第七講 固定化酶反應器

1、Immobilized Enzyme （Cell）Reactor techniques and Its Applications三、固定化酶（細胞）的反應器三、固定化酶（細胞）的反應器 1. 固定化酶反應器的類型和特點固定化酶反應器的類型和特點 2. 固定化酶反應器的選擇依據(jù)固定化酶反應器的選擇依據(jù) 3. 固定化酶反應器的性能評價固定化酶反應器的性能評價 4. 固定化酶反應器的操作固定化酶反應器的操作1. 固定化酶反應器的類型和特點固定化酶反應器的類型和特點 反應器的形式很多，根據(jù)進料和出料的方反應器的形式很多，根據(jù)進料和出料的方式，可概括分為式，可概括分為間歇式間歇式和和連續(xù)式連續(xù)式兩大類，

2、兩大類，連續(xù)式連續(xù)式又有兩種基本形式：又有兩種基本形式：連續(xù)流動攪拌連續(xù)流動攪拌罐式反應器罐式反應器和和填充床填充床反應器反應器； 還有衍生還有衍生形式：形式：連續(xù)流動攪拌罐連續(xù)流動攪拌罐超濾膜超濾膜反應器反應器、循環(huán)反應器循環(huán)反應器和和流化床反應器流化床反應器等。等。各種反應器的示意圖各種反應器的示意圖S S 為 底為 底物 、物 、 P P為產(chǎn)為產(chǎn)物物 (a) 間歇式攪拌罐反應器間歇式攪拌罐反應器(batch stirred tank reactor，BSTR) (b) 連續(xù)流動攪拌罐反應器連續(xù)流動攪拌罐反應器(continuous flow stirred tank reactor，CS

3、TR) (c) 連續(xù)流動攪拌罐連續(xù)流動攪拌罐超濾膜反應器超濾膜反應器(combined CSTR/UF reactor，CSTR/UF) (d) 填充床反應器或平推流反應器填充床反應器或平推流反應器(packed bed reactor，PBR或或plug-flow reactor，PFR) (e) 循環(huán)反應器循環(huán)反應器(recycle reactor，RCR) (f) 流化床反應器流化床反應器(fluidized bed reactor，F(xiàn)BR)間歇式攪拌罐反應器間歇式攪拌罐反應器(BSTR)(BSTR) 間歇式攪拌罐反應器間歇式攪拌罐反應器也稱為也稱為分批分批攪拌反應攪拌反應器器 這這類反

4、應器的結構簡單，主要設有夾套或類反應器的結構簡單，主要設有夾套或盤管裝置，以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控盤管裝置，以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控制反應溫度。這類反應器主要用于制反應溫度。這類反應器主要用于游離酶游離酶(enzyme reactor)反應。反應。 將酶與底物一起加入反應器內(nèi)，控制反應將酶與底物一起加入反應器內(nèi)，控制反應條件，待達到預期轉化率后，隨即放條件，待達到預期轉化率后，隨即放料。料。 在在這種情況下，一般不回收這種情況下，一般不回收游離酶游離酶。當前。當前在食品和飲料工業(yè)中常用這種反應器。在食品和飲料工業(yè)中常用這種反應器。 如果把固定化酶用于如果把固定化酶用于間歇反應器間歇反應器，

5、則每批，則每批反應都要從流出液中分離出產(chǎn)物和固定化反應都要從流出液中分離出產(chǎn)物和固定化酶，可以采用酶，可以采用過濾過濾或或離心法離心法將固液分開。將固液分開。 由于由于酶經(jīng)過反復循環(huán)回收，會失去活性，酶經(jīng)過反復循環(huán)回收，會失去活性，所以在工業(yè)生產(chǎn)中的所以在工業(yè)生產(chǎn)中的固定化酶很少采用間固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應器。歇式攪拌罐反應器。連續(xù)流動攪拌連續(xù)流動攪拌罐反應器罐反應器(CSTR) 連續(xù)流動攪拌罐反應器連續(xù)流動攪拌罐反應器在結構上與間歇式在結構上與間歇式反應器基本相同，只不過是連續(xù)反應器基本相同，只不過是連續(xù)進料進料、連、連續(xù)續(xù)出出料料。 由于由于它具有它具有攪拌系統(tǒng)攪拌系統(tǒng)，反應器內(nèi)

6、的各組成，反應器內(nèi)的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。出液的組成相一致。 其缺點是，由于其缺點是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的容易引起固定化酶的破壞破壞。 近來近來有一種有一種改良改良的的連續(xù)流動攪拌罐反應器連續(xù)流動攪拌罐反應器（CSTR）。改良的改良的CSTR 是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在與攪拌軸一起轉動的金屬網(wǎng)筐或者放置在與攪拌軸一起轉動的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，這樣既能保證反應液攪拌均勻，又不內(nèi)，這樣既能保證反應液攪拌均勻，又不致?lián)p壞固定化酶。

7、致?lián)p壞固定化酶。填充床反應器填充床反應器(PBR)(PBR) PBR（Packed bed reactor）這種反應器這種反應器的使用最普遍，到目前為止，已發(fā)表的固的使用最普遍，到目前為止，已發(fā)表的固定化酶反應器的研究工作主要集中在填充定化酶反應器的研究工作主要集中在填充床床反應器。反應器。 固定化酶固定化酶通?？梢愿鞣N形狀，如球形、碎通常可以各種形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內(nèi)。片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內(nèi)。 它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原

8、蛋白薄膜片葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。等。 近年來近年來，球形微囊體也用于填充床。，球形微囊體也用于填充床。 在填充床反應器內(nèi)在填充床反應器內(nèi)流體的流動型態(tài)流體的流動型態(tài)接近于接近于平推流平推流(又稱活塞流又稱活塞流)流型，所以填充床反應流型，所以填充床反應器可近似認為是一種器可近似認為是一種平推（活塞）流反應平推（活塞）流反應器器(Plug-flow reactor，PFR)。這種反應器。這種反應器運轉時，底物按照一定的方向以恒定流速運轉時，底物按照一定的方向以恒定流速通過反應床。通過反應床。 根據(jù)底物的流動方式，又有根據(jù)底物的流動方式，又有下向流動下向流動、上上向流動和循環(huán)流動之分向流動

