(4.3)-第七章酶反應(yīng)器酶工程教學(xué)

有機(jī)相中的酶反應(yīng)在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行酶促反應(yīng)時，同一種酶在不同有機(jī)溶劑中的需水量表現(xiàn)為（）。溶劑極性越強(qiáng)，需水量越少溶劑極性越強(qiáng)，需水量越多溶劑極性強(qiáng)弱與需水量無關(guān)溶劑極性強(qiáng)弱與需水量的關(guān)系無法確定ABCD提交單選題1分有機(jī)相酶中體系中有機(jī)溶劑的極性參數(shù)lgP應(yīng)滿足（）。lgP<2lgP>52≤lgP≤5lgP<2或lgP>5ABCD提交單選題1分根據(jù)分子識別理論，酶與配體的誘導(dǎo)、相互作用改變酶的構(gòu)象，能夠獲得具有與配體類似物結(jié)合能力的酶，這種由配體誘導(dǎo)產(chǎn)生酶記憶的方法，稱為（）。底物選擇性立體選擇性分子記憶pH記憶ABCD提交單選題1分酶工程基本過程菌種→擴(kuò)大培養(yǎng)→發(fā)酵→發(fā)酵酶液→酶的提取→酶成品

原料→前處理→殺菌→酶反應(yīng)器↓反應(yīng)液→產(chǎn)品提取→產(chǎn)品酶的固定化酶分子的修飾第七章酶反應(yīng)器酶的體外催化反應(yīng)：在一定反應(yīng)容器中進(jìn)行控制酶催化反應(yīng)的條件反應(yīng)容器：試管反應(yīng)條件：溫度（水?。?、pH（緩沖溶液）、

酶、底物、攪拌/振蕩何為酶反應(yīng)器？酶反應(yīng)器

游離酶和固定化酶在體外進(jìn)行催化反應(yīng)時，都必須在一定的反應(yīng)容器中進(jìn)行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催化反應(yīng)的速度。

酶反應(yīng)器（enzymereactor）：用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備。

作用：為酶催化反應(yīng)提供合適的場所和最佳的反應(yīng)條件，使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。酶催化反應(yīng)過程示意圖酶反應(yīng)器

消毒原料預(yù)處理

產(chǎn)物分離提純

產(chǎn)品過程調(diào)控（固定化）酶制備空氣除菌能量熱量Contents酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)酶反應(yīng)器的選擇酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)GoGoGo酶反應(yīng)器的操作Go一、酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)按酶的應(yīng)用形式區(qū)分：游離酶反應(yīng)器固定化酶反應(yīng)器按操作方式區(qū)分：分批式（間歇式）酶反應(yīng)器流加式酶反應(yīng)器連續(xù)式酶反應(yīng)器按形狀、結(jié)構(gòu)區(qū)分：攪拌罐式反應(yīng)器（stirredtankreactor,STR）鼓泡式反應(yīng)器（bubblecolumnreactor,BCR）固定床式反應(yīng)器（packedbedreactor,PBR）流化床式反應(yīng)器（fluidizedbedreactor,FBR)膜式反應(yīng)器（membranereactor,MR）噴射式反應(yīng)器（projectionalreactor,PR）一、酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)帶有攪拌裝置的罐式反應(yīng)器。Basicstirredtankreactorconsistsofatankequippedwithastirringdevice.Itwillalsohaveaheating/coolingsystemandbafflestoensureadequatemixing.組成：罐體、攪拌器、控溫裝置和擋板1.攪拌罐式反應(yīng)器Stirredtankreactor,STR罐體一般為不銹鋼或玻璃攪拌器：傳質(zhì)傳熱，消除氣泡，顆粒懸浮，

加快反應(yīng)控溫裝置——夾套/列管擋板：改變液流方向，提高混合效果其他設(shè)備1.攪拌罐式反應(yīng)器

Stirredtankreactor,STR按操作方式區(qū)分：分批攪拌罐反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（1）分批攪拌罐反應(yīng)器Batchstirredtankreactor,BSTR分批式操作：Batchstirredtankreactoristhatthetankhastobeemptiedandrefilledattheendofthebatchrun.特點(diǎn)：底物與酶一次性投入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液一次性全部取出，反應(yīng)周期短。適用：游離酶、固定化酶（較少）流加分批式操作：特點(diǎn)：將部分底物與酶一起投入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)一段時間后，再連續(xù)或分次將底物加入到反應(yīng)器中，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液全部取出，反應(yīng)周期較短。優(yōu)點(diǎn)：解除高濃度底物的抑制作用適用：游離酶、固定化酶（1）分批攪拌罐反應(yīng)器Batchstirredtankreactor,BSTR（1）分批攪拌罐反應(yīng)器Batchstirredtankreactor,BSTR裝置簡單，操作容易混合均勻，傳熱、傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)完全條件易于控制通用性好游離酶難分離固定化酶經(jīng)反復(fù)回收易失活反應(yīng)器利用效率低優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)（2）連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器——連續(xù)式操作Continuousstirredtankreactor,CSTRContinuousstirredtankreactorisessentiallyastirredtankwithacontinuousfeed

