的 变 化 诊 断 某 些 疾 病（ ） 利 用 酶 测 定 体 内 某 些 物 质 的 含 量 （ 1） 根 据 体 内 原 有 酶 活 力 的 变 化 诊 断 某 些 疾 病酶 疾 病 与 酶 活 力 变 化淀 粉 酶 胰 脏 疾 病 、 肾 脏 疾 病 ， 肝 病 胆 碱 酯 酶 肝 病 酸 性 磷 酸 酶 前 列 腺 癌 、 肝 炎 、 红 血 球 病 变 碱 性 磷 酸 酶 佝 偻 病 、 软 骨 化 病 、 骨 瘤 、 甲 亢 谷 丙 转 氨 酶 肝 病 、 心 肌 梗 塞 谷 草 转 氨 酶 肝 病 、 心 肌 梗 塞 胃 蛋 白 酶 胃 癌 、 十 二 指 肠 溃 疡 磷 酸 葡 糖 变 构 酶 肝 炎 、 癌 症 醛 缩 酶 癌 症 、 心 肌 梗 塞 （ 2） 用 酶 测 定 体 液 中 某 些 物 质 的 量 诊 断 疾 病葡 萄 糖 氧 化 酶 过 氧 化 氢 酶测 血 糖 和 尿 糖尿 酸 酶 血 液 尿 酸胆 碱 酯 酶 或 胆 固 醇 氧 化 酶血 液 胆 固 醇 含 量糖 尿 病痛 风 病 心 血 管 疾 病 和 高 血 压 2、 酶 在 疾 病 治 疗 方 面 的 应 用蛋 白 酶 ： 消 化 剂 、 消 炎 剂 、 治 疗 高 血 压溶 菌 酶 ： 抗 菌 、 消 炎 、 镇 痛SOD： 红 斑 狼 疮 、 皮 肌 炎 、 结 肠 炎 、 氧 中 毒L-天 冬 酰 胺 酶 ： 癌 症 3、 酶 在 生 物 制 药 方 面 的 应 用1.青 霉 素 酰 化 酶2. -酪 氨 酸 酶3.核 苷 磷 酸 化 酶4.无 色 杆 菌 蛋 白 酶 3.3.2 酶 在 食 品 方 面 的 应 用1.酶 法 生 产 葡 萄 糖30-40%淀 粉 浆糊 精 -淀 粉 酶pH6.06.58590CaCl2, NaCl 葡 萄 糖糖 化 酶pH4.55.0556045min 48h pH至 2.02.5,室 温 ,除 去葡 萄 糖 苷 转 移 酶 DE=1520 2.酶 法 生 产 果 葡 糖 浆40 45%葡 萄 糖果 葡 糖 浆葡 萄 糖 异 构 化 酶pH6.57.0 6070MgSO445min 预 先 经 层 析 脱 钙 处 理 DE96 果 糖 53.556.5%葡 萄 糖 43.547.5% 脱 色 、 精 制 、 浓 缩 果 糖 42%葡 萄 糖 52% 低 聚 糖 6% 高 果 糖 浆含 果 糖 7090% 3.饴 糖 的 生 产大 米 或 糯 米 粉 浆 -淀 粉 酶pH6.57.0 8590MgSO4碘 测 试无 颜 色 饴 糖 -淀 粉 酶pH6.57.0 62糊 精 麦 芽 糖 含 量 6070%， Glc(1 4)GlcDE=1520 4.酶 在 蛋 白 质 制 品 加 工 方 面 的 应 用乳 制 品 凝 乳 酶 ： 奶 酪乳 糖 酶 ： 低 乳 糖 奶过 氧 化 氢 酶 ： 奶 或 奶 酪 中 的 H2O2蛋 白 酶 ： 酪 蛋 白 水 解 物蛋 制 品 葡 萄 糖 氧 化 酶 ： 全 蛋 粉 ,蛋 黄 粉 或 蛋 黄片 中 的 葡 萄 糖 鱼 制 品肉 制 品 可 溶 性 鱼 蛋 白 粉 、 鱼 露 ； 三 甲 基 胺 氧 化 酶 脱 腥肉 类 水 解 蛋 白 、 嫩 肉 粉 、 明 胶 、 保 鲜 剂 5.酶 在 果 蔬 加 工 方 面 的 应 用果 胶 酶葡 萄 糖 氧 化 酶果 汁 和 果 酒 澄 清柚 苷 酶 脱 苦 味橙 皮 苷 酶溶 菌 酶 去 除 果 汁 、 饮 料 、 罐 头 食 品 和 干 燥 果蔬 制 品 中 的 氧 气保 鲜脱 苦 味 6.酶 在 改 善 食 品 的 品 质 和 风 味 中 的 应 用洋 葱 风 味 酶 、 奶 油 风 味 酶 -淀 粉 酶 、 蛋 白 酶 3.3.3 酶 在 轻 工 业 方 面 的 应 用1.