9、和循環(huán)流動之分。工業(yè)生產(chǎn)中，液。工業(yè)生產(chǎn)中，液流方向流方向常用上向方式常用上向方式，這樣可以避免下向，這樣可以避免下向流動的液壓對柱床的影響，尤其對生產(chǎn)氣流動的液壓對柱床的影響，尤其對生產(chǎn)氣體的反應更為重要。體的反應更為重要。 PBR或或PFRpacked bed reactor，PBRplug-flow reactor，PFR 在在填充床式反應器填充床式反應器使用過程中，底層的固使用過程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底層固定化酶顆粒所受到的壓力，層固定化酶顆粒所受到的壓

10、力，可以在反可以在反應器中間用托板分隔。應器中間用托板分隔。 填充床式反應器填充床式反應器的優(yōu)點是設備簡單，操作的優(yōu)點是設備簡單，操作方便，單位體積反應床的固定化酶密度大。方便，單位體積反應床的固定化酶密度大。在工業(yè)生產(chǎn)中普通使用在工業(yè)生產(chǎn)中普通使用。流化床反應器流化床反應器(FBR) 在流化床反應器（在流化床反應器（FBR）內(nèi)，底物溶液以）內(nèi)，底物溶液以足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態(tài)，達到混合的目的。固體顆粒處于流化狀態(tài)，達到混合的目的。流速應以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆流速應以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應床為宜粒溢出

11、反應床為宜。在。在FBR中，由于混合中，由于混合程度高，故傳熱、傳質(zhì)情況良好。程度高，故傳熱、傳質(zhì)情況良好。 FBR FBR可用于可用于處理粘性強處理粘性強和和含有固體顆粒含有固體顆粒的的底物，也可用于底物，也可用于需要供應氣體或排放氣體需要供應氣體或排放氣體的反應。對于停留時間較短的反應也可用的反應。對于停留時間較短的反應也可用FBR。流化床流化床反應器反應器FBR 在實際應用過程中，要注意在實際應用過程中，要注意控制好底物溶控制好底物溶液和反應液的流動速度液和反應液的流動速度。流動。流動速度過低速度過低時，時，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動狀態(tài)；難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動狀態(tài)；流動速度

12、流動速度過高時，則催化反應不完全，甚過高時，則催化反應不完全，甚至會使固定化酶的結構受到損壞。至會使固定化酶的結構受到損壞。FBR 為了保證一定的流動速度，并使催化反應為了保證一定的流動速度，并使催化反應更為完全，必要時更為完全，必要時流出的反應液可以部分流出的反應液可以部分循環(huán)進入反應器。循環(huán)進入反應器。FBR 流化床式反應器流化床式反應器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和熱效果好，溫度和pH的調(diào)節(jié)控制比較容易，的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大的反應液不易堵塞，對粘度較大的反應液也可進行也可進行催化反應等特點。催化反應等特點。FBR 然而，在這種反應器中，由

13、于固定化酶不然而，在這種反應器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動狀態(tài)，流體流動產(chǎn)生的剪斷處于懸浮翻動狀態(tài)，流體流動產(chǎn)生的剪切力以及固定化酶的碰撞會使固定化酶顆切力以及固定化酶的碰撞會使固定化酶顆粒受到粒受到破壞。破壞。 此外此外，流體動力學變化較大，參數(shù)復雜，流體動力學變化較大，參數(shù)復雜，故放大反應較為故放大反應較為困難困難。循環(huán)反應器循環(huán)反應器(RCR)(RCR) RCR這種反應器是讓部分反應液流出，和這種反應器是讓部分反應液流出，和新加入的底物流入液混合，再進入反應床新加入的底物流入液混合，再進入反應床進行循環(huán)。其特點是進行循環(huán)。其特點是可以提高液體的流速可以提高液體的流速和減少底物向固定化

14、酶表面?zhèn)鬟f的阻力，和減少底物向固定化酶表面?zhèn)鬟f的阻力，可以達到較高的轉化率可以達到較高的轉化率。當反應底物是不當反應底物是不溶性物質(zhì)時溶性物質(zhì)時，不可以，不可以采用循環(huán)反應器。采用循環(huán)反應器。RCR連續(xù)流動攪拌罐一超濾膜反應器連續(xù)流動攪拌罐一超濾膜反應器 CSTR/UF是由連續(xù)流動攪拌罐反應器和超是由連續(xù)流動攪拌罐反應器和超濾裝置組合而成的反應器。它在連續(xù)攪拌濾裝置組合而成的反應器。它在連續(xù)攪拌反應罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，反應罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許這種膜只允許產(chǎn)物和未曾反應的底物通過，產(chǎn)物和未曾反應的底物通過，相對分子質(zhì)量大的酶被截留相對分子質(zhì)量大的酶被截留，可以

15、使酶反，可以使酶反復使用。復使用。CSTR/UF 此外這種反應器還可以使此外這種反應器還可以使相對分子質(zhì)量小相對分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相對分子質(zhì)量大的底物分開的產(chǎn)物和相對分子質(zhì)量大的底物分開，使，使底物徹底轉化。底物徹底轉化。其他反應器其他反應器 除上述反應器外，還有除上述反應器外，還有淤漿反應器淤漿反應器、滴流滴流床反應器床反應器、氣栓式流動反應器氣栓式流動反應器、轉盤式反轉盤式反應器應器、篩板反應器及篩板反應器及不同類型反應器的結不同類型反應器的結合等。合等。 1. 固定化酶反應器的類型和特點固定化酶反應器的類型和特點 2. 固定化酶反應器的選擇依據(jù)固定化酶反應器的選擇依據(jù) 3. 固定化酶反應

16、器的性能評價固定化酶反應器的性能評價 4. 固定化酶反應器的操作固定化酶反應器的操作2. 固定化酶反應器的選擇依據(jù)固定化酶反應器的選擇依據(jù) 根據(jù)固定化酶的根據(jù)固定化酶的形狀形狀來選擇來選擇 根據(jù)底物的根據(jù)底物的物理性質(zhì)物理性質(zhì)來選擇來選擇 根據(jù)酶根據(jù)酶反應的動力學反應的動力學特性來選擇特性來選擇 根據(jù)根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇的影響來選擇 根據(jù)根據(jù)操作要求及反應器費用操作要求及反應器費用來選擇來選擇 根據(jù)固定化酶的形狀來選擇根據(jù)固定化酶的形狀來選擇 溶液酶由于回收困難，一般只適用于溶液酶由于回收困難，一般只適用于BSTR。帶有超濾器的帶有超濾器的CSTR/UF，雖

