Chapter8_2酶反應(yīng)器

1、1第八章第八章酶反應(yīng)器Reactors for Enzymatic Catalysis2ContentsGoGo31 新型生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)n生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化離不開生物過程的研究。當一個產(chǎn)品發(fā)展到技術(shù)和經(jīng)濟上可行的時候,我們就面臨著生物過程的開發(fā),而對現(xiàn)有生物反應(yīng)器的選擇和結(jié)合特殊生物反應(yīng)過程進行生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是生物過程開發(fā)的至關(guān)重要的部分,它作為生物工程的一部分起著支撐作用，在一定程度上決定了我們選型的正確性和創(chuàng)新的方向性。n機械攪拌式和氣升式生物反應(yīng)器機械攪拌式和氣升式生物反應(yīng)器41.1機械攪拌式生物反應(yīng)器機械攪拌式生物反應(yīng)器n生物反應(yīng)器設(shè)計的目的是為生物反應(yīng)過程提供良好的反應(yīng)環(huán)境,生物反

2、應(yīng)過程是多種多樣的,既有工業(yè)微生物過程,又有動植物細胞過程,還包括藻類過程、酶反應(yīng)過程、污水處理過程,這些過程對反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和功能都有特定的需要。n對于機械攪拌式生物反應(yīng)器,進行大規(guī)模的修改或創(chuàng)新的反應(yīng)器有提升槳生物反應(yīng)器、雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器、泡床式攪提升槳生物反應(yīng)器、雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器、泡床式攪拌生物反應(yīng)器、脈沖混合式生物反應(yīng)器、離心槳生物反應(yīng)器、拌生物反應(yīng)器、脈沖混合式生物反應(yīng)器、離心槳生物反應(yīng)器、高密度細胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器、固定化酶攪拌槳反應(yīng)器等。高密度細胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器、固定化酶攪拌槳反應(yīng)器等。n除此之外,尚有針對植物細胞培養(yǎng)的多種反應(yīng)器結(jié)構(gòu),如螺旋槳攪拌反應(yīng)器,寬平槳攪拌反

3、應(yīng)器等等,針對反應(yīng)器內(nèi)軸向流動混合的各類反應(yīng)器等等,但這些反應(yīng)器基本上援用了傳統(tǒng)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。5提升槳生物反應(yīng)器提升槳生物反應(yīng)器n傳統(tǒng)的機械攪拌式生物反應(yīng)器雖然在使用的經(jīng)驗方面,在實際的過程應(yīng)用方面都十分成熟,但在動物細胞培養(yǎng)過程中,卻面臨著前所未有的挑戰(zhàn),其氣泡分散產(chǎn)生的界面張力界面張力和機械攪拌引起旋渦的剪切作用剪切作用使其在動物細胞培養(yǎng)過程中受到很多限制,雖然在培養(yǎng)工藝方面有很多改進措施,但從源頭上解決反應(yīng)器存在的根本問題顯然是各國生物工程學家所共同期望的。n1990年,美國NBS公司推出了細胞提升槳生提升槳生物反應(yīng)器物反應(yīng)器, 但溶氧傳質(zhì)系數(shù)偏低,不適合動物細胞高密度培養(yǎng),隨后John

4、son等人對其溶氧傳質(zhì)進行了深入的研究,分別測定了影響溶氧傳質(zhì)的各個主要因素,包括:溫度,攪拌,通氣,從研究的結(jié)果來看,溫度和攪拌的影響明顯小于通氣的影響。盡管如此,該反應(yīng)器應(yīng)用于動物細胞培養(yǎng)的規(guī)模性還有待于進一步的研究。提升槳生物反應(yīng)器6雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器n為使動物細胞反應(yīng)器培養(yǎng)成為現(xiàn)實, Shi等人于1992 年從提高溶氧傳質(zhì)系數(shù)的角度出發(fā),對現(xiàn)有反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新,設(shè)計了雙圓筒篩攪拌式雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器。n該反應(yīng)器最大的特點在于攪拌裝置上設(shè)計了兩個圓桶形篩網(wǎng),從他們的研究結(jié)果來看,本結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的溶氧傳質(zhì)系數(shù)比細胞提升式生物反應(yīng)器在水溶液