酶 在 原 料 处 理 方 面 的 应 用发 酵 原 料 的 处 理纺 织 原 料 的 处 理造 纸 原 料 的 纸 浆生 丝 脱 胶 处 理羊 毛 的 除 垢 2.酶 在 轻 工 产 品 制 造 方 面 的 应 用酶 法 生 产 L-氨 基 酸酶 法 生 产 核 苷 酸酶 法 生 产 有 机 酸酶 法 制 酱酶 法 制 革 3.酶 作 为 添 加 剂加 酶 洗 涤 剂 ： 碱 性 蛋 白 酶 、 淀 粉 酶 、 果 胶 酶 、 纤 维 素 酶 加 酶 牙 膏 ： 蛋 白 酶 、 淀 粉 酶 、 脂 肪 酶 、 右 旋 糖 酐 酶 加 酶 饲 料 ： 淀 粉 酶 、 蛋 白 酶 、 纤 维 素 酶 、 半 纤 维 素 酶 加 酶 护 肤 用 品 ： SOD、 碱 性 磷 酸 酶 、 弹 性 蛋 白 酶 重 点 内 容 ：微 生 物 燃 料 电 池 酶 生 物 燃 料 电 池 1.1 生 物 燃 料 电 池 的 发 展 简 史 1910， 英 国 植 物 学 家 potter， 开 创 ； 剑 桥 大 学 cohen教 授 构 建 了 微 生 物 电 池 堆 ； 1970， 生 物 燃 料 电 池 概 念 确 定 ； 1980后 ， 生 物 燃 料 电 池 输 出 功 率 有 较 大 提 高 2002， bond发 现 特 殊 微 生 物 地 杆 菌 ； 2006， 美 国 bruce教 授 、 byung(韩 国 ） 和 比 利时 willy教 授 在 MFC上 做 了 大 量 研 究 。 第 一 节 概 述 1.2 生 物 燃 料 电 池 概 念 和 特 点 1.2.1 概 念 和 原 理 生 物 燃 料 电 池 （ biofuel cell） ： 利 用 酶 或 者 微 生 物 组 织 作 为 催 化剂 ， 将 燃 料 的 化 学 能 转 化 为 电 能 的 发 电 装 置 。 生 物 燃 料 电 池 工 作 原 理 与 传 统 的 燃 料 电 池 存 在 许 多 相 同 之 处 ， 以 葡萄 糖 为 底 料 的 燃 料 电 池 为 例 ， 其 阴 阳 极 反 应 如 下 式 所 示 ： 阳 极 反 应 ： C 6H12O6 6H2O 6CO2 24e 24H 阴 极 反 应 ： 6O2 24e 24H 12H2O 1.2.2 特 点n 原 料 来 源 广 泛 ： 可 以 利 用 一 般 燃 料 电 池 不 能 利 用 的 各 种有 机 物 、 无 机 物 及 微 生 物 呼 吸 的 代 谢 的 产 物 、 发 酵 的 产物 、 光 合 作 用 甚 至 污 水 等 作 为 燃 料 ；n 操 作 条 件 温 和 ： 由 于 使 用 酶 或 微 生 物 作 为 催 化 剂 ， 一 般只 要 求 在 近 中 性 的 常 温 、 常 压 条 件 下 工 作 ；n 生 物 相 容 性 好 ： 由 于 可 利 用 人 体 血 液 中 的 葡 萄 糖 和 氧 气作 燃 料 ， 一 旦 开 发 成 功 ， 便 能 方 便 的 为 植 入 人 体 的 一 些人 造 器 官 提 供 电 能 ；n 生 物 燃 料 电 池 结 构 比 较 简 单 。 1.3 生 物 燃 料 电 池 的 类 型n 按 使 用 催 化 剂 形 式 的 不 同 ， 可 分 为 酶 生 物 燃 料 电池 和 微 生 物 燃 料 电 池n 根 据 电 子 转 移 方 式 的 不 同 ， 可 分 为 直 接 生 物 燃 料电 池 和 间 接 生 物 燃 料 电 池 n 酶 生 物 燃 料 电 池 ： 先 将 酶 从 生 物 体 系 中 提 取 出 来 ， 然 后利 用 其 活 性 在 阳 极 催 化 燃 料 分 子 氧 化 ， 同 时 加 速 阴 极 氧的 还 原 ；n 微 生 物 燃 料 电 池 ： 指 利 用 整 个 微 生 物 细 胞 作 催 化 剂 ， 依靠 合 适 的 电 子 传 递 介 体 在 生 物 组 分 和 电 极 之 间 进 行 有 效的 电 子 传 递 。