17、然可以解決反，雖然可以解決反復使用的問題，但是常因復使用的問題，但是常因超濾膜吸附和濃超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還高流速的超濾還可能因為剪切力大而造成酶的失活可能因為剪切力大而造成酶的失活。 顆粒狀和片狀的固定化酶對顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和和PBR類類型的反應器均可適用，但膜狀和纖維狀的型的反應器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于固定化酶僅適用于PBR。 如果如果固定化酶容易變形、易粘結或顆粒細固定化酶容易變形、易粘結或顆粒細小時，采用小時，采用FBR較為適宜。較為適宜。根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇 溶解性或濁液性

18、底物溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應，對任何類型的反應器都器都適用；適用； 顆粒顆粒狀和膠狀底物狀和膠狀底物，往往會，往往會堵塞填充床堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和和RCR以減少底物顆粒的集結、沉積和堵塞，以減少底物顆粒的集結、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。使底物保持懸浮狀態(tài)。 對于對于高流速攪拌的高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過如果攪拌速度過高又會使固定化酶從載體上被剪切下來，高又會使固定化酶從載體上被剪切下來，所以攪拌速度不能太高。所以攪拌速度不能太高。 根據(jù)酶反應的動力學特性來選擇根據(jù)酶反應的動力學特性來選擇 選擇反應器，必須考慮酶反應的

19、動力學選擇反應器，必須考慮酶反應的動力學特特性。性。 接 近接 近 平 推 流 特 性 的 填 充 床 反 應 器平 推 流 特 性 的 填 充 床 反 應 器(PFR/PBR)，在固定化酶反應器中占有主，在固定化酶反應器中占有主導地位，它適合于導地位，它適合于產(chǎn)物產(chǎn)物對酶活性具有抑制對酶活性具有抑制作用的作用的反應。反應。 PFR（平推流反應器平推流反應器）和和CSTR相比，總效相比，總效率率PFR優(yōu)于優(yōu)于CSTR，特別是當，特別是當產(chǎn)物產(chǎn)物對反應有對反應有抑制作用時，抑制作用時，PFR的優(yōu)越性更顯突出。的優(yōu)越性更顯突出。 若若底物底物表現(xiàn)出對酶的活性有抑制作用時，表現(xiàn)出對酶的活性有抑制作用

20、時，CSTR所受的影響要比所受的影響要比PFR少少一些。一些。 酶酶反應器的催化反應速度，一般是反應器的催化反應速度，一般是CSTR型型隨隨攪拌速度攪拌速度加快而增加，加快而增加，PFR型隨型隨流速流速增增加而加而加快。加快。 PFR：平推流反應器平推流反應器根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇 在反應器的運轉過程中，由于在高速攪拌在反應器的運轉過程中，由于在高速攪拌時，高速液流的沖擊，常常會使固定化酶時，高速液流的沖擊，常常會使固定化酶從載體上脫落下來，或由于磨損，引起粒從載體上脫落下來，或由于磨損，引起粒度的減小而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性，度的減小而影響

21、固定化酶的操作穩(wěn)定性，其中以其中以CSTR最為嚴重最為嚴重。 為解決這一為解決這一問題可以改進反應器的設計問題可以改進反應器的設計 如如把把酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)籃化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)籃內(nèi)內(nèi)。 這些這些措施均可使酶免遭剪切，減少了外界措施均可使酶免遭剪切，減少了外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的不利影響。環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的不利影響。 根據(jù)操作要求及反應器費用來選擇根據(jù)操作要求及反應器費用來選擇 有些酶反應需要不斷有些酶反應需要不斷調(diào)整調(diào)整pH，有的需，有的需供氧供氧，有的需補充有的需補充反應物或補充反應物或補充酶酶。 所有所有這些操

22、作，在這些操作，在CSTR中可無需中斷而中可無需中斷而連連續(xù)進行；續(xù)進行； 在在其他反應器中則比較困難，需要由特殊其他反應器中則比較困難，需要由特殊設計來解決。設計來解決。BSTR和和CSTR的共同特征：的共同特征： 結構結構簡單、操作方便、適用面廣簡單、操作方便、適用面廣(可用于粘可用于粘性或不溶性底物的轉化加工性或不溶性底物的轉化加工)，在，在底物底物表現(xiàn)表現(xiàn)出抑制作用時可獲得較高的轉化出抑制作用時可獲得較高的轉化產(chǎn)率；產(chǎn)率； 但是但是在產(chǎn)物表現(xiàn)出抑制作用時底物的轉化在產(chǎn)物表現(xiàn)出抑制作用時底物的轉化率就會降低。率就會降低。BSTR可用于溶液酶的催化反可用于溶液酶的催化反應，它的操作也比應，

23、它的操作也比CSTR簡便。簡便。 平推流反應器（平推流反應器（plug-flow reactor） PFR最突出的優(yōu)越性在于它有較高的轉化最突出的優(yōu)越性在于它有較高的轉化效率，尤其是當效率，尤其是當產(chǎn)物產(chǎn)物抑制酶反應時，其轉抑制酶反應時，其轉化效率明顯優(yōu)于化效率明顯優(yōu)于BSTR和和CSTR。 PFR的缺點是用小顆粒固定化酶時，可能的缺點是用小顆粒固定化酶時，可能產(chǎn)生產(chǎn)生壓密現(xiàn)象壓密現(xiàn)象；如果底物是不溶性的或粘；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應器不適用。性的，這類反應器不適用。 流化床反應器 FBR的優(yōu)點是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，的優(yōu)點是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或

