生物传感器的研发及其在发酵工业中的应用综述) 冯德荣朱思荣周万里冯东黄加栋毕春元 生物传感器研究和开发历史 生物传感器研究和开发的目的是向社会提供采用生物传感器原理的新仪器和分析方法,它们可以广泛地应用于安全预警、 i床诊断监护、食品分析、工业控制和环境状态的监测 20多年来,我们研制开发了一系列可以实用的生物传感器和分析仪器(图1-5)。这些生物传感器分析仪代表了不同时期 1传感器研究开发的历史。 八十年代是我国生物传感器研究开发的起步阶段,我们与中科院北微所、病毒所、生化所、电子所等单位同步,曾先后 开发了几种生物传感器,它们作为实验室的成果都还面临实践中应用的困境。SBA-30型乳酸分析仪的开发成功(图1)是我 生物传感器实用化上取得突破性进展的标志,它成为我国九十年代耐力竞技体育训练的主要科学仪器之一。我们主要解决ˉ 下三个技术难题:①研制成功生物传感器配套的试剂盒,其中生物材料用固定化技术制成酶膜,既能长时期反复运行,还 贮存和运送。②研制了过氧化氢型电极,能高度稳定地保持基础电流输出:③解决了生物传感分析仪的自动清冼,采样的ⅰ 控制。这些技术难题的解决,为生物传感器技术传播创造了良好的技术基础。 LACTATE 199研制的5B30型乳图2,192年研制的8B40型谷图3、194年研制的S50型单电极生物传感分析仪
生物传感器的研发及其在发酵工业中的应用(综述) 冯德荣 朱思荣 周万里 冯东 黄加栋 毕春元 一、生物传感器研究和开发历史 生物传感器研究和开发的目的是向社会提供采用生物传感器原理的新仪器和分析方法，它们可以广泛地应用于安全预警、 临床诊断监护、食品分析、工业控制和环境状态的监测。 20 多年来，我们研制开发了一系列可以实用的生物传感器和分析仪器(图 1-5)。这些生物传感器分析仪代表了不同时期生 物传感器研究开发的历史。 八十年代是我国生物传感器研究开发的起步阶段，我们与中科院北微所、病毒所、生化所、电子所等单位同步，曾先后研 究开发了几种生物传感器，它们作为实验室的成果都还面临实践中应用的困境。SBA-30 型乳酸分析仪的开发成功(图 1) 是我们 在生物传感器实用化上取得突破性进展的标志，它成为我国九十年代耐力竞技体育训练的主要科学仪器之一。我们主要解决了 以下三个技术难题：①研制成功生物传感器配套的试剂盒，其中生物材料用固定化技术制成酶膜，既能长时期反复运行，还可 以贮存和运送。②研制了过氧化氢型电极，能高度稳定地保持基础电流输出；③解决了生物传感分析仪的自动清冼，采样的简 易控制。这些技术难题的解决，为生物传感器技术传播创造了良好的技术基础。 图 1、1989 年研制的 SBA-30 型乳 酸分析仪 图 2、1992 年研制的 SBA-40 型谷 氨酸-葡萄糖双功能分析仪 图 3、1994 年研制的 SBA-50 型单电极生物传感分析仪
图4、2000年研制的SBA-60型生物传感器在线分析系统(四电极)图5、203年研制的SBA-70型血糖乳酸自动分析仪 九十年代是我国生物传感器应用取得较大发展的十年,以SBA-40型和50型生物传感分析仪(图2、3)为代表,仪器集成 许多智能化操作程序,其主程序可方便地满足了多种自动测定。谷氨酸传感器的研制成功并进入实用是国际首创,它与葡 乳酸传感器一起成龙配套地监测控制发酵罐内的物质成分的变化,实现分析150万次/年。我们还硏制成多酶协同作用的」 酶膜生物传感器,通过自动测定程序实现了糖化酶活性的快速自动测量,应用双电极-差分的方法获得原先难于分析的生化 测定,包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麦芽糖等。在九十年代中,生物传感分析仪品种得到更新换代,还建立 关的国家标准 进入新世纪以来,我们在生物传感分析仪的医用、自动、精密分析继续研发,获得几项新的硏究成果。研制了生物传感τ 分析系统(图4)和医用的生物传感自动分析仪(图5) 实验室研发的生物传感器得到市场和政府的认可,199年研究室被正式命名为山东省生物传感器重点实验室,为生物传 的创新研究和持续地为社会服务提供了基地 二、生物传感器和发酵生产 在微生物发酵过程中,检测多种有关的生化参数(生物量/细胞活性、底物/营养、产物/代谢物),是生物技术领域研 和工程师们有效地对过程进行控制的必要前提。生物传感器类分析仪器得到普及应用改变了我国在发酵控制新分析仪器方 落后面貌。与国外同类仪器比较,我们研发的生物传感器分析仪具有方便、快速、精确、容易操作、价格低廉、维修及时 点 生物传感器在发酵工业上的应用: Ⅰ、发酵中葡萄糖测定,过去用操作繁琐时间长的还原糖方法只能近似地估计葡萄糖的变化。