n 直 接 生 物 燃 料 电 池 ： 燃 料 在 电 极 上 氧 化 ， 电 子 从 燃 料 分子 直 接 转 移 到 电 极 上 ， 生 物 催 化 剂 的 作 用 是 催 化 燃 料 在电 极 表 面 上 的 反 应 ；n 间 接 生 物 燃 料 电 池 ： 燃 料 不 在 电 极 上 反 应 ， 而 在 电 解 液中 或 其 他 地 方 反 应 ， 电 子 则 由 具 有 氧 化 还 原 活 性 的 介 体运 载 到 电 极 上 去 。 n 微 生 物 燃 料 电 池 (Microbial Fuel Cell, 简 称MFC)是 以 微 生 物 为 催 化 剂 ， 将 燃 料 中 的 化 学 能 转化 为 电 能 的 装 置 。n 具 有 发 电 与 废 弃 物 处 置 的 双 重 功 效 。 微 生 物 燃 料电 池 代 表 了 当 今 最 前 沿 的 废 弃 物 资 源 化 利 用 方 向 ，有 望 成 为 未 来 有 机 废 弃 物 能 源 化 处 置 的 支 柱 性 技术 。 第 二 节 微 生 物 燃 料 电 池2.1 概 述 MFC实 物 组 图 电 化 学 工 作 站 数 据 采 集 系 统 恒 温 培 养 箱 无 菌 操 作 台 厌 氧 工 作 站 MFC: 2.1.1 微 生 物 燃 料 电 池 的 特 点 :n 直 接 将 底 物 的 化 学 能 转 化 为 电 能 ， 能 量 利 用 率 高 ；n 原 料 广 泛 ， 理 论 上 任 何 有 机 物 都 可 以 作 为 微 生 物 的底 物 ；n 微 生 物 燃 料 电 池 可 以 在 常 温 常 压 下 的 环 境 中 运 行 ，操 作 条 件 温 和 ；n 微 生 物 燃 料 电 池 主 要 产 生 二 氧 化 碳 ， 环 保 无 污 染 ，生 物 相 容 性 好 ；n 微 生 物 燃 料 电 池 对 于 缺 少 发 电 设 备 的 地 方 存 在 很 大的 市 场 潜 力 ， 并 且 可 以 扩 大 目 前 的 燃 料 形 式 以 满 足 我们 的 能 量 需 求 (1)燃 料 来 源 广 泛 ,尤 其 可 利 用 有 机 废 水 等 废 弃 物 ;(2)反 应 条 件 温 和 ,常 温 常 压 下 即 可 运 行 ; (3) 环 境 友 好 ,所 产 生 的 物 质 主 要 是 CO2和 H 2O,无 酸 、碱 、 重 金 属 等 污 染 物 产 生 ,无 需 对 其 产 物 做 任 何 后 处理 ;(4)因 能 量 转 化 过 程 无 燃 烧 步 骤 ,故 理 论 转 化 效 率 较 高 。与 常 规 燃 料 电 池 相 比 ， MFC以 微 生 物 代 替 昂 贵 的 化 学催 化 剂 ， 因 而 具 有 更 多 优 点 : 2.1.2 微 生 物 燃 料 电 池 的 分 类 有 介 体 的 微 生 物 燃 料 电 池n 概 念 ： 燃 料 在 电 解 液 中 或 其 它 处 所 反 应 ， 电 子 通 过 氧 化 还原 介 体 传 递 到 电 极 上 的 电 池 。n 中 间 介 体 具 备 条 件 ： 1） 容 易 与 生 物 催 化 剂 及 电 极 发 生 可逆 的 氧 化 还 原 反 应 ； 2） 氧 化 态 和 还 原 态 都 较 稳 定 ， 不 会因 长 时 间 氧 化 还 原 循 环 而 被 分 解 ； 3） 介 体 的 氧 化 还 原 电对 有 较 大 的 负 电 势 ， 使 电 池 两 级 有 较 大 电 压 ； 4） 有 适 当极 性 以 保 证 能 溶 于 水 且 易 通 过 微 生 物 膜 或 被 酶 吸 附 ； 5）对 微 生 物 无 毒 ， 且 不 能 被 微 生 物 利 用 。 