酶反應(yīng)器的認(rèn)知與操作-幾種常用的酶反應(yīng)器

分批式反應(yīng)器（1）分批式反應(yīng)器分批式攪拌罐反應(yīng)器也稱間歇式反應(yīng)器（hatchstirredtankreactor，BSTR），常簡稱分批式反應(yīng)器（圖9.2-1），其操作特點是：反應(yīng)器內(nèi)的底物和酶(無論是固定化酶或是游離酶)，都是一次投入，反應(yīng)完畢，一次取出，并用過濾或超濾法分離酶和產(chǎn)物，固定化酶轉(zhuǎn)入下批使用；游離酶一般不回收，往往加熱或用其他方法處理使其變性除去。其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，傳質(zhì)阻力由攪拌克服，反應(yīng)能迅速達到穩(wěn)態(tài)。缺點是：操作麻煩，酶的使用半衰期較短。適用于產(chǎn)品品種多，產(chǎn)量少，酶源價廉的小規(guī)模生產(chǎn)，主要用于飲料食品加工工業(yè)；目前許多發(fā)商工廠的淀粉液化和糖化的酶法水解，也都是用游離酶，在間歇式攪拌操作。固定化酶較少用此法。BSTR也可以進行半分批式操作．即分次加入底物、反應(yīng)結(jié)束后—次出料，分離產(chǎn)品。適出于存在底物抑制的酶反應(yīng)。各種不同類型酶反應(yīng)器a—間隙式反應(yīng)器；b—連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器；c—填充床反應(yīng)器；d—循環(huán)流填充床反應(yīng)器；e—流化床反應(yīng)器；f—連續(xù)流攪拌罐超濾膜反應(yīng)器；g—螺旋卷膜式反應(yīng)器輔酶再生系統(tǒng)（1）輔酶再生系統(tǒng)輔酶再生系統(tǒng)，被稱為第二代反應(yīng)器，也即是一類組合式酶反應(yīng)器。例如，NAD，NADP，ATP的再生系統(tǒng)，有的已用于工業(yè)生產(chǎn)。德國學(xué)者Kula等曾經(jīng)設(shè)計了一種由亮氨酸脫氫酶（LueDH）催化a-酮異己酸和銨鹽生產(chǎn)L-亮氨酸的酶反應(yīng)器，該酶需要消耗NADH，供氫，并被氧化為NAD+，為使其冉生，他們采用了甲酸脫氫酶(FDH)，該酶需NAD—，接受由甲酸脫下來的氫，生成NADH，即NAD+得到了再生。此項設(shè)計，利用液-液雙水相技術(shù)，獲得廉價的甲酸脫氫酶和亮氨脫氫酶，將兩種酶和NADH一同在PFG-20000上進行固定化，再把這個反應(yīng)系統(tǒng)置于超濾膜反府器內(nèi)，如圖9.2-4所示。輔酶再生系統(tǒng)此系統(tǒng)連續(xù)反應(yīng)兩個月，酶系催化效率不減，輔酶l循環(huán)80000次，由LueDH催化a-酮異己酸和銨鹽生產(chǎn)L—亮氨酸，日產(chǎn)量達1000克，而甲酸經(jīng)脫氫產(chǎn)生的二氫化碳也可以利用，膜狀、中空纖維固定化酶只適用于PBR型，有氣體參與反應(yīng)的系統(tǒng)，可用鼓泡塔反應(yīng)器，也可用流化床反應(yīng)器。鼓泡塔式反應(yīng)器（1）鼓泡塔式反應(yīng)器鼓炮塔式反應(yīng)器．是—類氣、液、固三相反應(yīng)器，工作原理與流化床反應(yīng)器相似．外形有柱狀的、鼓肚狀的、多鼓串接成塔狀的（如圖9.2-3所示）。用于需氧反應(yīng)時，一般由塔下方輸入加壓氣體，由于氣體進入塔內(nèi)，在液固相中分散叫會鼓泡而得名。這對固定化活細(xì)胞是一種有效設(shè)備，用于厭氧細(xì)胞產(chǎn)生時(加固定化酒精酵母生產(chǎn)乙醇)，通入二氧化碳鼓泡。鼓炮塔式反應(yīng)器設(shè)計較復(fù)雜，但是設(shè)備投資和操作費用不高，總計還是比傳統(tǒng)生產(chǎn)法低，因此正在發(fā)展之中。