5、中提高了19% ,在無培養(yǎng)細胞培養(yǎng)基中提高了21% ,培養(yǎng)的雜交瘤細胞濃度達到3. 4 107 個/ml,單克隆抗體的產(chǎn)量達到512mg/L。分析其結(jié)構(gòu)認為:采用雙篩網(wǎng),增加氣泡與培養(yǎng)液的接觸表面積,而促進了溶氧系數(shù)的提高,因此使得反應(yīng)器的溶氧傳質(zhì)系數(shù),細胞的濃度,產(chǎn)物的濃度都大大提高。7盡管如此n反應(yīng)器對動物細胞培養(yǎng)的效果還是不能讓人滿意,原因在于:(1)他們無例外地采用了傳統(tǒng)機械攪拌式生物反應(yīng)器的部分構(gòu)件或在流態(tài)設(shè)計上受到傳統(tǒng)反應(yīng)器的左右,因此不可避免地使反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生強烈的旋渦,而對細胞產(chǎn)生剪切作用,使動物細胞受到損耗; (2)他們沒能解決由于氣泡在氣液界面分離產(chǎn)生張力而殺死細胞的問題。8

6、泡床式攪拌生物反應(yīng)器泡床式攪拌生物反應(yīng)器nSucher等人于1994年設(shè)計了泡床式攪拌生物泡床式攪拌生物反應(yīng)器反應(yīng)器。n該反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新之處在于采用錐形導流筒與攪拌槳配合使用,通過流體流速的控制,將氣泡限制在導流筒內(nèi),從而使大部分氣泡停留在液體中,消除了氣泡脫離培養(yǎng)液時產(chǎn)生界面張力破壞細胞,另一方面,通過培養(yǎng)液不斷地與氣泡接觸而提高了培養(yǎng)液的氧含量。n雖然本反應(yīng)器同樣采用了機械攪拌,但本反應(yīng)器中機械攪拌的作用在于促進流體的循環(huán),與傳統(tǒng)的機械攪拌式生物反應(yīng)器相比,不產(chǎn)生旋渦,而降低了對介質(zhì)的剪切作用,在氣泡分散方面,采用中空纖維膜對氣泡進行粉碎,從而加強氣液接觸面積,促進溶氧傳質(zhì)系數(shù)的提

7、高。當采用純氧進行通氣時,可達到無氣泡輸出培養(yǎng)。該反應(yīng)器培養(yǎng)動物細胞的能力已達到轉(zhuǎn)瓶培養(yǎng)的效果,可進行動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)。9脈沖混合式生物反應(yīng)器脈沖混合式生物反應(yīng)器n20世紀80年代以來動物細胞的微載培養(yǎng)逐漸成為培養(yǎng)貼壁生長細胞的主要方式,但用傳統(tǒng)機械攪拌式反應(yīng)器進行培養(yǎng)時,存在微載體與轉(zhuǎn)動部件沖擊細胞損傷,微載體之間沖擊細胞損傷,機械密封無菌程度難以維持等缺點,采用轉(zhuǎn)瓶大規(guī)模培養(yǎng)時,培養(yǎng)液的供氧又受到限制。n1993年Monahan等人根據(jù)熱對流傳導系數(shù)在傳熱表面震動時數(shù)倍提高的現(xiàn)象設(shè)計了脈沖混合式生脈沖混合式生物反應(yīng)器物反應(yīng)器。10n特點在于,采用脈沖運動的圓板帶動培養(yǎng)液運動,而通氣則采用

8、微孔硅膠管,氣體在硅膠管內(nèi)保持一定的壓力,培養(yǎng)液在圓板的帶動下不斷沖擊微孔硅膠管,使得培養(yǎng)液內(nèi)溶氧大大提高。同時,采用了脈沖的上下運動部件代替了旋轉(zhuǎn)攪拌,減少了微載體與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)之間的碰撞。從他們的研究結(jié)果來看,按照理論計算,該反應(yīng)器可為濃度為108 個/ml的微載體培養(yǎng)體系提供溶氧。n事實上微載體細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中,因為微載體的加入,不但解決了細胞貼壁生長表面的限制問題,在很大程度上也提高了細胞對剪切的抵抗力,因此適合于非貼壁生長細胞的懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器也同樣滿足微載體細胞培養(yǎng)的需要。11離心槳生物反應(yīng)器離心槳生物反應(yīng)器n傳統(tǒng)機械攪拌式生物反應(yīng)器因為其使用時間長,經(jīng)驗豐富,可保持培養(yǎng)介質(zhì)一致性,應(yīng)用普