无 介 体 的 微 生 物 燃 料 电 池n 概 念 ： 在 无 电 子 传 递 中 间 存 在 的 条 件 下 ， 直 接 将 电子 传 递 给 电 极 ， 在 闭 合 回 路 下 产 生 电 流 ， 该 类 电 池称 为 无 介 体 微 生 物 燃 料 电 池 或 直 接 微 生 物 燃 料 电 池 。n 从 废 水 或 海 底 沉 积 物 中 富 集 的 微 生 物 群 落 也 可 用 于构 建 直 接 微 生 物 燃 料 电 池 。 MFCs 从 结 构 上 分 为 双 室 MFCs 和 单 室 MFCs。 典 型 的 双室 MFCs 包 括 阳 极 室 和 阴 极 室 , 中 间 由 PEM 或 盐 桥 连 接 。 单室 MFCs 从 电 极 构 型 上 分 为 三 类 :阴 阳 极 与 膜 压 制 成 “ 三 合 一 ”电 极 、 阴 极 与 膜 压 制 成 “ 二 合 一 ” 电 极 、 无 质 子 交 换 膜 或 加入 多 孔 膜 ;从 外 形 上 又 分 为 平 板 型 和 管 型 。 单 室 MFCs 通 常 直接 以 空 气 中 的 氧 气 作 为 氧 化 剂 ,无 需 曝 气 ,因 而 具 有 结 构 简 单 和成 本 低 的 优 点 ,更 适 于 规 模 化 。双 室 MFCs 和 单 室 MFCs 2.1.3 产 电 微 生 物n 产 电 微 生 物 :指 那 些 能 够 在 厌 氧 条 件 下 完 全 氧 化有 机 物 成 CO2， 然 后 把 氧 化 过 程 中 产 生 的 电 子通 过 电 子 传 递 链 传 递 到 电 极 上 产 生 电 流 的 微 生物 ， 同 时 微 生 物 在 电 子 传 递 过 程 中 获 得 能 量 支持 生 长 。n 间 接 MFC： 需 要 外 源 中 间 体 参 与 代 谢 ， 产 生 电子 才 能 传 递 到 电 极 表 面 ， 如 脱 硫 弧 菌 、 普 通 变形 杆 菌 和 大 肠 杆 菌 等 ； n 直 接 MFC： 代 谢 产 生 的 电 子 可 通 过 细 胞 膜 直 接传 递 到 电 极 表 面 ； 如 地 杆 菌 、 腐 败 希 瓦 式 菌 和 铁还 原 红 螺 菌 等 ； 大 肠 杆 菌变 形 杆 菌梭 状 芽 孢 杆 菌 组 成 成 分 原 料 标 注阳 极 石 墨 、 碳 纸 、 碳 布 、 铂 、 铂 黑 、 网 状 玻 碳 必 需阴 极 石 墨 、 碳 纸 、 碳 布 、 铂 、 铂 黑 、 网 状 玻 碳 必 需阳 极 室 玻 璃 、 聚 碳 酸 脂 、 有 机 玻 璃 必 需阴 极 室 玻 璃 、 聚 碳 酸 脂 、 有 机 玻 璃 非 必 需质 子 交 换 膜 质 子 交 换 膜 、 盐 桥 、 玻 璃 珠 、 玻 璃 纤 维 和 碳 纸 必 需电 极 催 化 剂 铂 、 铂 黑 、 聚 苯 胺 、 固 定 在 阳 极 上 的 电 子 介 体 非 必 需2.1.3 微 生 物 燃 料 电 池 组 成 ： Thanks your ! 有 机 物 作 为 燃 料 在 厌 氧 的 阳 极 室 中 被 微 生 物 氧 化 ， 产生 的 电 子 被 微 生 物 捕 获 并 传 递 给 电 池 阳 极 ， 电 子 通 过 外 电路 到 达 阴 极 ， 从 而 形 成 回 路 产 生 电 流 ， 而 质 子 通 过 质 子 交换 膜 到 达 阴 极 ， 与 氧 反 应 生 成 水 。 