24、粘性底物的不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉化，低壓降。但是它消耗動力大，不易轉化，低壓降。但是它消耗動力大，不易直接模仿放大。直接模仿放大。 CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；如果長時間運轉，會不溶性或粘性底物；如果長時間運轉，會使酶的穩(wěn)定性降低，也容易被超濾膜吸附，使酶的穩(wěn)定性降低，也容易被超濾膜吸附，并產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。并產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。 RCR的轉化率高，可以采用高速液流克服的轉化率高，可以采用高速液流克服外擴散的限制；但是它的設備成本高。外擴散的限制；但是它的設備成本高。 若考慮反應器的價格，若考慮反應器的價格，CSTR最便宜

25、，它結最便宜，它結構簡單，又具有良好的操作性，適應性構簡單，又具有良好的操作性，適應性強。強。 此外此外還應考慮固定化酶本身的費用以及在還應考慮固定化酶本身的費用以及在各種反應器中的各種反應器中的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 綜上所述，綜上所述，在反應器的選擇上并無固定模在反應器的選擇上并無固定模式可循，必須根據(jù)上述各項條件綜合權衡，式可循，必須根據(jù)上述各項條件綜合權衡，才能做出正確的決定。才能做出正確的決定。3. 固定化酶反應器的性能評價固定化酶反應器的性能評價影響酶反應器性能的因素很多，一般可以從影響酶反應器性能的因素很多，一般可以從以下幾個方面考慮：以下幾個方面考慮： 固定化酶的形狀固定化酶的形狀

26、底物的物理性質(zhì)底物的物理性質(zhì) 固定化酶的穩(wěn)定性固定化酶的穩(wěn)定性 酶反應動力學特性酶反應動力學特性 固定化酶的形狀固定化酶的形狀 通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均片狀固定化酶均適用于適用于CSTR。 膜膜狀、纖維狀固定化酶不適用于狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。 其中其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應器。器。 粉狀固定化酶或者易變形、易粘結的固定粉狀固定化酶或者易變形、易粘結的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產(chǎn)生高壓化酶，由于它們易造成

27、堵塞，并產(chǎn)生高壓力降，而無法實現(xiàn)高流速，此時，可采用力降，而無法實現(xiàn)高流速，此時，可采用流化床反應器流化床反應器(FBR)。 FBR-流化床反應器流化床反應器底物的物理性質(zhì)底物的物理性質(zhì) 底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應器的重要底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應器的重要因素。因素。 可溶性可溶性底物底物適用于各類適用于各類反應器。反應器。 難難溶底物溶底物或者或者呈膠體溶液底物呈膠體溶液底物，易堵塞柱，易堵塞柱床，可選用床，可選用FBR。 只要攪拌速度足夠高，只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護顆粒狀能維護顆粒狀底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態(tài)，所底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態(tài)，所以顆粒狀底物溶液可適用

28、于以顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。 但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應適當控制攪拌此，應適當控制攪拌速度。速度。 當當反應過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)反應過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時，選時，選用用CSTR更為方便。更為方便。 固定化酶穩(wěn)定性固定化酶穩(wěn)定性 在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會使酶從載體上剪切作用，常會使酶從載體上脫落下來；脫落下來； 或者或者由于磨損而使粒皮變細，從而影響固由于磨損而使粒皮變細，從而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性。其中，尤以定化酶的操作穩(wěn)定性。其中，尤以CSTR最最為嚴重。為嚴重

29、。 解決這一問題的方法解決這一問題的方法是設計特殊的是設計特殊的CSTR反反應器。應器。 如把如把酶直接粘結在攪拌軸上，或者把固定酶直接粘結在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)筐化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)筐內(nèi)內(nèi)。 這些這些措施均可減弱對酶的剪切作用，有利措施均可減弱對酶的剪切作用，有利于提高酶的穩(wěn)定性。于提高酶的穩(wěn)定性。酶反應動力學特性酶反應動力學特性 酶反應動力學特性亦是選擇反應器的一個酶反應動力學特性亦是選擇反應器的一個重要依據(jù)。在酶工程中，接近平推流特性重要依據(jù)。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應器的固定床反應器(PBR)，在固定化酶反應器，在固定化酶反應器中占有主導中占

30、有主導地位。地位。 固定床反應器固定床反應器（PBR）適用于有適用于有產(chǎn)物抑制產(chǎn)物抑制的轉化反應，但在有的轉化反應，但在有底物抑制底物抑制的反應系統(tǒng)的反應系統(tǒng)中，中，CSTR的性能優(yōu)于的性能優(yōu)于固定床反應器固定床反應器。 PBR的流動特性接近于的流動特性接近于CSTR，因此也適用，因此也適用于有底物抑制的轉化于有底物抑制的轉化反應。反應。 循環(huán)反應器循環(huán)反應器的回流溶液中含有產(chǎn)物，所以的回流溶液中含有產(chǎn)物，所以不宜用于有不宜用于有產(chǎn)物抑制產(chǎn)物抑制的轉化反應。的轉化反應。 反應器的性能評價應盡可能在模擬原生產(chǎn)反應器的性能評價應盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進行，通過條件下進行，通過測定活性、穩(wěn)定性、選

31、測定活性、穩(wěn)定性、選擇性、達到的產(chǎn)物產(chǎn)量、底物轉化率擇性、達到的產(chǎn)物產(chǎn)量、底物轉化率等，等，來衡量其加工制造來衡量其加工制造質(zhì)量。質(zhì)量。 測定測定的主要參數(shù)有的主要參數(shù)有空時、空速、轉化率、空時、空速、轉化率、生產(chǎn)強度。生產(chǎn)強度。 空時空時是指底物在反應器中的停留時間，數(shù)是指底物在反應器中的停留時間，數(shù)值上等于值上等于反應器體積反應器體積與與底物體積流速底物體積流速之比，之比，又常稱為又常稱為稀釋稀釋率率。 當當?shù)孜锘虍a(chǎn)物不穩(wěn)定或容易產(chǎn)生副產(chǎn)物時，底物或產(chǎn)物不穩(wěn)定或容易產(chǎn)生副產(chǎn)物時，應使用高活性酶，并盡可能縮短反應物在應使用高活性酶，并盡可能縮短反應物在反應器內(nèi)的反應器內(nèi)的停留時間。停留時間。

