酶反應(yīng)器課件

1、第六章 酶反應(yīng)器 Reactors for enzymatic catalysis理想的酶反應(yīng)器的要求酶反應(yīng)器的概念和特點內(nèi)容提綱酶反應(yīng)器的選擇124內(nèi)容提綱酶反應(yīng)器的類型3定義：以酶或固定化酶作為催化劑進(jìn)行酶促反應(yīng)的裝置稱為酶反應(yīng)器(Enzyme reactor)。 酶反應(yīng)器的概念和特點菌種培養(yǎng)基生物催化劑產(chǎn)物底物發(fā)酵罐酶反應(yīng)器提取成品產(chǎn)物酶反應(yīng)器的概念和特點作用：用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置，為酶催化反應(yīng)提供合適的場所和最佳反應(yīng)條件，以便在酶的催化下，使底物最大限度地轉(zhuǎn)換成產(chǎn)物。處于酶催化反應(yīng)的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。理想的酶反應(yīng)器的要求生物反應(yīng)器設(shè)計的主要目標(biāo)：使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，

2、生產(chǎn)成本最低。評價生物反應(yīng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)：反應(yīng)器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。(4) 應(yīng)具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應(yīng)器的生產(chǎn)能力下降。(1) 所用生物催化劑應(yīng)具有較高的比活和酶濃度（或細(xì)胞濃度），才能得到較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率。(2) 能用電腦自動檢測和調(diào)控，從而獲得最佳的反應(yīng)條件。(3) 應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和混合性能。傳質(zhì)是指底物和產(chǎn)物在反應(yīng)介質(zhì)中的傳遞。傳質(zhì)阻力是反應(yīng)器速度限制的主要因素。常見酶反應(yīng)器的類型 按結(jié)構(gòu)區(qū)分?jǐn)嚢韫扌头磻?yīng)器固定床型反應(yīng)器流化床型反應(yīng)器膜式反應(yīng)器鼓泡塔型反應(yīng)器按操作方式區(qū)分分批式連續(xù)式流加式分批式混合形式連續(xù)攪拌罐分批攪拌罐據(jù)所使用的酶區(qū)分連續(xù)攪拌罐分批攪拌罐特

3、點：有攪拌裝置的、傳統(tǒng)形式的反應(yīng)器。由反應(yīng)罐、攪拌器和保溫裝置組成。分類：1）分批攪拌罐式反應(yīng)器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR) 適用的酶：游離酶、固定化酶2）連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 適用的酶：固定化酶攪拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR）適用的操作方式：分批式、流加分批式、連續(xù)式優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，酶與底物混合充分均勻，傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)條件易控制，能處理膠體狀底物、不溶性底物。 缺點: 反應(yīng)效率低，載體易被破壞，攪拌動力消耗大，回收過程酶易損失。攪拌罐型

4、（Stirred Tank Reacter, STR）特點：把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床內(nèi)，底物按一定方向以恒定速度通過反應(yīng)床。 在其橫截面上液體流動速度完全相同，沿流動方向底物及產(chǎn)物的濃度逐漸變化，但同一橫切面上濃度一致。適用于：固定化酶固定床型（又稱填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）優(yōu)點：單位面積的催化劑負(fù)荷高，高效，易操作，結(jié)構(gòu)簡單，易放大，剪切力小等工業(yè)生產(chǎn)及研究應(yīng)用最為普遍的反應(yīng)器使用各種形狀的固定化酶和不含顆粒粘度不大的底物溶液，以及有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)固定床型（又稱填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）缺點：傳質(zhì)和傳熱系數(shù)相對較

5、低，不適合含有固體顆粒和黏度很大的底物溫度pH難控制，更換部分催化劑麻煩柱內(nèi)壓降大，底物需加壓后才能進(jìn)入底物和產(chǎn)物的軸向分布也會導(dǎo)致酶失活的程度也呈軸向分布固定床型（又稱填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）流化床型 (Fludized Bed Reactor, FBR)特點：裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器(形狀可為柱形、錐形等)。底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)。流體的混合程度介于CSTR 和 PFR之間。 適用于：固定化酶 優(yōu)點：可用于處理黏度較大和含有固體顆粒的底物溶液可用于需要供氣體或排放氣體的酶反應(yīng)（即 固、液、 氣三相反應(yīng)）缺點：混合

6、均勻，所以不適用于有產(chǎn)物抑制酶的反應(yīng)固定化酶易破壞動力成本高特點：將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起的反應(yīng)器。適用于：游離酶、固定化酶膜式反應(yīng)器(Membrane Reactor，MR)由膜狀或板狀固定化酶或固定化微生物組裝的反應(yīng)器 。分類：1）平板狀或螺旋狀反應(yīng)器 2）轉(zhuǎn)盤型反應(yīng)器 3）空心酶管反應(yīng)器4）中空纖維膜反應(yīng)器 敞開，寬流道狹隘，細(xì)流道優(yōu)點：能實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)率高容易控制、改善產(chǎn)物抑制反應(yīng)的速率操作過程中能富集及濃縮產(chǎn)物可實現(xiàn)多相反應(yīng)缺點：酶吸附及中毒、酶的失活膜表面產(chǎn)生底物或產(chǎn)物的抑制酶活化劑或輔酶的流失膜污染、酶的泄露鼓泡塔型反應(yīng)器特點：利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)