其 阳 极 和 阴 极 反 应 式 如下 所 示 ： 阳 极 反 应 ： (CH 2O)n nH 2O nCO2 4ne- 4nH + 阴 极 反 应 ： 4e- O 2 4H + 2H 2O 2.2 MFC的 基 本 工 作 原 理 ： PEM 负 载 阳 极 室 阴 极 室 O2CO2 H+e-e- e- H2Oe-H+有 机 物微 生 物 图 1.微 生 物 燃 料 电 池 工 作 原 理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell 2.3 电 池 性 能 制 约 因 素 ：n (1)动 力 学 因 素 ,阳 极 和 阴 极 反 应 活 化 能 的 因 素 ; n (2)内 阻 的 因 素 ,主 要 来 自 电 解 液 的 离 子 阻 力 ,电极 与 接 触 物 质 产 生 的 电 阻 ,以 及 PEM所 产 生 的 内电 阻 ; n (3)传 递 因 素 ,反 应 物 到 微 生 物 活 性 位 的 传 质 阻力 和 阴 极 区 电 子 最 终 受 体 的 扩 散 。 2.4 微 生 物 燃 料 电 池 的 应 用 ：1） 废 水 处 理2） 产 氢3） 海 底 设 备 供 电 利 用 沉 积 物 作 为 一 个 远 程 电 源 在 海 底 或 供 电 的 数 据 采 集 设 备或 服 务 的 一 个 加 油 站 。 2.5 应 用 前 景 和 发 展 方向 n 替 代 能 源 ; n BOD传 感 器 ; n 污 水 处 理 新 工 艺 ; n 利 用 微 生 物 燃 料 电 池 的 特 殊 环 境 进 行 未 培 养 菌 的 富 集 。 目 前 大 多 数 微 生 物 燃 料 电 池 由 单 一 菌 种 构 建 。 要 达 到普 遍 应 用 的 目 的 ， 急 需 发 现 能 够 使 用 广 泛 有 机 物 作 为 电子 供 体 的 高 活 性 微 生 物 。 今 后 的 研 究 将 继 续 致 力 于 发 现和 选 择 这 种 高 活 性 微 生 物 。 以 有 机 废 水 (如 淀 粉 厂 出 水 )为燃 料 建 立 微 生 物 燃 料 电 池 ， 试 图 分 离 所 需 菌 种 。 第 三 节 酶 生 物 燃 料 电 池3.1 概 述 酶 生 物 燃 料 电 池 是 将 酶 从 生 物 体 系 中 提 取 出 来 ， 利用 其 活 性 在 阳 极 催 化 燃 料 分 子 氧 化 、 同 时 加 速 阴 极 氧 的还 原与 微 生 物 燃 料 电 池 相 比微 生 物 燃 料 电 池 和 酶 燃 料 电 池 的 比 较 parameter 微 生 物 燃 料 电 池 酶 燃 料 电 池 催 化 剂 微 生 物 酶 使 用 寿 命 长 短 氧 化 能 力 完 全 氧 化 不 完 全 氧 化 能 量 浓 度 低 高 成 本 高 低膜 表 面 分 离 器 需 要 不 需 要 3.1.1 酶 生 物 燃 料 电 池 的 结 构 在 酶 燃 料 电 池 中 ,酶 可 以 与 介 体 一 起 溶 解 在 底 物 ( 燃 料 ) 中 ,也 可 以 固 定 在 电 极 上 。 后 者 由 于 催 化 效 率 高 、 受 环 境 限制 小 等 优 点 而 具 有 更 广 泛 的 用 途 。 在 早 期 的 生 物 燃 料 电 池 系统 中 , 更 多 地 用 气 体 扩 散 电 极 与 酶 阳 极 或 阴 极 相 匹 配 用 两种 不 同 酶 电 极 的 酶 燃 料 电 池 较 少 。 近 年 来 , 随 着 修 饰 酶 电极 技 术 的 发 展 ,大 多 数 酶 燃 料 电 池 研 究 工 作 均 采 用 正 、 负 电极 均 为 酶 电 极 的 结 构 。 