ofsubstrateandanoutflowofproduct特點(diǎn)：酶與底物溶液反應(yīng)達(dá)到平衡后，以恒定的流速連續(xù)流入底物溶液，同時以相同流速輸出反應(yīng)液，反應(yīng)周期長。適用：固定化酶（2）連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器Continuousflowstirredtankreactor,CSTR裝置簡單，操作容易混合均勻，傳熱、傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)完全條件易于控制通用性好反應(yīng)器利用效率高固定化酶結(jié)構(gòu)易損壞酶易流失優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)如何解決？（2）連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器Continuousflowstirredtankreactor,CSTR控制適宜的攪拌速度將酶固定在特殊容器和裝置上在反應(yīng)器出口連接超濾裝置構(gòu)建新型固定化酶改進(jìn)措施（2）連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器Continuousflowstirredtankreactor,CSTRApackedbedreactor:theimmobilizedenzymeparticlesareheldinacolumnandsubstrateispumpedthroughunderplugflowconditions

特點(diǎn)：將固定化酶填充于反應(yīng)器內(nèi)，底物按一定方向以恒定速度流過，反應(yīng)液從另一側(cè)連續(xù)流出，反應(yīng)周期長。

適用：固定化酶2.固定床（填充床）式反應(yīng)器——連續(xù)式操作

Packedbedreactor,PBR2.固定床式反應(yīng)器

Packedbedreactor,PBR活塞流反應(yīng)器(plugflowreactor,PFR)：在其橫截面上液體流動速度完全相同，底物及產(chǎn)物的濃度相同；沿流動方向底物及產(chǎn)物的濃度成軸向濃度分布；無返混。理想狀態(tài)2.固定床式反應(yīng)器

Packedbedreactor,PBR設(shè)備簡單，操作容易適用于各種形狀的固定

化酶，通用性好酶密度大，催化效率高傳質(zhì)、傳熱系數(shù)低溫度、pH難以控制不能處理黏度較大或含固體顆粒的底物底層固定化酶易變形破碎，更換困難優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)如何解決？FluidizedbedreactorsareintermediateinbehaviourbetweenPBRsandCSTRs.Theimmobilizedenzymebedisfluidizedbyupwardmotionofthesubstratestream.

特點(diǎn)：底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在懸浮翻動狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)液從另一側(cè)流出。

適用：固定化酶

3.流化床式反應(yīng)器——連續(xù)式操作

Fluidizedbedreactor,FBR3.流化床式反應(yīng)器

Fluidizedbedreactor,FBR裝置簡單，操作容易傳質(zhì)傳熱效果好，混合均勻溫度、pH易于控制

可處理各種底物

壓力降小需控制流速，難于放大固定化酶結(jié)構(gòu)易損壞酶濃度低，催化效率低優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)如何改進(jìn)？3.流化床式反應(yīng)器

Fluidizedbedreactor,FBR選擇顆粒小、強(qiáng)度高的固定化酶使用流化床組或錐形流化床底物進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)措施Bubblecolumnreactorsarethedevicesinwhichgas,intheformofbubbles，comeincontactwiththeliquid.

特點(diǎn)：利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混和兩種作用。適用：游離酶、固定化酶（三相流化床反應(yīng)器）4.鼓泡式反應(yīng)器——各種操作方式Bubblecolumnreactor,BCR4.鼓泡式反應(yīng)器

Bubblecolumnreactor,BCR使用鼓泡式反應(yīng)器進(jìn)行固定化酶的催化反應(yīng)時，反應(yīng)系統(tǒng)中同時存在固、液、氣三相。三相流化床反應(yīng)器4.鼓泡式反應(yīng)器

Bubblecolumnreactor,BCR裝置簡單，操作容易傳質(zhì)傳熱效果好，混合均勻溫度、pH易于控制

氣體參與

剪切力小氣體流速低時，返混嚴(yán)重氣泡易聚并，混合不均酶濃度低，催化效率低優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)如何改進(jìn)？4.鼓泡式反應(yīng)器

Bubblecolumnreactor,BCR控制氣體流速和通氣量使用多段式或錐形反應(yīng)器改變進(jìn)氣方向改進(jìn)措施5.膜反應(yīng)器——連續(xù)式操作