7、生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混和這兩種作用的一類反應(yīng)器。是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器。適用于：游離酶、固定化酶。在使用固定化酶進(jìn)行催化反應(yīng)時，反應(yīng)系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床反應(yīng)器 。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、剪切力小，物質(zhì)欲熱量的傳遞效率高，是氣體參與反應(yīng)的種反應(yīng)器鼓泡塔型反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐超濾膜反應(yīng)器 簡稱CSTR-UFR。在連續(xù)式攪拌罐出口處設(shè)置一個超濾器。可以將小分子產(chǎn)物與大分子酶和底物分開，有利于產(chǎn)物回收。該反應(yīng)器適用于顆粒較細(xì)的固定化酶、游離酶和細(xì)胞以及小分子產(chǎn)物與大分子底物。酶反應(yīng)器的發(fā)展含有輔助因子再生的酶反應(yīng)器問題由來 許多酶反應(yīng)都需

8、要輔因子的協(xié)助，如輔酶、輔基、能量供給體等。這些輔因子價格昂貴，需再生循環(huán)使用才能降低成本，因而發(fā)展了輔因子再生酶反應(yīng)器。例如： 利用固定化脫氫酶可將固定化NADH再生為NAD。依半透膜能將固定化NAD保留在反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)了NAD的再生于循環(huán)使用。 兩相或多相反應(yīng)器問題由來許多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、類脂肪或極性較低的物質(zhì)，進(jìn)行酶反應(yīng)時有濃度低，反應(yīng)體積大，分離困難、能耗大的缺點。解決辦法：使酶反應(yīng)在有機相中進(jìn)行，可增加反應(yīng)物濃度，還可減少底物，特別使產(chǎn)物對酶的抑制作用。固定化多酶反應(yīng)器 將多種酶固定化后，制成多酶反應(yīng)器，模擬微生物細(xì)胞的多酶系統(tǒng)，進(jìn)行多種酶的順序反應(yīng)，來合成各種產(chǎn)物，

9、目前該技術(shù)還處于實驗階段，但發(fā)展前景良好。1）可組成高效率，巧妙的多酶反應(yīng)器。2）構(gòu)建全新的酶化學(xué)合成路線，生產(chǎn)人類所需的、自然界不存在的物質(zhì)。3）代替微生物發(fā)酵，用小型柱式反應(yīng)器取代龐大的微生物發(fā)酵罐。4）化工廠、制藥廠高大反應(yīng)塔和密如蛛網(wǎng)的管道液將由簡單巧妙的生物反應(yīng)器取代。酶反應(yīng)器的設(shè)計1、確定酶反應(yīng)器的類型酶反應(yīng)器的設(shè)計，首先要根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)，按照上一節(jié)所述的選擇原則，選擇并確定反應(yīng)器的類型。2、確定反應(yīng)器的制造材料由于酶催化反應(yīng)具有條件溫和的特點，通常都是在常溫、常壓、pH近乎中性的環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)，所以酶反應(yīng)器的設(shè)計對制造材料沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼制造反應(yīng)容器即可

10、。3、進(jìn)行熱量衡算酶催化反應(yīng)一般在3070的常溫條件下進(jìn)行，所以熱量衡算并不復(fù)雜。溫度的調(diào)節(jié)控制也較為簡單，通常采用一定溫度的熱水通過夾套（或列管）加熱或冷卻方式，進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)控制，熱量衡算是根據(jù)熱水的溫度和使用量計算。對于某些耐高溫的酶，例如高溫淀粉酶，可以采用噴射式反應(yīng)器，熱量衡算時，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進(jìn)行計算。4、進(jìn)行物料衡算酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)/底物用量/酶量/反應(yīng)體積/反應(yīng)器數(shù)量酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)控1. 反應(yīng)器溫度的確定與控制2. pH值的確定與控制3. 底物濃度的確定與控制4. 酶物濃度的確定與控制5. 攪拌速度的確定與控制6. 流動濃度的確定與控制酶反應(yīng)器的選擇

11、通常顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用填充床反應(yīng)器（PBR），而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均可使用于連續(xù)式攪拌罐（CSTR），膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應(yīng)器。在應(yīng)用游離酶進(jìn)行催化反應(yīng)時，酶與底物均溶解在反應(yīng)溶液中，通過互相作用，進(jìn)行催化反應(yīng)。可以選用攪拌罐式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器、噴射式反應(yīng)器等。可溶性底物適用于所有的反應(yīng)器。難溶底物或者底物溶液呈膠體狀者，易堵塞柱床，可選用FBR。顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。當(dāng)反應(yīng)過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時，選用CSTR更為方便。在反應(yīng)器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會使酶從載體上脫落下來，或者由于磨損而使粒度變細(xì)，從而影響了固定化酶的操作穩(wěn)定性。酶反應(yīng)器使用中應(yīng)注意的問題酶的穩(wěn)定性對酶反應(yīng)器的功效是很重要的。在操作過程中，有時需要用酸或堿來調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH。如果局部的pH過高或過低，就會引起酶的失活，或者使底物和產(chǎn)物發(fā)生水解反應(yīng)。這時，可用加快攪拌已促使混合均勻。如果底物和產(chǎn)物在反應(yīng)器中不夠穩(wěn)定的