现在提供了快速而准确的圊 酶的测定方法,发酵中可根据糖消耗确定微生物的生长速率,观察是否染菌,随时与产物的产生一起估算转化率,确定补冫 果和及时判断发酵结束的时间。发酵过程或设备异常现象通过葡萄糖分析得到及时预报。 2、谷氨酸发酵中,随时跟踪目标产物的产生。分析时间缩短了几十倍 3、乳酸测定是生物传感器出现后新增加的控制参数。实践中发现它的控制是获得发酵高产的关键。乳酸是需氧发酵产物 过程中的中间产物,是过程控制的敏感参数,与生物素的加入量、补糖、活菌数、菌活力、空气补给等控制直接相关。发 盛期,乳酸必然产生,适度的乳酸浓度是高产罐的重要指示。此时单纯地通过通风是达不到乳酸下降的目的,反而引起能 浪费及减产。发酵后期、放罐前应控制乳酸下降,才能达到高产 4、监控离交回收谷氨酸或浓缩物的浓度:谷氨酸传感器可测岀0.1%的谷氨酸浓度变化,而瓦氏法不可能达到这样的精碩 过去离子交换单用皿跃变点来控制回收会造成谷氨酸的大量流失。使用谷氨酸传感器可以使离交回收率提高30-50%
图 4、2000 年研制的 SBA-60 型生物传感器在线分析系统(四电极) 图 5、2003 年研制的 SBA-70 型血糖乳酸自动分析仪 九十年代是我国生物传感器应用取得较大发展的十年，以 SBA-40 型和 50 型生物传感分析仪(图 2、3) 为代表，仪器集成 了许多智能化操作程序，其主程序可方便地满足了多种自动测定。谷氨酸传感器的研制成功并进入实用是国际首创，它与葡萄 糖、乳酸传感器一起成龙配套地监测控制发酵罐内的物质成分的变化，实现分析 150 万次/年。我们还研制成多酶协同作用的复 合酶膜生物传感器，通过自动测定程序实现了糖化酶活性的快速自动测量，应用双电极-差分的方法获得原先难于分析的生化样 品测定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麦芽糖等。在九十年代中，生物传感分析仪品种得到更新换代，还建立了 相关的国家标准。 进入新世纪以来，我们在生物传感分析仪的医用、自动、精密分析继续研发，获得几项新的研究成果。研制了生物传感在 线分析系统(图 4)和医用的生物传感自动分析仪(图 5)。 实验室研发的生物传感器得到市场和政府的认可，1999 年研究室被正式命名为山东省生物传感器重点实验室，为生物传感 器的创新研究和持续地为社会服务提供了基地。 二、生物传感器和发酵生产 在微生物发酵过程中，检测多种有关的生化参数（生物量/细胞活性、底物/营养、产物/ 代谢物）, 是生物技术领域研究 者和工程师们有效地对过程进行控制的必要前提。生物传感器类分析仪器得到普及应用改变了我国在发酵控制新分析仪器方面 的落后面貌。与国外同类仪器比较，我们研发的生物传感器分析仪具有方便、快速、精确、容易操作、价格低廉、维修及时等 优点。 生物传感器在发酵工业上的应用： 1、发酵中葡萄糖测定，过去用操作繁琐时间长的还原糖方法只能近似地估计葡萄糖的变化。现在提供了快速而准确的固定 化酶的测定方法，发酵中可根据糖消耗确定微生物的生长速率，观察是否染菌，随时与产物的产生一起估算转化率，确定补料 效果和及时判断发酵结束的时间。发酵过程或设备异常现象通过葡萄糖分析得到及时预报。 2、谷氨酸发酵中，随时跟踪目标产物的产生。分析时间缩短了几十倍。 3、乳酸测定是生物传感器出现后新增加的控制参数。实践中发现它的控制是获得发酵高产的关键。乳酸是需氧发酵产物转 化过程中的中间产物，是过程控制的敏感参数，与生物素的加入量、补糖、活菌数、菌活力、空气补给等控制直接相关。发酵 旺盛期，乳酸必然产生，适度的乳酸浓度是高产罐的重要指示。此时单纯地通过通风是达不到乳酸下降的目的，反而引起能源 的浪费及减产。发酵后期、放罐前应控制乳酸下降，才能达到高产。 4、监控离交回收谷氨酸或浓缩物的浓度：谷氨酸传感器可测出 0.1%的谷氨酸浓度变化，而瓦氏法不可能达到这样的精确 度。过去离子交换单用 pH 跃变点来控制回收会造成谷氨酸的大量流失。使用谷氨酸传感器可以使离交回收率提高 30- 50%。(图 6)
