第七講固定化酶反應(yīng)器演示文稿

第七講固定化酶反應(yīng)器演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有126頁\編輯于星期四（優(yōu)選）第七講固定化酶反應(yīng)器現(xiàn)在是2頁\一共有126頁\編輯于星期四1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點反應(yīng)器的形式很多，根據(jù)進料和出料的方式，可概括分為間歇式和連續(xù)式兩大類，連續(xù)式又有兩種基本形式：連續(xù)流動攪拌罐式反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器；還有一些衍生形式：連續(xù)流動攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器、循環(huán)反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等?，F(xiàn)在是3頁\一共有126頁\編輯于星期四各種反應(yīng)器的示意圖間歇式攪拌罐反應(yīng)器BSTR連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器CSTR連續(xù)流動攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器CSTR/UF填充床反應(yīng)循環(huán)反應(yīng)器流化床反應(yīng)器PBRRCRFBR平推流反應(yīng)器PFR(S為底物、P為產(chǎn)物)現(xiàn)在是4頁\一共有126頁\編輯于星期四(a)間歇式攪拌罐反應(yīng)器(batchstirredtankreactor，BSTR)(b)

連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器(continuousflowstirredtankreactor，CSTR)(c)連續(xù)流動攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器(combinedCSTR/UFreactor，CSTR/UF)(d)填充床反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器(packedbedreactor，PBR或plug-flowreactor，PFR)(e)循環(huán)反應(yīng)器(recyclereactor，RCR)(f)流化床反應(yīng)器(fluidizedbedreactor，F(xiàn)BR)現(xiàn)在是5頁\一共有126頁\編輯于星期四間歇式攪拌罐反應(yīng)器(BSTR)間歇式攪拌罐反應(yīng)器也稱為分批攪拌反應(yīng)器，這類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，主要設(shè)有夾套或盤管裝置，以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。這類反應(yīng)器主要用于游離酶(enzymereactor)反應(yīng)。現(xiàn)在是6頁\一共有126頁\編輯于星期四將酶與底物一起加入反應(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)條件，待達到預(yù)期轉(zhuǎn)化率后，隨即放料。在這種情況下，一般不回收游離酶。當(dāng)前在食品和飲料工業(yè)中常用這種反應(yīng)器?，F(xiàn)在是7頁\一共有126頁\編輯于星期四如果把固定化酶用于間歇反應(yīng)器，則每批反應(yīng)都要從流出液中分離出產(chǎn)物和固定化酶，可以采用過濾或離心法分開。由于酶經(jīng)過反復(fù)循環(huán)回收，會失去活性，所以在工業(yè)生產(chǎn)中的固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應(yīng)器?，F(xiàn)在是8頁\一共有126頁\編輯于星期四連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）

連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上與間歇式反應(yīng)器基本相同，只不過是連續(xù)進料、連續(xù)出料。由于它具有攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。現(xiàn)在是9頁\一共有126頁\編輯于星期四其缺點是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞。近來有一種改良的CSTR，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(zhuǎn)動的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，這樣既能保證反應(yīng)液攪拌均勻，又不致?lián)p壞固定化酶?，F(xiàn)在是10頁\一共有126頁\編輯于星期四填充床反應(yīng)器(PBR)

PBR（Packedbedreactor）這種反應(yīng)器的使用最普遍，到目前為止，已發(fā)表的固定化酶反應(yīng)器的研究工作主要集中在填充床反應(yīng)器。固定化酶通?？梢愿鞣N形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內(nèi)?，F(xiàn)在是11頁\一共有126頁\編輯于星期四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、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。近年來，球形微囊體也用于填充床?，F(xiàn)在是12頁\一共有126頁\編輯于星期四在填充床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動型態(tài)接近于平推流(又稱活塞流)流型，所以填充床反應(yīng)器可近似認(rèn)為是一種平推（活塞）流反應(yīng)器(Plug-flowreactor，PFR)。這種反應(yīng)器運轉(zhuǎn)時，底物按照一定的方向以恒定流速通過反應(yīng)床?，F(xiàn)在是13頁\一共有126頁\編輯于星期四根據(jù)底物的流動方式，又有下向流動、上向流動和循環(huán)流動之分。工業(yè)生產(chǎn)中，液流方向常用上向方式，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)氣體的反應(yīng)更為重要?，F(xiàn)在是14頁\一共有126頁\編輯于星期四PBR或PFRpackedbedreactor，PBRplug-flowreactor，PFR現(xiàn)在是15頁\一共有126頁\編輯于星期四在填充床式反應(yīng)器使用過程中，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，可以在反應(yīng)器中間用托板分隔?，F(xiàn)在是16頁\一共有126頁\編輯于星期四填充床式反應(yīng)器的優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作方便，單位體積反應(yīng)床的固定化酶密度大。在工業(yè)生產(chǎn)中普通使用。現(xiàn)在是17頁\一共有126頁\編輯于星期四流化床反應(yīng)器(FBR)