32、 空速空速定義為定義為空時空時的倒數(shù)。的倒數(shù)。 空時、空速這兩個指標一般用于連續(xù)反應空時、空速這兩個指標一般用于連續(xù)反應器。器。 轉化率轉化率是指每克底物中有多少被轉化為是指每克底物中有多少被轉化為產(chǎn)產(chǎn)物。物。 在在設計時，應考慮盡可能設計時，應考慮盡可能利用最少的原料利用最少的原料得到最多的產(chǎn)物得到最多的產(chǎn)物。只要有可能，使用純酶。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應器內(nèi)的非理想和純的底物，以及減少反應器內(nèi)的非理想流動，均有利于選擇性反應。流動，均有利于選擇性反應。 使用使用高濃度的反應物對產(chǎn)物的分離高濃度的反應物對產(chǎn)物的分離也是有也是有利的，特別是當生物催化劑選擇性高而反利的，特別

33、是當生物催化劑選擇性高而反應不可逆時更加有利，同時也可以使需分應不可逆時更加有利，同時也可以使需分離的溶劑量大大降低。離的溶劑量大大降低。 酶反應器的酶反應器的生產(chǎn)強度生產(chǎn)強度以每小時每升反應器以每小時每升反應器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示，主要取決于，主要取決于酶的特性、濃度及反應器特性、操作方法酶的特性、濃度及反應器特性、操作方法等。等。 使用高酶濃度及減小停留時間有利于生產(chǎn)使用高酶濃度及減小停留時間有利于生產(chǎn)強度的提高，但并不是酶濃度越高、停留強度的提高，但并不是酶濃度越高、停留時間越短越好，這樣會造成浪費，在經(jīng)濟時間越短越好，這樣會造成浪費，在經(jīng)濟上不合算。上不合算

34、。 總體而言，酶反應器的設計應該是在經(jīng)濟、總體而言，酶反應器的設計應該是在經(jīng)濟、合理的基礎上提高生產(chǎn)合理的基礎上提高生產(chǎn)強度。強度。 由于由于酶對熱是相對不穩(wěn)定的，設計時還應酶對熱是相對不穩(wěn)定的，設計時還應特別注意特別注意質(zhì)與熱的傳遞質(zhì)與熱的傳遞，最佳的傳質(zhì)與傳，最佳的傳質(zhì)與傳熱的轉移可獲得最大的產(chǎn)率。熱的轉移可獲得最大的產(chǎn)率。 4. 固定化酶反應器的操作固定化酶反應器的操作 在應用酶反應器進行催化反應的過程中，在應用酶反應器進行催化反應的過程中，要充分發(fā)揮酶的催化功能，除了要充分發(fā)揮酶的催化功能，除了選用高質(zhì)選用高質(zhì)量的酶量的酶、選擇適宜的酶應用形式、選擇或選擇適宜的酶應用形式、選擇或設計適

35、宜的酶反應器設計適宜的酶反應器以外，還要在酶反應以外，還要在酶反應器的應用過程中，確定器的應用過程中，確定適宜的操作條件適宜的操作條件并并根據(jù)變化的情況進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)控制。根據(jù)變化的情況進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)控制。 酶酶反應器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制反應器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制 酶酶反應器應用的注意事項反應器應用的注意事項 酶酶反應器生產(chǎn)能力下降的原因及對策反應器生產(chǎn)能力下降的原因及對策 酶反應器的操作條件主要包括酶反應器的操作條件主要包括底物濃度、底物濃度、酶濃度、溫度、酶濃度、溫度、pH、反應液的混合與流動、反應液的混合與流動等。等。底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制 酶的催化

36、作用是底物在酶的作用下轉化為酶的催化作用是底物在酶的作用下轉化為產(chǎn)物的產(chǎn)物的過程。過程。 底物底物濃度是決定酶催化反應速度的主要因濃度是決定酶催化反應速度的主要因素。素。 在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速度與底物濃度成正比，反應速度隨著底物度與底物濃度成正比，反應速度隨著底物濃度的增加而濃度的增加而升高。升高。 當當?shù)孜餄舛冗_到一定的數(shù)值時，反應速度底物濃度達到一定的數(shù)值時，反應速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向趨向平衡。平衡。 底物底物濃度過低，反應速度慢；底物濃度過濃度過低，反應速度慢；底物濃度過高，反應

37、液的粘度增加高，反應液的粘度增加。有些酶還會受到。有些酶還會受到高底物濃度的高底物濃度的抑制作用抑制作用。 因此，在酶催化反應過程中，要確定一個因此，在酶催化反應過程中，要確定一個適宜的底物濃度范圍。適宜的底物濃度范圍。 對于分批對于分批式反應器（式反應器（BSTR）：首先）：首先將將一定一定濃度的底物溶液引進反應器濃度的底物溶液引進反應器，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)pH，將，將溫度調(diào)節(jié)到適宜的溫度，然后加進適量的溫度調(diào)節(jié)到適宜的溫度，然后加進適量的酶液進行反應。酶液進行反應。 為了為了防止高濃度底物引起的抑制作用防止高濃度底物引起的抑制作用，可，可以采用以采用逐步流加底物逐步流加底物的方法，即先將一部的方法

38、，即先將一部分底物和酶加到反應器中進行反應，隨著分底物和酶加到反應器中進行反應，隨著反應的進行，底物濃度逐步降低以后，再反應的進行，底物濃度逐步降低以后，再連續(xù)或分次地將一定濃度的底物溶液添加連續(xù)或分次地將一定濃度的底物溶液添加到反應器中進行到反應器中進行反應。反應。 通過通過分批流加的操作方式分批流加的操作方式，反應體系中底，反應體系中底物濃度保持在較低的水平，可以避免或減物濃度保持在較低的水平，可以避免或減少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反應的應的速率。速率。 對于對于連續(xù)式反應器（連續(xù)式反應器（CSTR），則將配制好則將配制好的一定濃度的底物溶液連續(xù)

39、地加進反應器的一定濃度的底物溶液連續(xù)地加進反應器中進行反應，反應器中底物濃度保持恒定，中進行反應，反應器中底物濃度保持恒定，反應液連續(xù)地排出。反應液連續(xù)地排出。 酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制 根據(jù)酶反應動力學研究結果，在底物濃度根據(jù)酶反應動力學研究結果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應速度與酶濃足夠高的條件下，酶催化反應速度與酶濃度成正比，度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反提高酶濃度，可以提高催化反應的應的速度速度。 然而，然而，酶濃度的提高必然會增加費用，所酶濃度的提高必然會增加費用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對于價格以酶濃度不是越高越好，特別是對于價格高的酶，必須