此 外 , 使 用 固 定 酶 电 极 的 酶 燃 料 电池 为 了 防 止 两 电 极 间 电 极 反 应 物 与 产 物 的 相 互 干 扰 ,一 般 将正 、 负 电 极 用 质 子 交 换 膜 分 隔 为 阴 极 区 和 阳 极 区 ,即 两 极 室酶 燃 料 电 池 ,这 与 传 统 电 池 阴 极 P 隔 膜 P 阳 极 的 结 构 相 仿 。 3.1.2 酶 燃 料 电 池 的 工 作 原 理 3.2 两 极 室 酶 燃 料 电池 3.2.1 两 极 室 酶 燃 料 电 池 原 理 用 电 子 介 体 修 饰 的 葡 萄 糖 氧 化 酶 电 极 作 为 电 池 的 阳 极 ,固 定 化 微 过 氧 化 物 酶 -11电 极 作 阴 极 ， 电 池 工 作 时 ,在 GOx 的 辅 因 子 FAD(黄 素 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 )的 作 用 下 葡 萄 糖 转 化 为葡 萄 糖 酸 内 酯 并 最 终 转 化 为 葡 萄 糖 酸 ,产 生 的 电 子 通 过 介体 转 移 到 电 极 上 ,H+透 过 隔 膜 扩 散 到 阴 极 区 ； 在 阴 极 区 ,H2O2 从 电 极 上 得 到 电 子 ,在 MP-11 的 作 用 下 与 H+反 应 ,生 成 H2O。 3.2.2 酶 燃 料 电 池 的 基 本 结 构 3.3 无 隔 膜 酶 燃 料 电 池 虽 然 两 极 室 的 酶 燃 料 电 池 有 很 多 优 点 和 用 途 ， 但 由 于需 要 隔 膜 给 实 际 操 作 带 来 许 多 不 便 ， 也 不 利 于 电 池 的 微 型化 。 因 此 近 年 来 人 们 开 始 致 力 于 无 隔 膜 酶 生 物 燃 料 电 池 研究 。 单 极 室 的 无 隔 膜 酶 燃 料 电 池 采 用 均 相 混 合 溶 液 作 为 燃料 ， 不 仅 使 电 性 能 得 到 提 高 ， 而 且 有 利 于 电 池 微 型 化 采 用 BOD P GOx 电 极 的 酶 燃 料 电 池 可 植 入 人 体 内为 生 物 传 感 器 提 供 电 能 。 单 极 室 酶 燃 料 电 池 简 化 了 酶 燃 料 电 池 结 构 ， 不 仅 可以 制 备 出 体 积 极 小 的 微 型 酶 燃 料 电 池 ， 同 时 具 有 很 好 的 生物 相 容 性 。 通 过 采 用 微 细 电 极 材 料 和 电 极 制 备 技 术 有 可 能研 制 出 体 积 更 小 的 微 电 池 和 微 电 池 组 。3.4 酶 燃 料 电 池 的 应 用 与 发 展 趋 势 酶 燃 料 电 池 原 料 来 源 广 泛 、 生 物 相 容 性 好 、 在 常 温 常 压和 中 性 溶 液 环 境 中 工 作 、 可 以 用 多 种 天 然 有 机 物 作 为 燃 料 ，是 一 种 可 再 生 的 绿 色 能 源 ， 可 为 微 型 电 子 装 置 提 供 电 能 。 在疾 病 的 诊 断 和 治 疗 、 环 境 保 护 以 及 航 空 航 天 等 领 域 具 有 诱 人的 应 用 前 景 。 3.4.1 生 物 酶 燃 料 电 池 的 最 新 研 究 进 展n 1） 其 中 一 个 最 重 大 的 进 展 ， 就 是 生 物 燃 料 电 池 的生 物 阳 极 和 生 物 阴 极 使 用 了 新 的 技 术 ， 用 直 接 电子 转 移 取 代 了 以 前 的 间 接 电 子 转 移 。 直 接 传 递 的好 处 在 于 使 电 子 直 接 从 催 化 剂 传 递 到 电 极 ， 中 间使 用 传 递 媒 介 的 这 一 问 题 得 到 解 决 。 无 介 体 酶 生物 燃 料 电 池 采 用 导 电 聚 合 物 作 为 酶 固 定 材 料 n2） 第 二 关 键 是 延 长 固 定 化 酶 的 活 性 时 间 。 