在流化床反應(yīng)器（FBR）內(nèi)，底物溶液以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。流速應(yīng)以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應(yīng)床為宜。在FBR中，由于混合程度高，故傳熱、傳質(zhì)情況良好?，F(xiàn)在是18頁\一共有126頁\編輯于星期四FBRFBR可用于處理粘性強和含有固體顆粒的底物，也可用于需要供應(yīng)氣體或排放氣體的反應(yīng)。對于停留時間較短的反應(yīng)也可用FBR。流化床反應(yīng)器現(xiàn)在是19頁\一共有126頁\編輯于星期四在實際應(yīng)用過程中，要注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動速度。流動速度過低時，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動狀態(tài)；流動速度過高時，則催化反應(yīng)不完全，甚至?xí)构潭ɑ傅慕Y(jié)構(gòu)受到損壞?，F(xiàn)在是20頁\一共有126頁\編輯于星期四為了保證一定的流動速度，并使催化反應(yīng)更為完全，必要時流出的反應(yīng)液可以部分循環(huán)進入反應(yīng)器。流化床式反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大的反應(yīng)液也可進行催化反應(yīng)等特點?，F(xiàn)在是21頁\一共有126頁\編輯于星期四然而，在這種反應(yīng)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)生的剪切力以及固定化酶的碰撞會使固定化酶顆粒受到破壞。此外，流體動力學(xué)變化較大，參數(shù)復(fù)雜，故放大反應(yīng)較為困難?，F(xiàn)在是22頁\一共有126頁\編輯于星期四循環(huán)反應(yīng)器(RCR)

RCR這種反應(yīng)器是讓部分反應(yīng)液流出，和新加入的底物流入液混合，再進入反應(yīng)床進行循環(huán)。其特點是可以提高液體的流速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(zhuǎn)化率。當(dāng)反應(yīng)底物是不溶性物質(zhì)時，可以采用循環(huán)反應(yīng)器?，F(xiàn)在是23頁\一共有126頁\編輯于星期四RCR現(xiàn)在是24頁\一共有126頁\編輯于星期四連續(xù)流動攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器

CSTR/UF是由連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器和超濾裝置組合而成的反應(yīng)器。它在連續(xù)攪拌反應(yīng)罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許產(chǎn)物和未曾反應(yīng)的底物通過，相對分子質(zhì)量大的酶被截留，可以使酶反復(fù)使用?，F(xiàn)在是25頁\一共有126頁\編輯于星期四CSTR/UF此外這種反應(yīng)器還可以使相對分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相對分子質(zhì)量大的底物分開，使底物徹底轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)在是26頁\一共有126頁\編輯于星期四其他反應(yīng)器除上述反應(yīng)器外，還有淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、氣栓式流動反應(yīng)器、轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器、篩板反應(yīng)器及不同類型反應(yīng)器的結(jié)合等?，F(xiàn)在是27頁\一共有126頁\編輯于星期四1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評價4.固定化酶反應(yīng)器的操作現(xiàn)在是28頁\一共有126頁\編輯于星期四2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)根據(jù)固定化酶的形狀來選擇根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇根據(jù)酶反應(yīng)的動力學(xué)特性來選擇根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費用來選擇現(xiàn)在是29頁\一共有126頁\編輯于星期四根據(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BSTR。帶有超濾器的CSTR/UF，雖然可以解決反復(fù)使用的問題，但是常因超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還可能因為剪切力大而造成酶的失活?，F(xiàn)在是30頁\一共有126頁\編輯于星期四顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和PBR類型的反應(yīng)器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于PBR。如果固定化酶容易變形、易粘結(jié)或顆粒細(xì)小時，采用FBR較為適宜?，F(xiàn)在是31頁\一共有126頁\編輯于星期四根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應(yīng)器都適用；顆粒狀和膠狀底物，往往會堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和RCR以減少底物顆粒的集結(jié)、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)?，F(xiàn)在是32頁\一共有126頁\編輯于星期四但是，對于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過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?，F(xiàn)在是33頁\一共有126頁\編輯于星期四根據(jù)酶反應(yīng)的動力學(xué)特性來選擇