9、遍等特點,因此結(jié)合生物過程的特殊性,利用現(xiàn)有的反應(yīng)器進行生產(chǎn)是十分經(jīng)濟合理的。n1996年Wang等人結(jié)合生物過程剪切敏感的特點,設(shè)計了一種新型離心槳生物反應(yīng)器。n其最大的特點在于采用了離心導流筒式攪拌裝置,在攪拌槳的作用下,基質(zhì)的流動線路如圖中所示,該反應(yīng)器與細胞提升式生物反應(yīng)器相比,混合時間縮短,液體提升能力加強,同時,對流體流速的分析表明,該反應(yīng)器的剪切作用也比細胞提升式生物反應(yīng)器低。因此該反應(yīng)器可廣泛應(yīng)用于低剪切作用的生物培養(yǎng)過程中,如在植物細胞培養(yǎng)和高等真菌發(fā)酵等系統(tǒng)已成功應(yīng)用。12高密度細胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器n為適應(yīng)細胞高密度培養(yǎng)的需要, 1994 年Suzuki等人設(shè)計了這種反應(yīng)器系

10、統(tǒng)。n該系統(tǒng)的特點在于,采用了兩套功能完全相同的陶瓷過濾系統(tǒng)。一方面,反應(yīng)器中的培養(yǎng)液被該過濾系統(tǒng)過濾出來,攪拌不但促進了從進料罐來的底物在反應(yīng)器中的混合,同時為過濾系統(tǒng)消除了濃差極化,促進過濾,另一方面,氣體經(jīng)過陶瓷過濾系統(tǒng)以過濾的反方向經(jīng)過陶瓷孔而進入反應(yīng)器主體。在這個過程中,由于氣體的經(jīng)過,陶瓷過濾系統(tǒng)的過濾孔得到清洗,同時由于過濾器微孔的分散作用,使氣泡得到粉碎,在攪拌的作用下,與基質(zhì)混合,大大提高了培養(yǎng)液中的溶解氧,使得反應(yīng)中細胞的高密度培養(yǎng)成為可能。n研究表明,該反應(yīng)器內(nèi)的溶氧傳質(zhì)系數(shù)比普通通氣時提高了4倍,細胞培養(yǎng)73小時后濃度達到207g/L,比普通的灌注培養(yǎng)體系增加了2倍,同

11、時由于該反應(yīng)器在同一個容器中具備了培養(yǎng)和分離基質(zhì)的功能,與培養(yǎng)-細胞分離系統(tǒng)相比較,其細胞活力大大提高,減少了培養(yǎng)物受到污染的可能性。13固定化酶攪拌槳反應(yīng)器固定化酶攪拌槳反應(yīng)器n近年來酶作為生物催化劑得到了廣泛的應(yīng)用,與整體細胞做催化劑或與化學工業(yè)傳統(tǒng)的催化劑相比,它具有很多方面的優(yōu)勢,如,反應(yīng)底物、產(chǎn)物單一,容易分離,副反應(yīng)少,轉(zhuǎn)化率高,選擇性強,反應(yīng)條件溫和,對環(huán)境污染少等等,但酶本身的一些特點也使其大規(guī)模應(yīng)用受到限制,特別是酶的分離純化復(fù)雜,在反應(yīng)中流失嚴重,酶的輔因子不容易回收等等,為克服酶的這些缺陷人們對固定化酶展開了大量的研究,其中最關(guān)鍵的部分是克服酶固定化活性的降低和促進底物向

12、酶分子的擴散。n在傳統(tǒng)反應(yīng)器的基礎(chǔ)上,Lathouder等人于2005年報道了其設(shè)計的固定化酶攪拌槳反應(yīng)器。14n特點在于將酶固定之后,將載體集中作成圓筒狀,以圓筒作為機械攪拌式生物反應(yīng)器的攪拌槳。該反應(yīng)器工作時,一方面攪拌槳對整個反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)進行混合,另一方面基質(zhì)進入圓筒形的攪拌槳中,與固定在其中的酶進行接觸,自身發(fā)生反應(yīng)。n研究表明,該反應(yīng)器能促進基質(zhì)向酶的擴散,轉(zhuǎn)速對整個酶促反應(yīng)的影響不大,酶的活性比常規(guī)固定方法更高,活性保存可達數(shù)周。可以預(yù)計,在這個思路的提示下,對攪拌槳稍作改進后,我們將得到更加理想的酶反應(yīng)器。進而為酶的大規(guī)模應(yīng)用制造良好的條件。151.2氣升式生物反應(yīng)器氣升式生物