40、綜合考慮反應速度和成本，高的酶，必須綜合考慮反應速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。確定一個適宜的酶濃度。 在酶使用過程中，特別是連續(xù)使用較長的在酶使用過程中，特別是連續(xù)使用較長的一段時間以后，必然會有一部分酶失活，一段時間以后，必然會有一部分酶失活，所以需要進行補充或更換，以保持一定的所以需要進行補充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，酶濃度。因此，連續(xù)式固定化酶反應器應連續(xù)式固定化酶反應器應具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結構簡單，操作容易。裝置的結構簡單，操作容易。反應溫度的確定與調(diào)節(jié)控制反應溫度的確定與調(diào)節(jié)控制 酶催化作用受溫度的影響非常顯著，

41、酶的酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶的催化反應有一個最適溫度，溫度過低，反催化反應有一個最適溫度，溫度過低，反應速度減慢；溫度過高，會引起酶的變性應速度減慢；溫度過高，會引起酶的變性失活。因此，失活。因此，在酶反應器的應用過程中，在酶反應器的應用過程中，要根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應要根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應的最適溫度，并將反應溫度控制在適宜的的最適溫度，并將反應溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)。溫度范圍內(nèi)。 在溫度發(fā)生變化時，要及時進行調(diào)節(jié)。一在溫度發(fā)生變化時，要及時進行調(diào)節(jié)。一般酶反應器中均安裝有夾套或列管等換熱般酶反應器中均安裝有夾套或列管等換熱裝置，里面通入一定溫度的水，裝

42、置，里面通入一定溫度的水，通過熱交通過熱交換作用，保持反應器中反應液的溫度恒定換作用，保持反應器中反應液的溫度恒定在一定的范圍內(nèi)在一定的范圍內(nèi)。如果采用噴射式反應器，。如果采用噴射式反應器，則通過控制水蒸氣的壓力，以達到控制溫則通過控制水蒸氣的壓力，以達到控制溫度的目的。度的目的。pH的確定與調(diào)節(jié)控制的確定與調(diào)節(jié)控制 反應液的反應液的pH對酶催化反應有明顯影響，由對酶催化反應有明顯影響，由于酶催化反應都有一個最適于酶催化反應都有一個最適pH值，值，pH過高過高或過低都會使反應速度減慢，甚至使酶變或過低都會使反應速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，性失活。因此，在酶催化反應過程中，要在酶催化反應過

43、程中，要根據(jù)酶的動力學特性確定酶催化反應的最根據(jù)酶的動力學特性確定酶催化反應的最適適pH，并將反應液的，并將反應液的pH維持在適宜的范圍維持在適宜的范圍內(nèi)。內(nèi)。 采用分批式反應器進行酶催化反應時，通采用分批式反應器進行酶催化反應時，通常在加入酶液之前，先用常在加入酶液之前，先用稀酸或稀堿將底稀酸或稀堿將底物溶液調(diào)節(jié)到酶的最適物溶液調(diào)節(jié)到酶的最適pH，然后加酶進行，然后加酶進行催化反應；對于在連續(xù)式反應器中進行的催化反應；對于在連續(xù)式反應器中進行的酶催化反應，一般將調(diào)節(jié)好酶催化反應，一般將調(diào)節(jié)好pH的底物溶液的底物溶液(必要時必要時采用緩沖溶液配制采用緩沖溶液配制)連續(xù)加到反應器連續(xù)加到反應器中

44、。中。 有些酶催化反應前后的有些酶催化反應前后的pH變化不大變化不大，如，如-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反應過程淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反應過程中，中，pH基本恒定，在反應過程中不需進行基本恒定，在反應過程中不需進行pH的調(diào)節(jié)。的調(diào)節(jié)。 而有些酶的底物或者產(chǎn)物是一種酸或堿，而有些酶的底物或者產(chǎn)物是一種酸或堿，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖與氧氣反應例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖與氧氣反應生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反應前后生成醋酸等，反應前后pH的變化較大的變化較大，在，在反應過程中需進行必要的調(diào)節(jié)。反應過程中需進行必要的調(diào)節(jié)。 pH的調(diào)節(jié)

45、通常采用的調(diào)節(jié)通常采用稀酸溶液或稀堿溶液稀酸溶液或稀堿溶液進進行，加入稀酸或稀堿溶液時，要一邊攪拌行，加入稀酸或稀堿溶液時，要一邊攪拌一邊緩慢添加，以防止局部過酸或過堿，一邊緩慢添加，以防止局部過酸或過堿，必要時可以采用必要時可以采用緩沖溶液配制底物溶液緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應液的以維持反應液的pH。攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制 酶在進行催化反應時，首先要與底物結合，酶在進行催化反應時，首先要與底物結合，然后才能進行催化反應。要使酶能夠與底然后才能進行催化反應。要使酶能夠與底物結合，就必須物結合，就必須保證酶與底物混合均勻保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分子能夠

46、使酶分子與底物分子能夠進行有效碰撞進行有效碰撞，進而互相結合進行催化反應。進而互相結合進行催化反應。 在攪拌罐式反應器和游離酶膜反應器中，在攪拌罐式反應器和游離酶膜反應器中，都設計安裝有攪拌裝置，通過適當?shù)臄嚢瓒荚O計安裝有攪拌裝置，通過適當?shù)臄嚢鑼崿F(xiàn)均勻的混合。因此，首先要在實驗的實現(xiàn)均勻的混合。因此，首先要在實驗的基礎上基礎上確定適宜的攪拌速度確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況，并根據(jù)情況的變化進行攪拌速度的調(diào)節(jié)。的變化進行攪拌速度的調(diào)節(jié)。 攪拌速度攪拌速度過慢過慢，會影響混合的均勻性；攪，會影響混合的均勻性；攪拌拌過快過快，產(chǎn)生的剪切力會使酶的結構受到，產(chǎn)生的剪切力會使酶的結構受到影響，尤其是