Membranereactor，MR底物產(chǎn)物A

membranereactor

isadevicethatcombinesachemicalconversionprocesswitha

membraneseparationprocess

toadd

substrates

orremoveproductsofthereaction.特點(diǎn)：將酶催化反應(yīng)與半透膜分離作用相結(jié)合適用：游離酶、固定化酶。（1）游離酶膜反應(yīng)器——CSTR/UFR5.膜反應(yīng)器

Membranereactor，MR特點(diǎn)：底物溶液連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器中，經(jīng)酶催化反應(yīng)后，酶與反應(yīng)產(chǎn)物一起進(jìn)入膜分離器中進(jìn)行分離。反應(yīng)周期長（2）固定化酶膜反應(yīng)器特點(diǎn)：將酶固定在具有一定孔徑的多孔薄膜中類型：平板形、螺旋形、管形和中空纖維形等5.膜反應(yīng)器

Membranereactor，MR

特點(diǎn)：由外殼和數(shù)以千計(jì)的中空纖維組成中空纖維反應(yīng)器Hollowfiberreactor，HFR中空纖維半透膜：內(nèi)/外層，截留大分子物質(zhì)，通過小分子物質(zhì)多孔的海綿狀支持層：酶固定其中特點(diǎn)：可承受較大壓力，通過超濾程序?qū)⒌孜飰喝肱c海綿狀支持層上的酶反應(yīng)中空纖維反應(yīng)器（HFR）5.膜反應(yīng)器

Membranereactor，MR集反應(yīng)與分離于一體酶可回收

催化效率高降低產(chǎn)物的反饋抑制作用長期使用，膜通透性降低產(chǎn)生濃差極化優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)濃差極化分離過程中，溶液在壓力驅(qū)動下透過膜，溶質(zhì)被截留，在膜與本體溶液界面或臨近膜界面區(qū)域濃度越來越高；在濃度梯度作用下，溶質(zhì)又會由膜面向本體溶液擴(kuò)散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶劑透過通量下降。6.噴射式反應(yīng)器——連續(xù)式操作

Projectionalreactor，PR特點(diǎn)：通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時催化反應(yīng)組成：噴射器（100℃以上）、維持罐（90℃）適用：耐高溫游離酶6.噴射式反應(yīng)器——連續(xù)式操作

Projectionalreactor，PR裝置簡單

混合均勻催化溫度高，催化效果好通用性差優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)小結(jié)：各類反應(yīng)器的特點(diǎn)（復(fù)習(xí)）反應(yīng)器類型適用操作方式適用酶優(yōu)點(diǎn)攪拌罐式分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶反應(yīng)較完全，反應(yīng)條件易調(diào)控填充床式連續(xù)式固定化酶催化劑密度大，可提高酶催化反應(yīng)速度流化床式連續(xù)式固定化酶混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制容易，不易堵塞，可催化粘度大的反應(yīng)液反應(yīng)器類型適用操作方式適用酶

優(yōu)點(diǎn)鼓泡塔式分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高,適于有氣體參與的反應(yīng)膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶固定化酶催化效率高，可實(shí)現(xiàn)酶與底物和產(chǎn)物的分離噴射式連續(xù)式游離酶酶與底物混合充分，催化效率高，適用于耐高溫酶的反應(yīng)小結(jié)：各類反應(yīng)器的特點(diǎn)（復(fù)習(xí)）二、酶反應(yīng)器的選擇酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)酶的應(yīng)用形式酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)其他因素（1）游離酶：適用酶反應(yīng)器類型：STR、MR、BCR、PR常用——STR氣體參與——BCR高價(jià)酶——MR耐高溫酶——PR1.酶的應(yīng)用形式1.酶的應(yīng)用形式（2）固定化酶：適用酶反應(yīng)器類型：STR、PBR、BCR、FBR、MR顆粒狀——STR、PBR、BCR、FBR小顆粒狀——FBR、BCR片狀、膜狀或纖維狀——PBR、MR平板狀、直管狀、螺旋管狀——MR

混合效果好——STR、FBR、BCR

酶受高濃度底物抑制游離酶——BSTR/BCR（流加分批）、CSTR-UFR

固定化酶——各類連續(xù)式反應(yīng)器

酶受產(chǎn)物反饋抑制——MR、PBR

酶耐受高溫——PR2.酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)

分子量大——不適用MR

溶解性物質(zhì)——任何類型反應(yīng)器底物顆粒物質(zhì)（產(chǎn)物）膠體物質(zhì)氣體——BCR輔酶參與——不適用MR

STR、FBR3.底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)