選擇反應(yīng)器，必須考慮酶反應(yīng)的動力學(xué)特性。一般來說，接近平推流特性的填充床反應(yīng)器(PFR/PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位，它適合于產(chǎn)物對酶活性具有抑制作用的反應(yīng)。PFR和CSTR相比，總效率PFR優(yōu)于CSTR，特別是當(dāng)產(chǎn)物對反應(yīng)有抑制作用時，PFR的優(yōu)越性更顯突出。現(xiàn)在是34頁\一共有126頁\編輯于星期四若底物表現(xiàn)出對酶的活性有抑制作用時，CSTR所受的影響要比PFR少一些。酶反應(yīng)器的催化反應(yīng)速度，一般是CSTR型隨攪拌速度加快而增加，PFR型隨流速增加而加快。現(xiàn)在是35頁\一共有126頁\編輯于星期四根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇

在反應(yīng)器的運轉(zhuǎn)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，其中以CSTR最為嚴(yán)重。現(xiàn)在是36頁\一共有126頁\編輯于星期四為解決這一問題而改進設(shè)計的反應(yīng)器，如把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)籃內(nèi)。這些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?，F(xiàn)在是37頁\一共有126頁\編輯于星期四根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費用來選擇

有些酶反應(yīng)需要不斷調(diào)整pH，有的需供氧，有的需補充反應(yīng)物或補充酶。所有這些操作，在CSTR中可無需中斷而連續(xù)進行，但在其他反應(yīng)器中則比較困難，需要由特殊設(shè)計來解決。現(xiàn)在是38頁\一共有126頁\編輯于星期四BSTR和CSTR的共同特征是：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適用面廣(可用于粘性或不溶性底物的轉(zhuǎn)化加工)，在底物表現(xiàn)出抑制作用時可獲得較高的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率；但是在產(chǎn)物表現(xiàn)出抑制作用時底物的轉(zhuǎn)化率就會降低。BSTR可用于溶液酶的催化反應(yīng)，它的操作也比CSTR簡便。現(xiàn)在是39頁\一共有126頁\編輯于星期四PFR最突出的優(yōu)越性在于它有較高的轉(zhuǎn)化效率，尤其是當(dāng)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)時，其轉(zhuǎn)化效率明顯優(yōu)于BSTR和CSTR。PFR的缺點是用小顆粒固定化酶時，可能產(chǎn)生壓密現(xiàn)象；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應(yīng)器不適用?，F(xiàn)在是40頁\一共有126頁\編輯于星期四FBR的優(yōu)點是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉(zhuǎn)化，低壓降。但是它消耗動力大，不易直接模仿放大?，F(xiàn)在是41頁\一共有126頁\編輯于星期四CSTR/UFR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(zhuǎn)，會使酶的穩(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。RCR的轉(zhuǎn)化率高，可以采用高速液流克服外擴散的限制；但是它的設(shè)備成本高?，F(xiàn)在是42頁\一共有126頁\編輯于星期四若考慮反應(yīng)器的價格，CSTR最便宜，它結(jié)構(gòu)簡單，又具有良好的操作性，適應(yīng)性強。此外還應(yīng)考慮固定化酶本身的費用以及在各種反應(yīng)器中的穩(wěn)定性。綜上所述，在反應(yīng)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(quán)衡，才能做出正確的決定?，F(xiàn)在是43頁\一共有126頁\編輯于星期四3.固定化酶反應(yīng)器的性能評價影響酶反應(yīng)器性能的因素很多，一般可以從以下幾個方面考慮：固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)固定化酶的穩(wěn)定性酶反應(yīng)動力學(xué)特性現(xiàn)在是44頁\一共有126頁\編輯于星期四固定化酶的形狀