圖9.2-3幾種鼓泡塔式反應(yīng)器連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器（1）連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器（continuousstirredtankreactor，CSTR）是DSTR的一種發(fā)展，其操作特點是：先向反應(yīng)器內(nèi)投人固定化酶和底物溶液，攪拌平衡后，再以恒定的流速連續(xù)流人底物溶液．同時以同樣的流速流出含產(chǎn)物的溶液。液流方向，通常是由反應(yīng)器下方進，上方出口，也有L進下出的（圖9.2-1）。CSTR的優(yōu)點是：傳質(zhì)阻力低，能處理膠狀底物和不溶件底物，固定化酶易于更換；缺點是：酶較易破損流失，用酶量較填充床反應(yīng)器大，為了克服酶流失的缺點，在出口處安裝過濾器，或?qū)⒐潭ɑ赣媚猃埦W(wǎng)袋裝上，固定在攪拌器軸上；或是做成磁件固定化酶顆粒，在反應(yīng)器出口處借助十磁吸滯留之。CSTR適用于存在底物抑制的酶反應(yīng)。各種不同類型酶酶反應(yīng)器a—間隙式反應(yīng)器；b—連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器；c—填充床反應(yīng)器；d—循環(huán)流填充床反應(yīng)器；e—流化床反應(yīng)器；f—連續(xù)流攪拌罐超濾膜反應(yīng)器；g—螺旋卷膜式反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（1）流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（fluidizedbedreactor）和CSTR—樣，是將適量的粉狀或小顆粉狀固定化酶(或細(xì)胞)懸浮于反應(yīng)器中，不攪拌，而由向上的底物液流的沖擊作用，達到混合的目的（圖9.2-1）。這種反應(yīng)器控制好流速是操作的關(guān)鍵，應(yīng)以能使固定化酶顆粒保持懸浮狀態(tài)，又不溢出反應(yīng)器為度，因而，達不到CSTR的全混狀態(tài)，但混合程度高，傳質(zhì)、傳熱良好，可適用于處理高粘度和粉末狀不溶性底物，亦可用于有氣體參與反應(yīng)或反應(yīng)過程產(chǎn)生氣體的酶反應(yīng)操作。由于流化床液流的沖擊作用，固定化酶顆粒容易破損，反應(yīng)器中的酶濃度不高，運轉(zhuǎn)成本較高．也不適用于存在產(chǎn)物抑制的酶反應(yīng)，這些都是其缺點。改進的辦法，一是使底物進行循環(huán)，二是將幾個流化床串聯(lián)成反應(yīng)器組，三是將反應(yīng)器做成分區(qū)進口底物液的結(jié)構(gòu)，四是設(shè)計錐形體反應(yīng)器。還有從改進固定化酶制備方面著手的辦法，如磁性化等。圖9.2-1各種不同類型酶酶反應(yīng)器a—間隙式反應(yīng)器；b—連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器；c—填充床反應(yīng)器；d—循環(huán)流填充床反應(yīng)器；e—流化床反應(yīng)器；f—連續(xù)流攪拌罐超濾膜反應(yīng)器；g—螺旋卷膜式反應(yīng)器膜型酶反應(yīng)器（1）膜型酶反應(yīng)器膜型反應(yīng)器是由膜狀（包括半透性膜）或薄板狀固定化酶（細(xì)胞）組裝的酶反應(yīng)器的總稱。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有多種形式。一種簡單的利用方式，即是用超濾膜裝置與CSTR聯(lián)合，組成連續(xù)攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器。超濾膜起到阻留酶的作用，無論游離酶或是固定化酶（或細(xì)胞），都可用這種酶反應(yīng)器生產(chǎn)有用物質(zhì)。現(xiàn)巳用于由纖維素酶、a-淀粉酶、糖化酶生產(chǎn)葡萄糖，由青霉素?；干a(chǎn)8-氨基青霉烷酸等。