13、反應(yīng)器n氣升式生物反應(yīng)器的研究始于上世紀70 年代末80年代初,與機械攪拌式生物反應(yīng)器相比,它具有能耗小,供氧充足,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,染菌風險小,剪切力小等優(yōu)點。n由于其結(jié)構(gòu)簡單的特點,它在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究方面的報道不多,主要的有篩網(wǎng)導流筒反應(yīng)器篩網(wǎng)導流筒反應(yīng)器,旋轉(zhuǎn)導流筒反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)導流筒反應(yīng)器,外循外循環(huán)生物反應(yīng)器環(huán)生物反應(yīng)器, 螺旋管光照氣升式生物反應(yīng)器螺旋管光照氣升式生物反應(yīng)器等。n在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中,其通氣結(jié)構(gòu)的改進一直是研究的熱點,這些結(jié)構(gòu)包括,單孔噴嘴,多孔篩板,陶瓷通氣噴嘴,中空纖維通氣裝置,多排多孔空氣分布器等等。16多孔篩導流筒生物反應(yīng)器n氣升式生物反應(yīng)器雖然能為生物反應(yīng)過程提供充足的溶氧

14、,但其內(nèi)部基質(zhì)的溶氧存在不均衡的情況,此外其上升段的溶氧水平較高,而下降區(qū)溶氧普遍較低,對于強好氧生物體,該部分的循環(huán)會影響生物的正常生長?；诖耍現(xiàn)u等人于2003年設(shè)計了多孔篩導流筒生物反應(yīng)器。n特點在于采用篩網(wǎng)作導流筒,上升段的基質(zhì)不斷與氣體接觸,因此具有較高的溶氧水平,同時,如采用合適網(wǎng)孔的篩網(wǎng),可以在不影響導流筒內(nèi)外基質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)上,使下降段的基質(zhì)通過篩網(wǎng)與上升段基質(zhì)中的氣體接觸,而使其溶氧得到提高。n研究表明,與普通導流筒反應(yīng)器和鼓泡式反應(yīng)器相比,其混合時間和溶氧傳質(zhì)系數(shù)都具有實質(zhì)性的優(yōu)勢,在生產(chǎn)實驗中,該反應(yīng)器與同類型的鼓泡反應(yīng)器,普通內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器相比,在面包酵母培養(yǎng),谷氨酸生產(chǎn)

15、,蘇云金桿菌毒素生產(chǎn),殼聚糖生產(chǎn),紅曲霉色素生產(chǎn),細菌纖維素生產(chǎn)方面都體現(xiàn)出了強大的優(yōu)勢,他們認為該反應(yīng)器十分具有工業(yè)化的潛質(zhì)。17螺旋導流筒生物反應(yīng)器螺旋導流筒生物反應(yīng)器n傳統(tǒng)氣升式內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器均為圓形導流筒,反應(yīng)器內(nèi)底部基質(zhì)在通入氣體的提升下上升到頂部,而后氣液分離,液體進入下降區(qū),如此反復(fù)循環(huán),為生物反應(yīng)提供混合和傳質(zhì)。n2000 年Merchuk等人在培養(yǎng)紅藻的過程中,首次改變導流筒的結(jié)構(gòu), 在原來的基礎(chǔ)上,設(shè)計了兩個螺旋形導流板,在這個結(jié)構(gòu)下,流體在下降過程中,其流向由傳統(tǒng)的垂直向下轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪陆?當螺旋下降的液體再次回到氣體分布器的時候,氣體的垂直上升和流體的螺旋回歸相互交錯,

16、促進了質(zhì)量傳遞和溶氧的提高。n研究表明,當采用鼓泡反應(yīng)器,氣升內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器以及該反應(yīng)器進行同樣的紅藻培養(yǎng)過程,該反應(yīng)器體現(xiàn)出空氣和CO2消耗量少的特點,這可能和下降區(qū)的流態(tài)改變有關(guān)。18外循環(huán)生物反應(yīng)器外循環(huán)生物反應(yīng)器n氣升外循環(huán)生物反應(yīng)器的研究,主要集中在空氣分布器結(jié)構(gòu)，上升管與下降管截面積比，氣液分離裝置，高徑比，內(nèi)置構(gòu)件方面。但其主要的結(jié)構(gòu)特征沒有明顯的改變。近年來對該類反應(yīng)器結(jié)構(gòu)探索最突出的應(yīng)該歸于兩種類型，一個是底高徑比外循環(huán)生物反應(yīng)器的研究,另外一個是對氣液體分離裝置的改進。Viala等人研制了外循環(huán)生物反應(yīng)器。n它最突出的地方在于其氣液分離裝置的設(shè)計。該設(shè)計采用了與氣升式內(nèi)循環(huán)反