通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均適用于CSTR，但是，膜狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應(yīng)器?，F(xiàn)在是45頁\一共有126頁\編輯于星期四粉狀固定化酶或者易變形、易粘結(jié)的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產(chǎn)生高壓力降，而無法實現(xiàn)高流速，此時，可采用流化床反應(yīng)器(FBR)?，F(xiàn)在是46頁\一共有126頁\編輯于星期四底物的物理性質(zhì)

底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應(yīng)器的重要因素?？扇苄缘孜镞m用于各類反應(yīng)器。難溶底物或者呈膠體溶液底物，易堵塞柱床，可選用FBR。只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護顆粒狀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于CSTR。現(xiàn)在是47頁\一共有126頁\編輯于星期四但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應(yīng)適當(dāng)控制攪拌速度。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?，F(xiàn)在是48頁\一共有126頁\編輯于星期四固定化酶穩(wěn)定性

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皮變細(xì)，從而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性。其中，尤以CSTR最為嚴(yán)重?，F(xiàn)在是49頁\一共有126頁\編輯于星期四解決這一問題的方法是改進CSTR反應(yīng)器的設(shè)計，例如：把酶直接粘結(jié)在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)筐內(nèi)。這些措施均可減弱對酶的剪切作用，有利于提高酶的穩(wěn)定性。現(xiàn)在是50頁\一共有126頁\編輯于星期四酶反應(yīng)動力學(xué)特性

