第六章酶反應器

第六章酶反應器第一頁，共三十一頁，2022年，8月28日理想的酶反應器的要求酶反應器的概念和特點內(nèi)容提綱酶反應器的選擇124內(nèi)容提綱酶反應器的類型3第二頁，共三十一頁，2022年，8月28日定義：以酶或固定化酶作為催化劑進行酶促反應的裝置稱為酶反應器(Enzymereactor)。酶反應器的概念和特點第三頁，共三十一頁，2022年，8月28日菌種培養(yǎng)基生物催化劑產(chǎn)物底物發(fā)酵罐酶反應器提取成品產(chǎn)物酶反應器的概念和特點作用：用于完成酶促反應的核心裝置，為酶催化反應提供合適的場所和最佳反應條件，以便在酶的催化下，使底物最大限度地轉(zhuǎn)換成產(chǎn)物。處于酶催化反應的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。第四頁，共三十一頁，2022年，8月28日理想的酶反應器的要求生物反應器設計的主要目標：使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低。評價生物反應器的主要標準：反應器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。(4)應具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應器的生產(chǎn)能力下降。(1)

所用生物催化劑應具有較高的比活和酶濃度（或細胞濃度），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條件。(3)應具有良好的傳質(zhì)和混合性能。傳質(zhì)是指底物和產(chǎn)物在反應介質(zhì)中的傳遞。傳質(zhì)阻力是反應器速度限制的主要因素。第五頁，共三十一頁，2022年，8月28日常見酶反應器的類型

按結構區(qū)分攪拌罐型反應器固定床型反應器流化床型反應器膜式反應器鼓泡塔型反應器按操作方式區(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)攪拌罐分批攪拌罐第六頁，共三十一頁，2022年，8月28日特點：有攪拌裝置的、傳統(tǒng)形式的反應器。由反應罐、攪拌器和保溫裝置組成。分類：1）分批攪拌罐式反應器(BatchStirredTankReactor,BSTR)

適用的酶：游離酶、固定化酶2）連續(xù)流攪拌罐反應器(ContinuousFlowStirredTankReactor,CSTR)

適用的酶：固定化酶攪拌罐型（StirredTankReacter,STR）第七頁，共三十一頁，2022年，8月28日適用的操作方式：分批式、流加分批式、連續(xù)式優(yōu)點：結構簡單，酶與底物混合充分均勻，傳質(zhì)阻力小，反應條件易控制，能處理膠體狀底物、不溶性底物。缺點:

反應效率低，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（StirredTankReacter,STR）第八頁，共三十一頁，2022年，8月28日特點：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，PackedBedReactor,PBR）第九頁，共三十一頁，2022年，8月28日優(yōu)點：單位面積的催化劑負荷高，高效，易操作，結構簡單，易放大，剪切力小等工業(yè)生產(chǎn)及研究應用最為普遍的反應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)化反應固定床型（又稱填充床，PackedBedReactor,PBR

）

第十頁，共三十一頁，2022年，8月28日缺點：傳質(zhì)和傳熱系數(shù)相對較低，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入底物和產(chǎn)物的軸向分布也會導致酶失活的程度也呈軸向分布固定床型（又稱填充床，PackedBedReactor,PBR）

第十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日流化床型(FludizedBedReactor,FBR)特點：裝有較小顆粒的垂直塔式反應器(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)下進行反應。流體的混合程度介于CSTR和PFR之間。

適用于：固定化酶

第十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日優(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（即固、液、氣三相反應）缺點：混合均勻，所以不適用于有產(chǎn)物抑制酶的反應固定化酶易破壞動力成本高第十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日特點：將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起的反應器。適用于：游離酶、固定化酶膜式反應器(MembraneReactor，MR)第十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日由膜狀或板狀固定化酶或固定化微生物組裝的反應器。分類：1）平板狀或螺旋狀反應器

2）轉(zhuǎn)盤型反應器

3）空心酶管反應器4）中空纖維膜反應器

第十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日敞開，寬流道狹隘，細流道第十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日優(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、酶的泄露第十七頁，共三十一頁，2022年，8月28日鼓泡塔型反應器特點：利用從反應器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混和這兩種作用的一類反應器。是有氣體參與的酶催化反應中常用的一種反應器。第十八頁，共三十一頁，2022年，8月28日適用于：游離酶、固定化酶。在使用固定化酶進行催化反應時，反應系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床反應器。優(yōu)點：結構簡單、操作容易、剪切力小，物質(zhì)欲熱量的傳遞效率高，是氣體參與反應的種反應器鼓泡塔型反應器第十九頁，共三十一頁，2022年，8月28日連續(xù)攪拌罐—超濾膜反應器簡稱CSTR-UFR。在連續(xù)式攪拌罐出口處設置一個超濾器。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。該反應器適用于顆粒較細的固定化酶、游離酶和細胞以及小分子產(chǎn)物與大分子底物。第二十頁，共三十一頁，2022年，8月28日酶反應器的發(fā)展含有輔助因子再生的酶反應器問題由來

許多酶反應都需要輔因子的協(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保留在反應器內(nèi)，實現(xiàn)了NAD的再生于循環(huán)使用。第二十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日

兩相或多相反應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)，進行酶反應時有濃度低，反應體積大，分離困難、能耗大的缺點。解決辦法：使酶反應在有機相中進行，可增加反應物濃度，還可減少底物，特別使產(chǎn)物對酶的抑制作用。第二十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日固定化多酶反應器

將多種酶固定化后，制成多酶反應器，模擬微生物細胞的多酶系統(tǒng)，進行多種酶的順序反應，來合成各種產(chǎn)物，目前該技術還處于實驗階段，但發(fā)展前景良好。1）可組成高效率，巧妙的多酶反應器。2）構建全新的酶化學合成路線，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，用小型柱式反應器取代龐大的微生物發(fā)酵罐。4）化工廠、制藥廠高大反應塔和密如蛛網(wǎng)的管道液將由簡單巧妙的生物反應器取代。第二十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日酶反應器的設計1、確定酶反應器的類型酶反應器的設計，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，選擇并確定反應器的類型。2、確定反應器的制造材料由于酶催化反應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)境中進行反應，所以酶反應器的設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容器即可。3、進行熱量衡算酶催化反應一般在30～70℃的常溫條件下進行，所以熱量衡算并不復雜。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器，熱量衡算時，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進行計算。4、進行物料衡算酶反應動力學參數(shù)/底物用量/酶量/反應體積/反應器數(shù)量第二十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日酶反應器操作條件的確定及其調(diào)控1.反應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第二十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日酶反應器的選擇第二十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日通常顆粒狀、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器。在應用游離酶進行催化反應時，酶與底物均溶解在反應溶液中，通過互相作用，進行催化反應。可以選用攪拌罐式反應器、膜反應器、鼓泡式反應器、噴射式反應器等?？扇苄缘孜镞m用于所有的反應器。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。當反應過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時，選用CSTR更為方便。在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會使酶從載體上脫落下來，或者由于磨損而使粒度變細，從而影響了固定化酶的操作穩(wěn)定性。第二十七頁，共三十一頁，2022年，8月28日第二十八頁，共三十一頁，2022年，8月28日第二十九頁，共三十一頁，2022年，8月28日酶反應器使用中應注意的問題酶的穩(wěn)定性對酶反應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。這時，可用加快攪拌已促使混合均勻。如果底物和產(chǎn)物在反應器中不夠穩(wěn)定的話，可以采用高濃度的酶，以減