17、應(yīng)器相類似的結(jié)構(gòu),在該結(jié)構(gòu)下,氣液分離具有更廣闊的空間,使得氣液分離更加完善;同時,避免了下降液從上升管單側(cè)下降時,頂部脫氣液體不能完全進入下降管的現(xiàn)象,因此反應(yīng)器的循環(huán)通量大大提高。此外,其空氣分布器也比較獨特,采用了多排多孔的分布形式,其通氣孔之間的距離固定,這樣避免了大量氣體對周圍液體進行提升時產(chǎn)生的重疊現(xiàn)象,進而使得單位氣體對液體的提升作用得到加強,促進了反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)的整體循環(huán)。19螺旋管光照氣升式生物反應(yīng)器螺旋管光照氣升式生物反應(yīng)器n氣升式生物反應(yīng)器另外一個研究的方向是與光照反應(yīng)器相互結(jié)合,在這個方面的研究中,氣體作為推動力和反應(yīng)的基質(zhì)之一,促進光照反應(yīng)器中培養(yǎng)液的循環(huán)并為生物反應(yīng)提

18、供養(yǎng)分。Morita等人研制出螺旋管光照氣升式生物反應(yīng)器。20n其創(chuàng)新之處在于受光結(jié)構(gòu)為錐角60 度的圓錐形螺旋盤管。在整個裝置中,其氣體均從螺旋管下端通入,利用氣體對液體的攜帶作用促進基質(zhì)的循環(huán),液體從氣液分離器中分離之后,經(jīng)過集中冷卻系統(tǒng),再次進入各分散循環(huán)光照過程。從理論上說,該種結(jié)構(gòu)的光照利用率遠遠高于普通的平面光照系統(tǒng)。在作者進行的光照生物培養(yǎng)過程中,得到了每平方米安裝面積每天產(chǎn)28. 3g的生物量。n目前對光照反應(yīng)器的研究仍然十分熱門，這主要得益于人們對海洋微藻興趣的增加。但是在這類反應(yīng)器中,氣升反應(yīng)器未進行實質(zhì)上的創(chuàng)新。此外在生物反應(yīng)器研究方面還有基于細胞表面擴散的超聲波反應(yīng)器等

19、。21總結(jié)n近年來生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)研究，我們不難看出，提高反應(yīng)器的傳質(zhì)能力，降低剪切力一直是生物反應(yīng)器研究的重要方向。在這個方面出現(xiàn)的雙圓筒篩攪拌式生物反應(yīng)器，泡床式攪拌生物反應(yīng)器，脈沖混合式生物反應(yīng)器，螺旋導流筒生物反應(yīng)器等都是典型的代表。n另一方面結(jié)合特定的生物過程，在現(xiàn)有反應(yīng)器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)特殊的反應(yīng)器也取得了一定的突破，如固定化酶攪拌槳反應(yīng)器，螺旋管光照氣升式生物反應(yīng)器，還有還有文獻報道的特殊光源反應(yīng)器，超聲波反應(yīng)器等。222膜生物反應(yīng)器n膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，MBR)是將膜的高效分離技術(shù)與生物化學的反應(yīng)作用于一體的集成系統(tǒng)，將其應(yīng)用于物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化已成

20、為近年來生物過程工程研究中的熱點領(lǐng)域。n膜生物反應(yīng)器最早出現(xiàn)在酶制劑工業(yè)中。以MBR進行生物轉(zhuǎn)化已涉及多種領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍包括了環(huán)境保護、細胞培養(yǎng)、藥物合成、手性催化、香料生產(chǎn)等在內(nèi)的多個領(lǐng)域，顯示出了良好的發(fā)展勢頭。n隨著基因工程、材料科學特別是高分子材料科學的發(fā)展, 隨著高效固定化技術(shù)的開發(fā)以及過程設(shè)計的不斷優(yōu)化, 膜反應(yīng)器的應(yīng)用效率將會逐步提高, 其應(yīng)用領(lǐng)域也將會越來越廣泛。232.1特點n(1)為生物反應(yīng)提供溫和的條件，可以避免熱敏性物質(zhì)失活和其他的機械、物理和化學損壞；n(2)將生物催化、產(chǎn)物的分離、濃縮及酶的回收等操作步驟結(jié)合成一個操作單元， 簡化生產(chǎn)步驟；n(3)膜在反應(yīng)過程中可