酶反應(yīng)動力學(xué)特性亦是選擇反應(yīng)器的一個重要依據(jù)。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應(yīng)器(PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位。它適用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，但在有底物抑制的反應(yīng)系統(tǒng)中，CSTR的性能優(yōu)于固定床反應(yīng)器?，F(xiàn)在是51頁\一共有126頁\編輯于星期四PBR的流動特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。循環(huán)反應(yīng)器的回流溶液中含有產(chǎn)物，所以不宜用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)?，F(xiàn)在是52頁\一共有126頁\編輯于星期四反應(yīng)器的性能評價應(yīng)盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進行，通過測定活性、穩(wěn)定性、選擇性、達到的產(chǎn)物產(chǎn)量、底物轉(zhuǎn)化率等，來衡量其加工制造質(zhì)量。測定的主要參數(shù)有空時、空速、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)強度?，F(xiàn)在是53頁\一共有126頁\編輯于星期四空時是指底物在反應(yīng)器中的停留時間，數(shù)值上等于反應(yīng)器體積與底物體積流速之比，又常稱為稀釋率。當(dāng)?shù)孜锘虍a(chǎn)物不穩(wěn)定或容易產(chǎn)生副產(chǎn)物時，應(yīng)使用高活性酶，并盡可能縮短反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間?？账俣x為空時的倒數(shù)?？諘r、空速這兩個指標(biāo)一般用于連續(xù)反應(yīng)器?，F(xiàn)在是54頁\一共有126頁\編輯于星期四轉(zhuǎn)化率是指每克底物中有多少被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。在設(shè)計時，應(yīng)考慮盡可能利用最少的原料得到最多的產(chǎn)物。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應(yīng)器內(nèi)的非理想流動，均有利于選擇性反應(yīng)?，F(xiàn)在是55頁\一共有126頁\編輯于星期四使用高濃度的反應(yīng)物對產(chǎn)物的分離也是有利的，特別是當(dāng)生物催化劑選擇性高而反應(yīng)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。現(xiàn)在是56頁\一共有126頁\編輯于星期四酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強度以每小時每升反應(yīng)器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示，主要取決于酶的特性、濃度及反應(yīng)器特性、操作方法等。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、停留時間越短越好，這樣會造成浪費，在經(jīng)濟上不合算?，F(xiàn)在是57頁\一共有126頁\編輯于星期四總體而言，酶反應(yīng)器的設(shè)計應(yīng)該是在經(jīng)濟、合理的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)強度。此外，由于酶對熱是相對不穩(wěn)定的，設(shè)計時還應(yīng)特別注意質(zhì)與熱的傳遞，最佳的傳質(zhì)與傳熱的轉(zhuǎn)移可獲得最大的產(chǎn)率。現(xiàn)在是58頁\一共有126頁\編輯于星期四4.固定化酶反應(yīng)器的操作在應(yīng)用酶反應(yīng)器進行催化反應(yīng)的過程中，要充分發(fā)揮酶的催化功能，除了選用高質(zhì)量的酶、選擇適宜的酶應(yīng)用形式、選擇或設(shè)計適宜的酶反應(yīng)器以外，還要在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，確定適宜的操作條件并根據(jù)變化的情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制?，F(xiàn)在是59頁\一共有126頁\編輯于星期四1．酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制2．酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項3．酶反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降的原因及對策現(xiàn)在是60頁\一共有126頁\編輯于星期四酶反應(yīng)器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應(yīng)液的混合與流動等?，F(xiàn)在是61頁\一共有126頁\編輯于星期四底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶的催化作用是底物在酶的作用下轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的過程。底物濃度是決定酶催化反應(yīng)速度的主要因素。現(xiàn)在是62頁\一共有126頁\編輯于星期四在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度與底物濃度成正比，反應(yīng)速度隨著底物濃度的增加而升高。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_到一定的數(shù)值時，反應(yīng)速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向平衡。現(xiàn)在是63頁\一共有126頁\編輯于星期四在酶催化反應(yīng)過程中，要確定一個適宜的底物濃度范圍。底物濃度過低，反應(yīng)速度慢；底物濃度過高，反應(yīng)液的粘度增加。有些酶還會受到高底物濃度的抑制作用。現(xiàn)在是64頁\一共有126頁\編輯于星期四對于分批式反應(yīng)器，首先將一定濃度的底物溶液引進反應(yīng)器，調(diào)節(jié)pH，將溫度調(diào)節(jié)到適宜的溫度，然后加進適量的酶液進行反應(yīng)?，F(xiàn)在是65頁\一共有126頁\編輯于星期四為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法，即先將一部分底物和酶加到反應(yīng)器中進行反應(yīng)，隨著反應(yīng)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到反應(yīng)器中進行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液一次全部取出?，F(xiàn)在是66頁\一共有126頁\編輯于星期四通過分批流加的操作方式，反應(yīng)體系中底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，提高酶催化反應(yīng)的速率?，F(xiàn)在是67頁\一共有126頁\編輯于星期四對于連續(xù)式反應(yīng)器，則將配制好的一定濃度的底物溶液連續(xù)地加進反應(yīng)器中進行反應(yīng)，反應(yīng)器中底物濃度保持恒定，反應(yīng)液連續(xù)地排出。現(xiàn)在是68頁\一共有126頁\編輯于星期四酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)研究結(jié)果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應(yīng)速度與酶濃度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反應(yīng)的速度。然而，酶濃度的提高必然會增加費用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對于價格高的酶，必須綜合考慮反應(yīng)速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。現(xiàn)在是69頁\一共有126頁\編輯于星期四在酶使用過程中，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，所以需要進行補充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，連續(xù)式固定化酶反應(yīng)器應(yīng)具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結(jié)構(gòu)簡單，操作容易?，F(xiàn)在是70頁\一共有126頁\編輯于星期四反應(yīng)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，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；溫度過高，會引起酶的變性失活。因此，在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，要根據(jù)酶的動力學(xué)特性，確定酶催化反應(yīng)的最適溫度，并將反應(yīng)溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)。現(xiàn)在是71頁\一共有126頁\編輯于星期四在溫度發(fā)生變化時，要及時進行調(diào)節(jié)。一般酶反應(yīng)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，通過熱交換作用，保持反應(yīng)器中反應(yīng)液的溫度恒定在一定的范圍內(nèi)。如果采用噴射式反應(yīng)器，則通過控制水蒸氣的壓力，以達到控制溫度的目的。現(xiàn)在是72頁\一共有126頁\編輯于星期四pH的確定與調(diào)節(jié)控制