47、會使固定化酶的結構破壞，影響，尤其是會使固定化酶的結構破壞，而影響催化反應的進行。而影響催化反應的進行。 流動速度的確定與調(diào)節(jié)控制流動速度的確定與調(diào)節(jié)控制 在在連續(xù)式酶反應器連續(xù)式酶反應器中，底物溶液連續(xù)地進中，底物溶液連續(xù)地進入反應器，同時反應液連續(xù)地排出，通過入反應器，同時反應液連續(xù)地排出，通過溶液的流動實現(xiàn)酶與底物的混合和溶液的流動實現(xiàn)酶與底物的混合和催化催化。 為了為了使催化反應高效進行，要控制好液體使催化反應高效進行，要控制好液體的流速和流動狀態(tài)，以保證混合均勻，并的流速和流動狀態(tài)，以保證混合均勻，并且不會影響酶的催化作用。且不會影響酶的催化作用。 對于對于流化床反應器流化床反應器（

48、FBE），），如果流體流如果流體流速速過慢過慢，固定化酶顆粒就不能很好飄浮翻，固定化酶顆粒就不能很好飄浮翻動，甚至沉積在反應器底部，從而影響酶動，甚至沉積在反應器底部，從而影響酶與底物的均勻接觸和催化反應的順利進行，與底物的均勻接觸和催化反應的順利進行，乃至產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，影響底物溶液順利進乃至產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，影響底物溶液順利進入反應器。入反應器。 如果流體如果流體流速過高流速過高或流動狀態(tài)混亂，則固或流動狀態(tài)混亂，則固定化酶顆粒在反應器中激烈翻動、碰撞，定化酶顆粒在反應器中激烈翻動、碰撞，會使固定化酶的結構受到破壞，以致使酶會使固定化酶的結構受到破壞，以致使酶脫落、流失，從而影響催化反應的進行。

49、脫落、流失，從而影響催化反應的進行。 流體在流化床反應器中的流動速度和流動流體在流化床反應器中的流動速度和流動狀態(tài)可以通過控制進液口的狀態(tài)可以通過控制進液口的流體流速流體流速和和流流量量，以及，以及進液管的方向和排布進液管的方向和排布等方法，加等方法，加以調(diào)節(jié)。以調(diào)節(jié)。 填充床式反應器填充床式反應器中，底物溶液按照一定的中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過固定化酶層，其流方向以恒定的速度流過固定化酶層，其流動速度決定酶與底物的接觸時間和反應的動速度決定酶與底物的接觸時間和反應的進行程度。進行程度。 在在反應器的直徑和高度確定的情況下反應器的直徑和高度確定的情況下(高徑高徑比比)，流速，流

50、速越慢越慢，酶與底物接觸時間越長，酶與底物接觸時間越長，反應越完全，但是生產(chǎn)效率越低，因此需反應越完全，但是生產(chǎn)效率越低，因此需要選擇好要選擇好適宜流速；適宜流速； 流速過慢流速過慢，則催化反應速度降低，而降低，則催化反應速度降低，而降低生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率，流速過快流速過快，則反應不完全，有，則反應不完全，有一部分底物未轉化成產(chǎn)物就被排出，影響一部分底物未轉化成產(chǎn)物就被排出，影響轉化效率轉化效率。 在理想的操作情況下，填充床式反應器任在理想的操作情況下，填充床式反應器任何一個橫截面上的流體流動速度是相同的，何一個橫截面上的流體流動速度是相同的，在同一個橫截面上底物濃度和產(chǎn)物濃度也在同一個橫截面

51、上底物濃度和產(chǎn)物濃度也是一致是一致的。的。 這種這種反應器又稱為活塞流反應器反應器又稱為活塞流反應器(plug flow reactor，PFR)。酶反應器應用的注意事項酶反應器應用的注意事項 在酶反應器的應用過程中，除了控制各種在酶反應器的應用過程中，除了控制各種反應條件，還須注意下列問題：反應條件，還須注意下列問題： (1) 保持酶反應器的保持酶反應器的操作穩(wěn)定性操作穩(wěn)定性 (2) 保持反應器中流體的保持反應器中流體的流動方式和狀態(tài)流動方式和狀態(tài) (3) 防止酶的防止酶的變性失活變性失活 (4) 防止微生物的防止微生物的污染污染 保持酶反應器的操作穩(wěn)定性保持酶反應器的操作穩(wěn)定性 在酶反應器

52、的應用過程中，應盡量保持操在酶反應器的應用過程中，應盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應條件的激烈波動。作的穩(wěn)定性，以避免反應條件的激烈波動。 在酶的催化反應過程中，酶是反應的主體，在酶的催化反應過程中，酶是反應的主體，必須保證所使用的必須保證所使用的酶的質(zhì)量穩(wěn)定酶的質(zhì)量穩(wěn)定，此外在，此外在游離酶反應中，要盡量保持游離酶反應中，要盡量保持酶的濃度穩(wěn)定酶的濃度穩(wěn)定在一定的范圍在一定的范圍，在固定化酶反應中，每隔，在固定化酶反應中，每隔一段時間要檢測一段時間要檢測酶的活力酶的活力，并根據(jù)變化情，并根據(jù)變化情況及時進行更換或補充。況及時進行更換或補充。 在攪拌罐式反應器中，應盡量在攪拌罐式反應器中，應盡

53、量保持攪拌速保持攪拌速度的穩(wěn)定度的穩(wěn)定，不要斷斷續(xù)續(xù)、時快時慢，否，不要斷斷續(xù)續(xù)、時快時慢，否則剪切力的反復變化，會加快酶特別是固則剪切力的反復變化，會加快酶特別是固定化酶結構的破壞。定化酶結構的破壞。 在連續(xù)式反應器的操作中，應盡量保持流在連續(xù)式反應器的操作中，應盡量保持流速的穩(wěn)定，并保持速的穩(wěn)定，并保持流進的底物濃度和流出流進的底物濃度和流出的產(chǎn)物濃度的產(chǎn)物濃度不要變化太大，以保證反應液不要變化太大，以保證反應液中底物濃度的穩(wěn)定。中底物濃度的穩(wěn)定。 在填充床反應器中要在填充床反應器中要防止由于固定化酶的防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象，在膜反應，在膜反