酶 是 蛋 白 质 ， 在 缓 冲 液 当 中 的 寿 命 时 间 是 八 小 时 到 两天 ， 尽 管 固 定 在 电 极 表 面 的 酶 的 寿 命 可 以 延 长 到 7到 20天 。 近 来 ， 通 过 把 酶 封 装 在 胶 束 聚 合 物 中 ，可 以 使 其 活 性 延 长 到 一 年 以 上 ， 这 个 胶 束 为 酶 提供 了 合 适 的 PH还 有 生 物 可 容 性 的 环 境 ， 防 止 其 变性 3.4.2 焦 点 -如 何 提 高 酶 生 物 燃 料 电 池 的 效 率三 个 技 术 难 点 ：n 1） 生 物 燃 料 电 池 阳 极 需 要 是 三 维 的 ， 这 样就 有 足 够 的 敏 感 度 。 阳 极 必 须 要 使 表 面 区域 所 需 要 的 达 到 最 佳 化 ， 孔 越 小 ， 相 对 反 应面 积 越 大 ， 反 应 速 率 越 快 。 但 孔 太 小 ， 液 态燃 料 的 传 送 也 就 成 了 一 个 问 题 。 2） 成 功 的 固 定 化 多 酶 系 统 是 需 要 可 以 使 燃 料 完全 氧 化 成 二 氧 化 碳 。 目 前 的 酶 燃 料 电 池 的 效 率 是比 较 低 的 ， 只 能 用 单 一 的 酶 和 将 燃 料 部 分 氧 化 。这 和 细 胞 内 可 以 使 生 物 燃 料 完 全 氧 化 成 二 氧 化 碳和 水 是 完 全 不 同 的 。 3） 阳 极 必 须 支 持 高 效 率 的 电 荷 转 移 机 制 ， 因 此了 解 之 间 的 相 互 作 用 ， 孔 隙 度 ， 比 表 面 积 ， 以 及电 子 和 质 子 电 导 率 至 关 重 要 。 n 在 应 用 程 序 开 发 的 前 景 与 微 生 物 燃 料 电 池 方 面 ：n 替 代 能 源 ; 传 感 器 ; 污 水 处 理 新 技 术 ; 利 用 微 生 物燃 料 电 池 的 特 殊 环 境 未 培 养 细 菌 的 富 集 。n 替 代 能 源 ， 生 物 质 能 因 为 MFC将 能 转 化 为 电 能 的 生 物 量 直 接 转 化 ， 机 器 人 、汽 车 、 医 疗 方 面 应 用 潜 力 广 泛 。n 生 物 修 复n 在 航 空 航 天 上 的 使 用 ， 目 前 已 应 用 于 宇 宙 飞 船 。 4.1 生 物 燃 料 电 池 的 价 值 和 应 用第 四 节 生 物 燃 料 电 池 的 应 用 与 前 景 最 新 成 果 n 微 生 物 传 感 器 的 发 展 ， 广 泛 工 作 的 MFC使 用 的 原 则 制 定 新 的 生 化 需 氧 量 传 感 器 在 于 ： 电 池 产 生 的 电 流 或 充 电 之 间 的 污 染 物 浓 度 呈 良 好 的 线 性关 系 ; 电 池 的 电 流 对 污 水 响 应 速 度 更 快 ; 有 较 好 的 重 复性 。n 作 为 一 个 新 的 水 处 理 工 艺目 前 ， 由 于 燃 料 有 机 废 水 ， 有 机 物 质 循 环 中 的 化 学 能 的 污水 一 直 是 MFC的 这 项 研 究 的 主 要 目 的 ， 但 在 研 究 中 ， 污 水处 理 后 的 MFC的 水 质 监 测 结 果 ， 以 便 为 新 的 污 水 处 理 技 术开 发 的 研 究 人 员 到 MFC基 本 工 作 原 理 产 生 了 浓 厚 的 兴 趣 。 优 点 ： 1） 可 以 为 微 生 物 燃 料 电 池 提 供 一 个 新 的 研 究 方向 ； 2） 为 处 理 污 水 ， 将 无 用 资 源 转 变 为 可 生 产 能 量 的 有用 资 源 提 供 了 新 的 发