反應(yīng)液的pH對酶催化反應(yīng)有明顯影響，由于酶催化反應(yīng)都有一個最適pH值，pH過高或過低都會使反應(yīng)速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，在酶催化反應(yīng)過程中，要根據(jù)酶的動力學(xué)特性確定酶催化反應(yīng)的最適pH，并將反應(yīng)液的pH維持在適宜的范圍內(nèi)。現(xiàn)在是73頁\一共有126頁\編輯于星期四采用分批式反應(yīng)器進行酶催化反應(yīng)時，通常在加入酶液之前，先用稀酸或稀堿將底物溶液調(diào)節(jié)到酶的最適pH，然后加酶進行催化反應(yīng)；對于在連續(xù)式反應(yīng)器中進行的酶催化反應(yīng)，一般將調(diào)節(jié)好pH的底物溶液(必要時采用緩沖溶液配制)連續(xù)加到反應(yīng)器中。現(xiàn)在是74頁\一共有126頁\編輯于星期四有些酶催化反應(yīng)前后的pH變化不大，如α-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反應(yīng)過程中，pH基本恒定，在反應(yīng)過程中不需進行pH的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在是75頁\一共有126頁\編輯于星期四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(yīng)生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反應(yīng)前后pH的變化較大，在反應(yīng)過程中需進行必要的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在是76頁\一共有126頁\編輯于星期四pH的調(diào)節(jié)通常采用稀酸溶液或稀堿溶液進行，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，必要時可以采用緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應(yīng)液的pH?，F(xiàn)在是77頁\一共有126頁\編輯于星期四攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶在進行催化反應(yīng)時，首先要與底物結(jié)合，然后才能進行催化反應(yīng)。要使酶能夠與底物結(jié)合，就必須保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分子能夠進行有效碰撞，進而互相結(jié)合進行催化反應(yīng)。現(xiàn)在是78頁\一共有126頁\編輯于星期四在攪拌罐式反應(yīng)器和游離酶膜反應(yīng)器中，都設(shè)計安裝有攪拌裝置，通過適當(dāng)?shù)臄嚢鑼崿F(xiàn)均勻的混合。因此，首先要在實驗的基礎(chǔ)上確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況的變化進行攪拌速度的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在是79頁\一共有126頁\編輯于星期四攪拌速度過慢，會影響混合的均勻性；攪拌過快，產(chǎn)生的剪切力會使酶的結(jié)構(gòu)受到影響，尤其是會使固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞，而影響催化反應(yīng)的進行。現(xiàn)在是80頁\一共有126頁\編輯于星期四流動速度的確定與調(diào)節(jié)控制

在連續(xù)式酶反應(yīng)器中，底物溶液連續(xù)地進入反應(yīng)器，同時反應(yīng)液連續(xù)地排出，通過溶液的流動實現(xiàn)酶與底物的混合和催化。為了使催化反應(yīng)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，并且不會影響酶的催化作用?，F(xiàn)在是81頁\一共有126頁\編輯于星期四對于流化床反應(yīng)器（FBE），如果流體流速過慢，固定化酶顆粒就不能很好飄浮翻動，甚至沉積在反應(yīng)器底部，從而影響酶與底物的均勻接觸和催化反應(yīng)的順利進行，乃至產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，影響底物溶液順利進入反應(yīng)器?，F(xiàn)在是82頁\一共有126頁\編輯于星期四如果流體流速過高或流動狀態(tài)混亂，則固定化酶顆粒在反應(yīng)器中激烈翻動、碰撞，會使固定化酶的結(jié)構(gòu)受到破壞，以致使酶脫落、流失，從而影響催化反應(yīng)的進行?，F(xiàn)在是83頁\一共有126頁\編輯于星期四流體在流化床反應(yīng)器中的流動速度和流動狀態(tài)可以通過控制進液口的流體流速和流量，以及進液管的方向和排布等方法，加以調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在是84頁\一共有126頁\編輯于星期四填充床式反應(yīng)器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過固定化酶層，其流動速度決定酶與底物的接觸時間和反應(yīng)的進行程度?，F(xiàn)在是85頁\一共有126頁\編輯于星期四在反應(yīng)器的直徑和高度確定的情況下(高徑比)，流速越慢，酶與底物接觸時間越長，反應(yīng)越完全，但是生產(chǎn)效率越低，因此需要選擇好適宜流速，流速過慢，則催化反應(yīng)速度降低，而降低生產(chǎn)效率，流速過快，則反應(yīng)不完全，有一部分底物未轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物就被排出，影響轉(zhuǎn)化效率?，F(xiàn)在是86頁\一共有126頁\編輯于星期四在理想的操作情況下，填充床式反應(yīng)器任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)物濃度也是一致的。這種反應(yīng)器又稱為活塞流反應(yīng)器(plugflowreactor，PFR)?，F(xiàn)在是87頁\一共有126頁\編輯于星期四酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，除了控制各種反應(yīng)條件，還須注意下列問題：(1)保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性(2)保持反應(yīng)器中流體的流動方式和狀態(tài)(3)防止酶的變性失活(4)防止微生物的污染