54、應器中要防止由于濃差極化而器中要防止由于濃差極化而產(chǎn)生的膜孔阻產(chǎn)生的膜孔阻塞現(xiàn)象塞現(xiàn)象。此外，在反應過程中，要盡量保。此外，在反應過程中，要盡量保持持反應溫度反應溫度、反應液、反應液pH等的穩(wěn)定，不要波等的穩(wěn)定，不要波動太大，以保持反應器恒定的生產(chǎn)能力。動太大，以保持反應器恒定的生產(chǎn)能力。 保持反應器中流體的流動方式和狀態(tài)保持反應器中流體的流動方式和狀態(tài) 在酶反應器的應用過程中，應盡量保持液在酶反應器的應用過程中，應盡量保持液體和氣體的流動方式和狀態(tài)，因為體和氣體的流動方式和狀態(tài)，因為流動方流動方式和狀態(tài)的改變，會影響底物、產(chǎn)物與酶式和狀態(tài)的改變，會影響底物、產(chǎn)物與酶的接觸狀態(tài)，從而影響催化反

55、應的速度。的接觸狀態(tài)，從而影響催化反應的速度。防止酶的變性失活防止酶的變性失活 在酶反應器的應用過程中，應當在酶反應器的應用過程中，應當特別注意特別注意防止酶的變性防止酶的變性失活失活。 引起引起酶變性失活的因素主要有：酶變性失活的因素主要有：溫度、溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。重金屬離子以及剪切力等。 溫度溫度 酶反應器操作時的溫度是影響酶催化作用酶反應器操作時的溫度是影響酶催化作用的重要因素，較高的溫度可以提高酶催化的重要因素，較高的溫度可以提高酶催化反應速度，從而增加產(chǎn)物的產(chǎn)率。反應速度，從而增加產(chǎn)物的產(chǎn)率。 然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐

56、高溫的酶以外，通常酶催化反應在高溫的酶以外，通常酶催化反應在60以以下進行，溫度過高會加速酶的變性失活，下進行，溫度過高會加速酶的變性失活，縮短酶的半衰期和使用時間。縮短酶的半衰期和使用時間。 因此，酶反應器的操作溫度一般不宜過高，因此，酶反應器的操作溫度一般不宜過高，通常在等于或者低于酶催化最適溫度的條通常在等于或者低于酶催化最適溫度的條件下進行。件下進行。pH 在酶反應器的應用過程中，反應液的在酶反應器的應用過程中，反應液的pH應應當嚴格控制在酶催化反應的適宜當嚴格控制在酶催化反應的適宜pH范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH49的條

57、件下進行催化反應，的條件下進行催化反應，pH過高或過高或過低都對催化不利，甚至引起酶的變性失過低都對催化不利，甚至引起酶的變性失活。活。 在操作過程中進行在操作過程中進行pH的調(diào)節(jié)時，的調(diào)節(jié)時，一定要一一定要一邊攪拌一邊慢慢加入稀酸或稀堿溶液，以邊攪拌一邊慢慢加入稀酸或稀堿溶液，以防止局部過酸或過堿而引起酶的變性失活。防止局部過酸或過堿而引起酶的變性失活。 重金屬離子重金屬離子 重金屬離子例如重金屬離子例如鉛離子鉛離子(Pb2+)、汞離子、汞離子(Hg2+)等會與酶分子結合而引起酶的不可逆等會與酶分子結合而引起酶的不可逆變性。因此，在酶反應器的操作過程中，變性。因此，在酶反應器的操作過程中，要

58、盡量避免重金屬離子的存在。要盡量避免重金屬離子的存在。 為了避免從原料或者反應器系統(tǒng)帶進某些為了避免從原料或者反應器系統(tǒng)帶進某些重金屬離子給酶分子造成不利影響，必要重金屬離子給酶分子造成不利影響，必要時可以時可以添加適量的添加適量的EDTA等金屬螯合劑，等金屬螯合劑，以以除去重金屬離子對酶的危害。除去重金屬離子對酶的危害。剪切力剪切力 在酶反應器的操作過程中，剪切力是引起在酶反應器的操作過程中，剪切力是引起酶變性失活的一個重要因素。所以在攪拌酶變性失活的一個重要因素。所以在攪拌式反應器的操作過程中，式反應器的操作過程中，要防止過高的攪要防止過高的攪拌速度對酶特別是固定化酶結構的破壞拌速度對酶特

59、別是固定化酶結構的破壞； 在在流化床式反應器流化床式反應器和和鼓泡式反應器鼓泡式反應器的操作的操作過程中，要控制流體的流速，防止過程中，要控制流體的流速，防止固定化固定化酶顆粒的過度翻動和碰撞而引起固定化酶酶顆粒的過度翻動和碰撞而引起固定化酶的結構破壞的結構破壞。保護劑保護劑 為了防止酶的變性失活，在操作過程中，為了防止酶的變性失活，在操作過程中，可以添加某些保護劑，以提高酶的穩(wěn)定性，可以添加某些保護劑，以提高酶的穩(wěn)定性，例如在淀粉酶的催化過程中添加例如在淀粉酶的催化過程中添加鈣鈣離子等。離子等。 酶作用酶作用底物的存在往往對酶有保護作用底物的存在往往對酶有保護作用，所以在操作時一般先將底物溶

60、液加進反應所以在操作時一般先將底物溶液加進反應器中，然后再將器中，然后再將酶加到底物溶液中進行催酶加到底物溶液中進行催化反應。化反應。防止微生物的污染防止微生物的污染 在應用酶反應器進行催化反應過程中，由在應用酶反應器進行催化反應過程中，由于酶的作用底物或反應產(chǎn)物往往只有一、于酶的作用底物或反應產(chǎn)物往往只有一、二種，一般情況下不具備微生物生長、繁二種，一般情況下不具備微生物生長、繁殖的基本條件；殖的基本條件； 在酶反應器進行操作時，與微生物發(fā)酵和在酶反應器進行操作時，與微生物發(fā)酵和動、植物細胞培養(yǎng)所使用的反應器有所不動、植物細胞培養(yǎng)所使用的反應器有所不同，一般不必在嚴格的無菌條件下進行操同，一