第九章 酶反應(yīng)器

第九章酶反應(yīng)器

目錄一.酶反應(yīng)器的概念和特點(diǎn)二.酶反應(yīng)器的類型三.酶反應(yīng)器的選擇四.酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)五.酶反應(yīng)器的操作六.酶反應(yīng)器的發(fā)展定義：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(Enzymereactor)。

1.酶反應(yīng)器的概念和特點(diǎn)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(chǎng)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。2.酶反應(yīng)器的類型（1）按結(jié)構(gòu)分：

攪拌罐式反應(yīng)器（StirredTankReactor,STR）填充床式反應(yīng)器(packedcolumnreactor,PCR)流化床型反應(yīng)器（FluidizedBedReactor,FBR)膜式反應(yīng)器(MembraneReactor,MR)鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)噴射式反應(yīng)器（projectionalreator,PR）

（二）按操作方式分分批式反應(yīng)(batch)連續(xù)式反應(yīng)(continuous)流加分批式反應(yīng)(feedingbatch)（三）按混合形式分連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批攪拌罐反應(yīng)器（BatchStirredTankReactor,BSTR）

一：攪拌罐型（StirredTankReactor,STR）特點(diǎn)：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(BatchStirredTankReactor,BSTR)適用的酶：游離酶、固定化酶2）連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器(ContinuousFlowStirredTankReactor,CSTR)適用的酶：固定化酶具體類型：適用的操作方式：分批式、流加分批式、連續(xù)式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn):反應(yīng)效率低，載體易被破壞，攪拌動(dòng)力消耗大，回收過(guò)程酶易損失。特點(diǎn)：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(guò)，使固定化酶顆粒在浮動(dòng)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

二流化床型(FluidizedBedReactor,FBR)優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：混合均勻，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(dòng)力成本高三固定床型（也稱填充床，PackedBedReactor,PBR）

特點(diǎn)：

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(guò)反應(yīng)床。在其橫截面上液體流動(dòng)速度完全相同，沿流動(dòng)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，又稱活塞流反應(yīng)器(PlugFlowReactor,PFR)

適用于：固定化酶。

優(yōu)點(diǎn)：①易操作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，酶密度大②與連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器相比，可減少產(chǎn)物的抑制作用（產(chǎn)物濃度沿反應(yīng)器長(zhǎng)度逐漸增高）。

缺點(diǎn)：①溫度和pH難以控制；②固定化酶所受到的壓力大，易引起變形和破碎③傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)相對(duì)較低。當(dāng)?shù)孜锶芏群腆w顆?；蝠ざ群艽髸r(shí)，不宜采用填充床式反應(yīng)器。

特點(diǎn)：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。

優(yōu)點(diǎn)：集反應(yīng)和分離與一體①酶可回收利用②及時(shí)分離出產(chǎn)物，降低或消除產(chǎn)物對(duì)酶的反饋抑制

缺點(diǎn)：濃差極化現(xiàn)象四膜式反應(yīng)器(MembraneReactor)

特點(diǎn)：是利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過(guò)程中起到提供反應(yīng)底物和混合兩種作用的一類反應(yīng)器。也是一種無(wú)攪拌裝置的反應(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(shí)，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(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。五鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)

六噴射式反應(yīng)器

特點(diǎn)：噴射式反應(yīng)器是利用高壓蒸汽的噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，是進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)的一種反應(yīng)器。

適用于：耐高溫的、游離酶的反應(yīng)

優(yōu)點(diǎn)：溫度高，催化反應(yīng)速度快，效率高，可在短時(shí)間完成催化反應(yīng)。各類酶反應(yīng)器的比較各類酶反應(yīng)器的比較3.酶反應(yīng)器的選擇一酶的應(yīng)用形式二底物或產(chǎn)物的物理性質(zhì)三反應(yīng)操作要求

四酶的穩(wěn)定性五酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)六其他影響因素

一酶的應(yīng)用形式

游離酶：攪拌罐式反應(yīng)器（具有高濃度底物抑制作用的酶，用流加式分批反應(yīng)）鼓泡式反應(yīng)器（有氣體參與的酶反應(yīng)）游離酶膜反應(yīng)器（價(jià)格較高的酶）噴射式反應(yīng)器（耐高溫的酶）

2.固定化酶顆粒狀——連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器、填充床、流化床、鼓泡式反應(yīng)器平板狀、直管狀、螺旋管狀——膜反應(yīng)器二底物或產(chǎn)物的物理性質(zhì)

溶解性物質(zhì)——任何類型反應(yīng)器

底物顆粒物質(zhì)

膠體物質(zhì)

攪拌式、流化床（不用填充式和膜反應(yīng)器）

三反應(yīng)操作要求

1.反應(yīng)過(guò)程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH——攪拌罐型反應(yīng)器。2.若反應(yīng)耗氧——鼓泡式反應(yīng)器。底物或產(chǎn)物分子量較大小分子物質(zhì)作為輔酶不宜用膜式反應(yīng)器

四酶的穩(wěn)定性

固定化酶在反應(yīng)器中催化活性的損失可能有如下三種原因：酶本身失效；酶從載體上脫落；載體的破碎或溶解在各種類型的反應(yīng)器中，連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器最易引起這類損失。

五酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)1.混合效果：攪拌罐式、流化床式反應(yīng)器的效果好填充床式效果較差膜反應(yīng)器輔助攪拌2.高濃度底物抑制：流加分批攪拌罐式3.產(chǎn)物反饋抑制：游離酶膜反應(yīng)器或填充床式反應(yīng)器六其他影響因素所選擇的反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)于多種酶的催化反應(yīng)，并能滿足酶催化反應(yīng)所需的各種條件，并可進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。所選擇的反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和清洗，并具有較低的制造成本和應(yīng)用成本。

4.酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1、確定酶反應(yīng)器的類型酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，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(diǎn)，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(jì)對(duì)制造材料沒(méi)有什么特別要求，一般采用不銹鋼制造反應(yīng)容器即可。3、進(jìn)行熱量衡算酶催化反應(yīng)一般在30～70℃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(jiǎn)單，通常采用一定溫度的熱水通過(guò)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(jì)算。對(duì)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(shí)，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進(jìn)行計(jì)算。4、進(jìn)行物料衡算酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)/底物用量/酶量/反應(yīng)體積/反應(yīng)器數(shù)量與設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)：①酶反應(yīng)器生產(chǎn)強(qiáng)度Qp：②產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率X及酶的催化率Rp／e：

③產(chǎn)物濃度ρP及底物停留時(shí)間t：

其中：

①酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度Qp表示每小時(shí)每升反應(yīng)體積所生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量（g），即：

②產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率X是指每克底物中有多少克轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。即：

③酶的催化率Rp/e表示單位量的酶催化產(chǎn)物形成的克數(shù)，它和操作條件有如下關(guān)系：

式中：Sa(t)為單位時(shí)間內(nèi)每克酶能作用的底物質(zhì)量(g)，tc是酶的有效時(shí)間，一般以酶的半衰期tl／2表示。可見(jiàn)，提高催化率Rp/e必須使用高的Sa的酶并且要增大酶的穩(wěn)定性。④產(chǎn)物濃度ρP是一個(gè)影響到分離提純，也就是回收成本高低的關(guān)鍵問(wèn)題。在連續(xù)工藝中，降低稀釋率或增加酶濃度可使產(chǎn)物濃度升高，但會(huì)使Qp減小。⑤底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間t：

t也被定義為空時(shí)，其倒數(shù)1／t稱為空速，又常稱為稀釋率?？諘r(shí)、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度是表示酶反應(yīng)器性能的重要參數(shù)，它們都和酶濃度、比活力以及反應(yīng)條件密切相關(guān)，其中反應(yīng)條件決定著酶催化活性的表現(xiàn)。5.酶反應(yīng)器的操作一酶反應(yīng)器操作條件的確定及調(diào)控反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制pH值的確定與調(diào)控底物濃度酶濃度攪拌速度流動(dòng)速度

二酶反應(yīng)器操作的注意事項(xiàng)酶反應(yīng)器中流動(dòng)狀態(tài)的控制１．外壅塞２．內(nèi)壅塞

酶反應(yīng)器恒定生產(chǎn)能力的控制1．控制反應(yīng)器流速

2．增加溫度

3．將若干使用不同時(shí)間和處于不同階段的柱反應(yīng)器串聯(lián)，并與上述方法之一相結(jié)合

保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性

1．防止酶的變性失活2．防止固定化酶自溶或從載體上脫落防止酶的變性失活：溫度、pH、重金屬離子以及剪切力

在操作過(guò)程中，有時(shí)需要用酸或堿來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)液PH。如果局部的pH過(guò)高或過(guò)低，就會(huì)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(shí)，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)定的話，可以采用高濃度的酶，以減少底物和產(chǎn)物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，從而減少損失。防止微生物污染主要措施有：

1．保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔、衛(wèi)生，要求符合必要的衛(wèi)生條件。2．酶反應(yīng)器在使用前后，都要進(jìn)行清洗和適當(dāng)?shù)南咎幚怼?．必要時(shí)，在反應(yīng)液中添加適當(dāng)?shù)膶?duì)酶催化反應(yīng)和產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有不良影響的物質(zhì)，如用過(guò)氧化氫或50％甘油水溶液處理酶反應(yīng)器，以抑制微生物的生長(zhǎng)，防止微生物的污染等。

酶反應(yīng)器操作中，生產(chǎn)能力逐漸降低，主要原因是固定化酶活性降低或損失。造成固定化酶活性損失的原因：（1）酶本身的失活；（2）酶從載體上脫落；（3）載體的破碎或溶解。酶反應(yīng)器的發(fā)展

6.酶反應(yīng)器的發(fā)展

一.含有輔助因子再生的酶反應(yīng)器:問(wèn)題由來(lái):

許多酶反應(yīng)都需要輔因子的協(xié)助，如輔酶、輔基、能量供給體等。這些輔因子價(jià)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(shí)現(xiàn)了NAD的再生于循環(huán)使用。

二.兩相或多相反應(yīng)器問(wèn)題由來(lái):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(shí)有濃度低，反應(yīng)體積大，分離困難、能耗大的缺點(diǎn)。解決辦法：使酶反應(yīng)在有機(jī)相中進(jìn)行，可增