現(xiàn)在是88頁\一共有126頁\編輯于星期四保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，應(yīng)盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應(yīng)條件的激烈波動?，F(xiàn)在是89頁\一共有126頁\編輯于星期四在酶的催化反應(yīng)過程中，酶是反應(yīng)的主體，必須保證所使用的酶的質(zhì)量穩(wěn)定，此外在游離酶反應(yīng)中，要盡量保持酶的濃度穩(wěn)定在一定的范圍，在固定化酶反應(yīng)中，每隔一段時間要檢測酶的活力，并根據(jù)變化情況及時進行更換或補充?，F(xiàn)在是90頁\一共有126頁\編輯于星期四在攪拌罐式反應(yīng)器中，應(yīng)盡量保持?jǐn)嚢杷俣鹊姆€(wěn)定，不要斷斷續(xù)續(xù)、時快時慢，否則剪切力的反復(fù)變化，會加快酶特別是固定化酶結(jié)構(gòu)的破壞?，F(xiàn)在是91頁\一共有126頁\編輯于星期四在連續(xù)式反應(yīng)器的操作中，應(yīng)盡量保持流速的穩(wěn)定，并保持流進的底物濃度和流出的產(chǎn)物濃度不要變化太大，以保證反應(yīng)液中底物濃度的穩(wěn)定。現(xiàn)在是92頁\一共有126頁\編輯于星期四在填充床反應(yīng)器中要防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象，在膜反應(yīng)器中要防止由于濃差極化而產(chǎn)生的膜孔阻塞現(xiàn)象。此外，在反應(yīng)過程中，要盡量保持反應(yīng)溫度、反應(yīng)液pH等的穩(wěn)定，不要波動太大，以保持反應(yīng)器恒定的生產(chǎn)能力。現(xiàn)在是93頁\一共有126頁\編輯于星期四保持反應(yīng)器中流體的流動方式和狀態(tài)

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，應(yīng)盡量保持液體和氣體的流動方式和狀態(tài)，因為流動方式和狀態(tài)的改變，會影響底物、產(chǎn)物與酶的接觸狀態(tài)，從而影響催化反應(yīng)的速度?，F(xiàn)在是94頁\一共有126頁\編輯于星期四防止酶的變性失活

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)特別注意防止酶的變性失活。引起酶變性失活的因素主要有：溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。