21、以把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出來，消除或減輕產(chǎn)物抑制問題，提高產(chǎn)物得率和體積產(chǎn)率；n(4)截留生物催化劑，使細胞或酶在高濃度下運行，提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物濃度，減輕下一段的負荷， 同時可重復(fù)利用酶或細胞，降低成本；n(5)對具有多個副反應(yīng)的體系，可通過選擇適當?shù)哪ぃ诜磻?yīng)過程中將所需產(chǎn)物移走，截留反應(yīng)物和副反應(yīng)產(chǎn)物來提高反應(yīng)的最終選擇性；n(6)作為細胞和酶的固定化載體，如通過膜結(jié)構(gòu)的包裹作用進行酶的固定化， 使酶在一定空間內(nèi)呈閉鎖狀態(tài)，處于相對靜止的環(huán)境，免受機械傷害，且可以隔離對細胞和酶的生物活性不利的生存環(huán)境。242.2分類n依據(jù)酶膜反應(yīng)器的構(gòu)造或流體力學特性的不同,酶膜反應(yīng)器可分為連續(xù)攪

22、拌式反應(yīng)器(continue stirtank reactor. CSTR) 和活塞流動式反應(yīng)器( Plug flowtype ,PFT) 。無論哪種類型的反應(yīng)器,底物分子都需要同酶相接觸,因此也可根據(jù)酶與底物接觸方式將酶膜反應(yīng)器分為直接接觸式、擴散式和界面接觸式。n直接接觸式是指酶與底物直接接觸,即底物進入反應(yīng)器后自由酶就與之在溶液中進行反應(yīng),擴散式是指底物經(jīng)一個簡單的正相擴散通過膜的微孔與另一側(cè)的自由酶進行反應(yīng),中空纖維酶膜反應(yīng)器一般采用這種形式,而界面接觸式主要是指多相酶膜反應(yīng)器,酶固定在膜上與底物反應(yīng),生成的產(chǎn)物透過膜富集到另一相中。n在實際的生產(chǎn)使用中,也可根據(jù)酶膜反應(yīng)器的各個不同的

23、組成元素特征進行分類,根據(jù)酶的存在狀態(tài)、液相數(shù)目、膜組件型式、膜材酶的存在狀態(tài)、液相數(shù)目、膜組件型式、膜材料類型、反應(yīng)與分離耦合方式、傳質(zhì)推動力料類型、反應(yīng)與分離耦合方式、傳質(zhì)推動力等的不同進行分類。25n還可以根據(jù)膜的親疏性以及結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同進行分類。26根據(jù)酶的存在狀態(tài)分類n根據(jù)酶的存在狀態(tài), 可將酶膜反應(yīng)器分為游離態(tài)和固定化酶膜反應(yīng)器。n游離態(tài)酶膜反應(yīng)器中酶均勻地分布于反應(yīng)物相中, 酶促反應(yīng)在接近本征動力學的狀態(tài)下進行, 但酶易發(fā)生剪切失活或泡沫變性, 裝置性能受濃差極化和膜污染的顯著影響。n固定化酶膜反應(yīng)器中, 酶通過吸附、交聯(lián)、包埋、化學鍵合等方式被“束縛”在膜上, 酶裝填密度高,

24、反應(yīng)器穩(wěn)定性和生產(chǎn)能力高, 產(chǎn)品純度和質(zhì)量好, 廢物量少。但酶往往分布不均勻, 傳質(zhì)阻力也較大。27根據(jù)液相數(shù)目分類n根據(jù)液相數(shù)目的不同, 可將酶膜反應(yīng)器分為單液相(超濾式) 和雙液相酶膜反應(yīng)器。n單液相酶膜反應(yīng)器多用于底物分子量比產(chǎn)物大得多, 產(chǎn)物和底物能夠溶于同一種溶劑的場合。n雙液相酶膜反應(yīng)器多用于酶促反應(yīng)涉及兩種或兩種以上的底物, 而底物之間或底物與產(chǎn)物之間的溶解行為差別較大的場合。28根據(jù)膜組件型式分類n根據(jù)膜組件型式的不同, 可將酶膜反應(yīng)器分為板框式、螺旋卷式、管式和中空纖維式酶膜反應(yīng)器四種。n差別在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、裝填密度、膜的更換、抗污染能力、清洗、料液要求、成本等方面有所不同。