超濾膜的另一類利用力式，是用超濾膜制備固定化酶（或細(xì)胞），然后裝填于柱形反應(yīng)器中而成超濾膜反應(yīng)器（UFR）。又有各種不同的形式，將酶固定化于中空纖維超濾膜的腔內(nèi)或是外面的基質(zhì)層上，集束裝于管式反應(yīng)器中，構(gòu)成中空纖維膜式反應(yīng)器。底物液可以壓入中空纖維膜內(nèi)腔，向膜外流動，與外同定化酶反應(yīng)后流出（反循環(huán)式）；也可以從中空纖維外壁壓入腔內(nèi)，與內(nèi)固定化酶反應(yīng)后、從膜內(nèi)流出(反沖式)；還有在中空纖維上半部由腔內(nèi)外流，下半部又由外向內(nèi)流，冉梳出反應(yīng)器的。將酶固定化于膜狀惰性支持物上，將其卷成螺旋卷狀，填充于柱中，稱為螺旋卷膜式反應(yīng)器（圖9.2-1）。以包埋法為主制備的凝膠成型薄片固定化酶圓盤，疊裝在旋轉(zhuǎn)軸上，把整個裝置浸泡在底物液中，即成轉(zhuǎn)盤型酶膜反應(yīng)器。此型反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)較簡單，容易放大，但反應(yīng)器中單位體積的催化劑的有效面積較小?？招拿腹芊磻?yīng)器（圖9.2-2），是將酶固定化于內(nèi)徑約1mm的細(xì)管的內(nèi)壁，組裝而成，底物流經(jīng)管內(nèi)與酶接觸進行反應(yīng)，這類反應(yīng)器在自動分析儀中應(yīng)用較多。膜型反應(yīng)器，特別是中空纖維膜反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作麻煩，成本高，傳質(zhì)阻力大，不適宜于黏稠和不溶性底物應(yīng)用。但反應(yīng)器的酶損失小，反應(yīng)器的清洗、消毒及反應(yīng)條件控制，都較容易，一般不存在酶的底物抑制和產(chǎn)物抑制(轉(zhuǎn)盤型反應(yīng)器除外)，因此，有的已用于工業(yè)化生產(chǎn)，例如，用雙酶膜反應(yīng)器生產(chǎn)L-丙氨酸等。圖9.2-2幾種膜型固定化酶反應(yīng)器a—立型平板式；b—螺旋卷式；c—轉(zhuǎn)盤式；d—空心管式；f—中空纖維式噴射式反應(yīng)器（1）噴射式反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器是利用高壓蒸氣的射流作用原理，當(dāng)蒸氣噴射流經(jīng)管道狹窄部位時，所生產(chǎn)的負(fù)壓將酶和底物溶液吸入反應(yīng)器，在高溫下短時(幾秒鐘)完成反應(yīng)，并噴出反應(yīng)器。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，轉(zhuǎn)化效率高。這是新近為耐熱的高溫a-淀粉酶液化淀粉而設(shè)計的—種新型反應(yīng)器。填充床反應(yīng)器（1）填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器(packedreactor)也稱活塞流反應(yīng)器（p1ugflowreactor），兩個名稱各反映了這種反應(yīng)器的一個側(cè)面，填充床，表明通常是將固定化酶或固定化細(xì)胞裝填于反應(yīng)器的柱管中，而形成反應(yīng)柱床；活塞流，表明反應(yīng)器運行過程中，底物和產(chǎn)物液連續(xù)流動是呈平推流即活塞梳的狀態(tài)（圖9.2-1）。填充床所用的面定化酶(或細(xì)腦)，可以是顆粒狀或片狀或膜狀的，分層裝填，還可用半透性中空纖維固定化酶，豎直平行裝填反應(yīng)器柱管（圖9.2-1）。PFR液體流動的方式，有下向流、上向流或是循環(huán)流之分，工業(yè)上通常多用上向流，可以避免下向流動的液壓對柱床的影響，對反應(yīng)產(chǎn)生氣體的，尤應(yīng)注意。

PFR的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，效率高、易于實現(xiàn)白動化，對于存在產(chǎn)物抑制的反