現(xiàn)在是95頁\一共有126頁\編輯于星期四溫度酶反應(yīng)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反應(yīng)速度，從而增加產(chǎn)物的產(chǎn)率?，F(xiàn)在是96頁\一共有126頁\編輯于星期四然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐高溫的酶以外，通常酶催化反應(yīng)在60℃以下進行，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。現(xiàn)在是97頁\一共有126頁\編輯于星期四因此，酶反應(yīng)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件下進行?，F(xiàn)在是98頁\一共有126頁\編輯于星期四pH在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，反應(yīng)液的pH應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在酶催化反應(yīng)的適宜pH范圍內(nèi)，除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH4～9的條件下進行催化反應(yīng)，pH過高或過低都對催化不利，甚至引起酶的變性失活?，F(xiàn)在是99頁\一共有126頁\編輯于星期四在操作過程中進行pH的調(diào)節(jié)時，一定要一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?，F(xiàn)在是100頁\一共有126頁\編輯于星期四重金屬離子重金屬離子例如鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+)等會與酶分子結(jié)合而引起酶的不可逆變性。因此，在酶反應(yīng)器的操作過程中，要盡量避免重金屬離子的存在?，F(xiàn)在是101頁\一共有126頁\編輯于星期四為了避免從原料或者反應(yīng)器系統(tǒng)帶進某些重金屬離子給酶分子造成不利影響，必要時可以添加適量的EDTA等金屬螯合劑，以除去重金屬離子對酶的危害。現(xiàn)在是102頁\一共有126頁\編輯于星期四剪切力在酶反應(yīng)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。所以在攪拌式反應(yīng)器的操作過程中，要防止過高的攪拌速度對酶特別是固定化酶結(jié)構(gòu)的破壞；現(xiàn)在是103頁\一共有126頁\編輯于星期四在流化床式反應(yīng)器和鼓泡式反應(yīng)器的操作過程中，要控制流體的流速，防止固定化酶顆粒的過度翻動和碰撞而引起固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞?，F(xiàn)在是104頁\一共有126頁\編輯于星期四保護劑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，例如在淀粉酶的催化過程中添加鈣離子等。現(xiàn)在是105頁\一共有126頁\編輯于星期四酶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液加進反應(yīng)器中，然后再將酶加到底物溶液中進行催化反應(yīng)。現(xiàn)在是106頁\一共有126頁\編輯于星期四防止微生物的污染

在應(yīng)用酶反應(yīng)器進行催化反應(yīng)過程中，由于酶的作用底物或反應(yīng)產(chǎn)物往往只有一、二種，一般情況下不具備微生物生長、繁殖的基本條件；現(xiàn)在是107頁\一共有126頁\編輯于星期四在酶反應(yīng)器進行操作時，與微生物發(fā)酵和動、植物細(xì)胞培養(yǎng)所使用的反應(yīng)器有所不同，一般不必在嚴(yán)格的無菌條件下進行操作，然而這并不意味著酶反應(yīng)器的操作過程不必防止微生物污染?，F(xiàn)在是108頁\一共有126頁\編輯于星期四不同酶的催化反應(yīng)，由于底物、產(chǎn)物和催化條件各不相同，在催化過程中受到微生物污染的可能性存在很大差別?，F(xiàn)在是109頁\一共有126頁\編輯于星期四一些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，例如，乙醇氧化酶催化乙醇氧化反應(yīng)，青霉素?；复呋嗝顾鼗蝾^孢菌素反應(yīng)等，其受微生物污染的情況較少。現(xiàn)在是110頁\一共有126頁\編輯于星期四有些酶的催化反應(yīng)溫度較高，例如，α-淀粉酶，TaqDNA聚合酶等的反應(yīng)溫度在50℃以上，一般微生物無法生長?，F(xiàn)在是111頁\一共有126頁\編輯于星期四有些酶催化反應(yīng)的pH較高或較低，例如，胃蛋白酶在pH2.0的條件下進行催化，堿性蛋白酶在pH9.0以上催化蛋白質(zhì)水解反應(yīng)等，對微生物有抑制作用?，F(xiàn)在是112頁\一共有126頁\編輯于星期四有些酶可以在非水介質(zhì)中進行催化反應(yīng)，例如脂肪酶在有機介質(zhì)中催化轉(zhuǎn)酯反應(yīng)等，在有機介質(zhì)中，微生物難以生長繁殖，微生物污染的可能性甚微。現(xiàn)在是113頁\一共有126頁\編輯于星期四而有些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物是微生物生長、繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)，例如淀粉酶類催化淀粉水解生成糊精、麥芽糖、葡萄糖等，蛋白酶類催化蛋白質(zhì)水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等，在反應(yīng)過程中或者