25、29根據(jù)膜材料類型分類n根據(jù)膜材料的不同, 可將酶膜反應(yīng)器分為高分子酶膜反應(yīng)器和無機酶膜反應(yīng)器。n高分子膜材料種類多, 制作方便, 成本低, 因而應(yīng)用較多。30根據(jù)反應(yīng)與分離耦合方式分類n根據(jù)反應(yīng)與分離的耦合方式不同, 可將酶膜反應(yīng)器分為一體式和循環(huán)式酶膜反應(yīng)器。n在一體式應(yīng)用方式中, 系統(tǒng)通常包含一個攪拌槽式反應(yīng)器加上一個膜分離單元。n在循環(huán)式應(yīng)用方式中, 膜既作為酶的載體, 同時又構(gòu)成分離單元。31根據(jù)傳質(zhì)推動力分類n根據(jù)傳質(zhì)推動力的不同, 可將酶膜反應(yīng)器分為壓差驅(qū)動、濃差驅(qū)動、電位差驅(qū)動的酶膜反應(yīng)器。322.3酶膜反應(yīng)器的應(yīng)用酶膜反應(yīng)器的應(yīng)用n目前, 酶膜反應(yīng)器主要用于有機相酶催化,手性

26、拆分與手性合成, 反膠團中的酶催化, 輔酶或輔助因子的再生, 生物大分子的分解等方面。332.3.1有機相酶催化、手性拆分與手性合成有機相酶催化、手性拆分與手性合成n有機相酶催化研究最多的是脂肪酶, 涉及的反應(yīng)類型有酯的水解、酯的合成和酯交換等。脂肪酶屬于界面活性酶, 特別適于在酶膜反應(yīng)器中應(yīng)用。n根據(jù)反應(yīng)介質(zhì)構(gòu)成的不同, 酶膜反應(yīng)器在有機相酶催化中的應(yīng)用形式有三種：單單相體系相體系、雙相體系雙相體系和反膠團體系反膠團體系。34單相體系n在單相體系中, 將酶固定在疏水高分子多孔膜上。含有底物的有機溶劑在膜的一側(cè)通入, 反應(yīng)后的產(chǎn)物通過篩分作用通過膜孔達到另一側(cè)。nTsai 等人用三種疏水性的高

27、分子膜通過物理吸附法固定脂肪酶，在帶有攪拌的擴散反應(yīng)器中進行了橄欖油水解實驗?？疾炝嗣负偷孜餄舛葘λ馑俾实挠绊?，發(fā)現(xiàn)酶活性在6 天左右的時間內(nèi)活性下降很大，判斷是由于酶的失活、產(chǎn)物抑制以及產(chǎn)物在膜與有機相界面處的吸附所致。35雙相體系n在雙相體系中有機相和水相分別在膜的一側(cè)流動。酶游離于其中一相或固定在膜上。該類酶膜反應(yīng)器又可以稱為雙液相酶膜反應(yīng)器、萃取酶膜反應(yīng)器或多相酶膜反應(yīng)器。nMatson在多相酶膜反應(yīng)器領(lǐng)域取得了不少領(lǐng)先性成果, 如氨基酸異構(gòu)體拆分, 手性藥物中間體的合成等。李樹本等人在堿催化連續(xù)原位消旋條件下, 利用脂肪酶催化的萘普生甲酯立體選擇性反應(yīng), 動態(tài)拆分制備S-萘普生。n

28、使用疏水硅橡膠膜隔離酶催化拆分和堿催化消旋反應(yīng), 解決了常規(guī)動態(tài)拆分中酶催化劑容易變性失活問題。為了利于從水-有機相乳化體系中分離產(chǎn)物以克服產(chǎn)物抑制, 將親水性膜引入攪拌槽反應(yīng)器, 在該膜反應(yīng)器中進行動態(tài)拆分, 當轉(zhuǎn)化率超過60% 時, 產(chǎn)物的對映體過量值(ee值) 仍在95% 以上。36雙相體系n姜忠義等人以溶解于正辛醇中的N -乙酰-D,L-苯丙氨酸乙酯消旋混合物為底物, 以磷酸鹽緩沖溶液為萃取劑, 將從Aspergillusm elleus 中提取的氨基酰化酶固定于聚丙烯腈中空纖維膜上作為催化劑, 通過膜反應(yīng)萃取過程, 實現(xiàn)了L-苯丙氨酸的高效手性合成。nDrioli利用固定有脂肪酶的多