適用性：廣

成本：低使用：方便，易清洗4.適用性、成本、實(shí)用性

結(jié)構(gòu)簡單使用方便

成本低

通用性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單使用方便催化效率高通用性差STRPBR選擇反應(yīng)器需考慮的其他因素酶的機(jī)械強(qiáng)度、密度反應(yīng)操作的要求反應(yīng)速率方程式的類型對付雜菌污染的措施酶的穩(wěn)定性、再生、更換的難易反應(yīng)器內(nèi)催化表面積與反應(yīng)器體積之比青霉素酰化酶水解青霉素G生成氨基青霉烷酸（非競爭性抑制劑）和苯乙酸（競爭性抑制劑），前者是弱酸，解離性差，后者酸性強(qiáng)，隨反應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)生大量質(zhì)子。該酶對pH敏感，最佳反應(yīng)pH為8.0，則適用于該體系的酶反應(yīng)器類型是（）。PBRPRCSTRCSTR/UFRABCD提交1分例：青霉素?；杆馇嗝顾谿的反應(yīng)器選擇例：青霉素酰化酶水解青霉素G的反應(yīng)器選擇單選題1分總目標(biāo)：產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低。(4)應(yīng)具有最佳的無菌條件(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），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)和混合性能三、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟1.確定酶反應(yīng)器的類型根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)確定反應(yīng)器類型。2.確定反應(yīng)器的制造材料不銹鋼/玻璃3.進(jìn)行熱量衡算設(shè)計(jì)控溫裝置：夾套、列管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1.酶反應(yīng)器操作條件的確定及調(diào)控四、酶反應(yīng)器的操作影響酶催化反應(yīng)的因素

溫度

pH底物濃度與酶濃度反應(yīng)液的混合與流動狀態(tài)（1）反應(yīng)溫度的確定與調(diào)控酶的催化反應(yīng)有一個最適溫度。溫度過低，反應(yīng)速度減慢；過高，引起酶的變性失活。

操作：換熱裝置——夾套或列管等四、酶反應(yīng)器的操作（2）pH值的確定與調(diào)控酶的催化反應(yīng)有一個最適pH值。pH值過低或過高均使反應(yīng)速度減慢，甚至使酶變性失活。操作：加入稀酸或稀堿進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時可采用緩沖液維持反應(yīng)液的pH值。四、酶反應(yīng)器的操作（3）底物濃度的確定與調(diào)控底物濃度是決定酶促反應(yīng)速度的主要因素。底物濃度低，酶催化反應(yīng)速度隨底物濃度的增加而升高；當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定值時，反應(yīng)速度趨于平衡，甚至出現(xiàn)高濃度底物抑制現(xiàn)象。操作：適宜濃度，流加操作或連續(xù)操作四、酶反應(yīng)器的操作（4）酶濃度的確定與調(diào)控酶濃度是決定酶促反應(yīng)速度的主要因素。底物濃度足夠高時，酶催化反應(yīng)速度與酶濃度成正比；但提高酶濃度，會增加成本。操作：綜合考慮反應(yīng)速度和成本，及時補(bǔ)充和更換四、酶反應(yīng)器的操作四、酶反應(yīng)器的操作（5）反應(yīng)液的混合與流動狀態(tài)

影響因素：攪拌速度：STR、MR

液體流速：PBR、FBR、MR

氣體流速：BCR四、酶反應(yīng)器的操作（5）反應(yīng)液的混合與流動狀態(tài)①攪拌速度的確定與調(diào)控：STR：攪拌速度過慢，影響混合均勻性；

攪拌速度過快，酶的結(jié)構(gòu)受影響MR：攪拌速度過慢，產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象；

攪拌速度過快，影響膜的穩(wěn)定性操作：預(yù)先確定攪拌轉(zhuǎn)速，適時調(diào)節(jié)四、酶反應(yīng)器的操作（5）反應(yīng)液的混合與流動狀態(tài)②流速的確定與調(diào)控：PBR：

流速過慢，反應(yīng)完全，生產(chǎn)效率低；

流速過快，壓力過大，固定化酶結(jié)

構(gòu)受損，床體易堵塞。操作：控制適當(dāng)?shù)牧魉偎?、酶反?yīng)器的操作（5）反應(yīng)液的混合與流動狀態(tài)②流速的確定與調(diào)控：FBR/BCR：

流速過慢，混合效果差；

流速過快，反應(yīng)液易沖出，

固定化酶結(jié)構(gòu)受損。操作：控制進(jìn)液口的流速、

流量和進(jìn)液管的方向、排布四、酶反應(yīng)器的操作（5）反應(yīng)液的混合與流動狀態(tài)②流速的確定與調(diào)控：MR：

流速過慢，反應(yīng)效率低；

流速過快，產(chǎn)生濃差極化。操作：以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行攪拌以下關(guān)于酶反應(yīng)器的操作的說法錯誤的一項(xiàng)是（）。FBR中底物溶液流速過快時，反應(yīng)液易沖出，固定化酶結(jié)構(gòu)受到破壞降低PBR中底物溶液流速時，酶催化反應(yīng)更完全STR攪拌速度過快時，產(chǎn)生的剪切力會