420 -PH 8642 一0-谷绷 图6、离子交换回收过程中谷氨酸和pH的变化曲线 5、监控淀粉糖的水解,葡萄糖与还原糖的比值可衡量糖质量。发酵中糖液质量是至关重要的,糖化不好时不仅浪费了粮食 且会造成发酵中泡沫增多,通气不良,乳酸増高;对后提取也带来很多麻烦;并将增加污水排放的BOD量。 6、糖化酶活力的快速测定,正确控制糖水解时的加酶量,提高糖液的质量 7、木糖醇产品纯度检验中可检测残留不到1%的葡萄糖量,在9%以上的木糖醇产品中方便地检测葡萄糖的含量。使产品 出口要求。 8、环境保护中高效过滤设备的过滤效果快速检测 9、在线过程分析系统。至今在占我国新型发酵6%以上产值的谷氨酸发酵中还没有实质性地应用好自动控制系统,生物传 在线分析可能是这一领域技术改造和进步的标志 三、生物传感器的发展 21世纪将是生物经济时代,其表现是生物技术与信息技术的融合,生物工艺过程的数字化。生物传感器是极具有发展潜力 学芓科领域,作为知识经济的新増长点,它将促进生物技术产业和常规生物产业的发展,可以为许多经济领域的过程中提供控 上的不可缺少的信息、新的快速分析方法、新的生物仪器设备的来源。生命科学中遇到的问题,绝大多数是非常复杂的体系 其中的重要物质又往往是痕量成分。在未来生化武器的侦查中,化学传感器与生物传感器都将是重要的侦查工具。生物传感 正在向微型化、集成化方向发展,手掌型测试仪生物传感器已得到快速发展。生物传感器与纳米技术信息技术、微电子技术 交叉,将孕育出更多、更新的新型的生物传感器。国家”十五^863中除传统的生物技术领域外,在新材料、微电子MMS系统、 境生态资源等硏究领域中的课题招标中都列入新型生物传感器项目。生物医用纳米传感器正成为新的硏究热点 参考文献 Feng Derong, Biosensors and their applicat ion in the People' s Republic of China. Advances In Biosensors, Vol JAI Press INC, 1999. 289-313 冯德荣.生物传感器的研究现状和发展方向.山东科学,1999,12(4):1~6 冯德荣,尚雪芹等适用于发酵生产过程的SBA一40型谷氨酸一葡萄糖双功能分析仪的硏制食品与发酵工业,1993(4 冯德荣,朱思荣等SBA-60型四电极生物传感分析系统的硏制山东科学,1998,11(2):45~49
图 6、离子交换回收过程中谷氨酸和 pH 的变化曲线 5、监控淀粉糖的水解，葡萄糖与还原糖的比值可衡量糖质量。发酵中糖液质量是至关重要的，糖化不好时不仅浪费了粮食 而且会造成发酵中泡沫增多，通气不良，乳酸增高；对后提取也带来很多麻烦；并将增加污水排放的BOD 量。 6、糖化酶活力的快速测定，正确控制糖水解时的加酶量，提高糖液的质量。 7、木糖醇产品纯度检验中可检测残留不到 1%的葡萄糖量，在 99%以上的木糖醇产品中方便地检测葡萄糖的含量。使产品符 合出口要求。 8、环境保护中高效过滤设备的过滤效果快速检测。 9、在线过程分析系统。至今在占我国新型发酵 60%以上产值的谷氨酸发酵中还没有实质性地应用好自动控制系统，生物传 感在线分析可能是这一领域技术改造和进步的标志。 三、生物传感器的发展 21 世纪将是生物经济时代，其表现是生物技术与信息技术的融合，生物工艺过程的数字化。生物传感器是极具有发展潜力 的学科领域，作为知识经济的新增长点，它将促进生物技术产业和常规生物产业的发展，可以为许多经济领域的过程中提供控 制上的不可缺少的信息、新的快速分析方法、新的生物仪器设备的来源。生命科学中遇到的问题，绝大多数是非常复杂的体系， 而其中的重要物质又往往是痕量成分。在未来生化武器的侦查中，化学传感器与生物传感器都将是重要的侦查工具。生物传感 器正在向微型化、集成化方向发展，手掌型测试仪生物传感器已得到快速发展。生物传感器与纳米技术信息技术、微电子技术 的交叉，将孕育出更多、更新的新型的生物传感器。国家"十五"863 中除传统的生物技术领域外，在新材料、微电子 MEMS 系统、 环境生态资源等研究领域中的课题招标中都列入新型生物传感器项目。生物医用纳米传感器正成为新的研究热点。 参 考 文 献 1. Feng Derong, Biosensors and their application in the People's Republic of China. Advances In Biosensors, Vol 4.JAI Press INC., 1999.289～313 2. 冯德荣.生物传感器的研究现状和发展方向.山东科学，1999，12（4）：1～6 3. 冯德荣，尚雪芹等 适用于发酵生产过程的 SBA－４０型谷氨酸－葡萄糖双功能分析仪的研制 食品与发酵工业，1993（4）： 33～37 4. 冯德荣，朱思荣等 SBA-60 型四电极生物传感分析系统的研制山东科学，1998，11（2）：45～49