29、相酶膜反應(yīng)器進行了萘普生消旋混合物的拆分。膜材料采用聚酰胺, 萘普生的酯類底物溶解在有機相中, 生成的產(chǎn)物被萃取進入水相。實驗中考察了pH 值、底物濃度、酶負載量等因素對拆分效率的影響。低聚肽因其重要的生物學功能和良好的應(yīng)用前景引起了學術(shù)界和工業(yè)界的重視。姜忠義等人研究了用多相酶膜反應(yīng)器進行了二肽N-Ac-L-Phe-L-Leu-NH2 的合成。APEE 的正辛醇溶液從中空纖維膜的管程通入并循環(huán), L-亮氨酰胺的磷酸鹽緩沖液(pH =7. 8) 從聚丙烯腈中空纖維膜的殼層通入并循環(huán)。兩股進料液擴散進入膜孔后, 由固定在膜中的脂肪酶催化而生成二肽, 二肽依據(jù)其溶解度被分配在水相或有機相中, 當超

30、過飽和溶解度后從液相沉淀出來。使反應(yīng)過程與分離過程有效耦合。37反膠團體系n近年來, 反膠團酶催化逐漸成為研究熱點。但由于反膠團存在難以與底物和產(chǎn)物分離而污染反應(yīng)系統(tǒng)的缺點, 一度成為制約反膠團技術(shù)發(fā)展的瓶頸。n一個解決辦法是用膜來截留反膠團。Cabral等人將胰蛋白酶包囊化于TTAB/庚烷/正辛醇反膠團中, 以易溶于水中的亮氨酰胺和易溶于有機相的乙酰苯丙氨酸乙酯為底物, 在膜反應(yīng)器中進行了二肽AcPheLeuNH2 的合成。由于二肽能夠選擇性地從反應(yīng)體系中沉淀析出,從而實現(xiàn)了酶促反應(yīng)與產(chǎn)物分離的有效集成,二肽收率達到70% 80% , 純度 92% , 產(chǎn)率為20g/g enzymed, 酶

31、的催化活性在7d 內(nèi)基本不衰減。n多數(shù)場合下, 由于反膠團系統(tǒng)的不穩(wěn)定性以及體系中存在構(gòu)成反膠團的表面活性劑單體, 給膜的有效截留帶來了相當大的困難。為此, Khmelnitsky等人首先采用將反膠團聚合的辦法, 以增大分子量并實現(xiàn)固相化, 從而有效地避免了表面活性劑的污染, 但這增加了過程的復(fù)雜性。382.3.2輔酶或輔助因子的再生輔酶或輔助因子的再生n氧化還原酶屬于酶工程中的重要酶種, 該類酶可以催化共價合成、能量轉(zhuǎn)移、基團轉(zhuǎn)移、氧化還原等多種類型的反應(yīng), 但催化作用大多需要昂貴的輔酶或輔助因子, 如NAD+ 、NADP+ 、A TP 或輔酶A 的參加。因此, 凡是有輔酶和輔助因子參與的反

32、應(yīng), 必須設(shè)有輔酶再生反應(yīng)系統(tǒng), 以通過輔酶和輔助因子的反復(fù)利用降低生產(chǎn)成本。n利用膜實現(xiàn)輔酶參加的酶促反應(yīng)與輔酶再生反應(yīng)相耦合可以取得較高的效率。耦合方式有兩種: 與另一個酶促反應(yīng)的耦合; 與同種酶的第二種底物反應(yīng)的耦合。與另一個酶促反應(yīng)的耦合的實現(xiàn)方式是以脫氫酶如醇脫氫酶、乳酸脫氫酶、葡萄糖脫氫酶等為催化劑作用于醇、乳酸、葡萄糖等廉價底物來實現(xiàn)輔酶的再生。第二種方式是采用同一種酶, 但附加了第二種底物,如醇脫氫酶在NADP+ 存在下, 可以合成甾族化合物, 同時又能利用第二種底物異丙醇的消耗實現(xiàn)NADP+ 的再生。39n由于輔酶和輔助因子的相對分子質(zhì)量較小, 為了能夠被膜有效截留, 可以將輔酶或輔助因子共價結(jié)合到聚乙二醇(PEG) 上。n輔酶再生膜反應(yīng)系統(tǒng)利用了兩個或兩個以上的酶, 為酶膜反應(yīng)器用于多酶固定化實現(xiàn)酶催化的串聯(lián)反應(yīng)建立了很好的原型。n在含有輔酶依賴型反應(yīng)的系統(tǒng)中, 負電荷膜常用來截留反應(yīng)器中的輔助因子。截留作用通過帶有負電荷的輔助因子與膜之間的靜電排斥力實現(xiàn)。用NTR 74