酶反應(yīng)器的認知與操作-酶反應(yīng)器的選型及操作

酶反應(yīng)器的操作（1）酶反應(yīng)器的操作1（1）盡可能減少反應(yīng)器中表現(xiàn)酶活力的損失酶反應(yīng)器運行中實測的酶活力，是各種因素造成酶活力下降的結(jié)果，稱為表觀酶活力?？朔盍ο陆档霓k法：①對不同方法制備的固定化酶（細胞），控制不同的操作條件。例如，凝膠包埋酶(細胞)，控制攪拌轉(zhuǎn)速、流速不要太高，以免載體破碎使酶流失；吸附法制備的固定化酶（細胞），注意底物液的pH穩(wěn)定，離子強度低一些，以免酶從載體上脫落流失；由親水性載體制各的固定化酶，運行中載體會緩慢溶解，采用金屬氧化物包被固定化酶顆粒，是一種解決辦法②防止底物帶來的不良影響。例如，底物液若可能帶來重金屬等酶的抑制劑，可用金屬螯合劑(如EDTA)預(yù)處理除去重金屬；在底物液中加適量的酶的保護劑，防止酶抑制劑的不良影響；除去底物中斷能帶來的油脂、樹脂或多糖類物質(zhì)，以免其造成對固定化酶顆粒的包裹作用。③防止操作引起的酶變性。高流速或是高速攪拌，是酶反應(yīng)器運行中引起酶變性的主要原因，控制流速或攪拌轉(zhuǎn)速，特別是攪拌產(chǎn)生泡沫，更是必須汀意的。反應(yīng)器運行巾酶的熱變性是不可避免的，因為從理論上講，酶反應(yīng)器的操作溫度，都應(yīng)在酶的熱穩(wěn)定溫度下限，以便得到盡可能高的反應(yīng)速度，而溫度越高，酶變性也越快，這就要考慮酶的成本，綜合權(quán)衡利弊，確定操作溫度。④及時補充或更換催化劑。反應(yīng)器在運行過程中，無論其他操作多么仔細認真，酶活力總會有自然衰變而下降，所以，必須定時取樣檢測活力的變化情況，及時補充催化劑、或是定期全部更換。（2）反應(yīng)器液流狀態(tài)的控制反應(yīng)液流動型反應(yīng)器（如PBR，CSTR），必須控制底物液的流速波動，防止產(chǎn)牛溝流和壅塞現(xiàn)象。①流速控制。在填充床反應(yīng)器運行中，若流速過高，會造成固定化酶載體壓縮，使柱床壓降呈指數(shù)下降，使反應(yīng)器生產(chǎn)率下降，為保持生產(chǎn)率，如果再提高流速，就會惡性循環(huán)下去，造成流速大幅波動。為保持相對穩(wěn)定的流速，控制流速波動范圍在5%以內(nèi)是必要的。具體辦法，一是采用連續(xù)或間歇降低流速的操作；二是采取幾個小柱床反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)系統(tǒng)，因為小柱床反應(yīng)器的壓縮問題較小，小柱床串聯(lián)或并聯(lián)錯開各柱的啟動時間，控制換柱時間，可以有效地控制流速波動。國外一些生產(chǎn)廠，采用6個小柱床串聯(lián)或并聯(lián)的反應(yīng)器系統(tǒng)生產(chǎn)，用門算機處理反饋控制，使流速保持穩(wěn)定。實踐表明，并聯(lián)系統(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)的操作機動性更大。②溝流、壅塞及其防止。填充床反應(yīng)器固定化酶裝填不均勻的情況下，酶顆粒之間的空隙，在反應(yīng)器運行中將會因液流沖擊或底物中的不溶性雜質(zhì)沉積，而產(chǎn)生溝流(像雨天山坡上見到的那種不規(guī)則的水流)或液流壅塞(液流受阻而使局部液位上升的現(xiàn)象)，從而使液流流速不規(guī)則地波動，當流速過低時，往往在柱床的人口處形成沉積物的緊密薄層或在出口處流速突然加快，都可能造成壅塞現(xiàn)象，使反應(yīng)器的生產(chǎn)能力不穩(wěn)定。為防止產(chǎn)生溝流和壅塞，顯然，首要的措施就是裝填固定化酶必須認真細致，采用多層篩孔板柱，也是一種有效的措施；其二，對底物雜質(zhì)進行限量除去；其三，操作中嚴格控制進口的流速，不能過高；其四，當壅塞現(xiàn)象嚴重時，必須暫停運行，對柱床進行反沖或是重新裝拄；其五，采用高流速底物液循環(huán)，也是克服壅塞的有效辦法，但必須添加反比器的附屬設(shè)施，這不僅要增加設(shè)備投資，也會加大運行成本。CSTR的進口或出口處的過濾器，也時常出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象，定時沖洗過濾器或換過濾器，是這類反應(yīng)器操作必須注意的規(guī)程之。（3）酶反應(yīng)器的微生物污染及其防止酶促反應(yīng)的底物和產(chǎn)物，住往是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，故而容易遭受微生物的侵襲、污染。反應(yīng)器不良的結(jié)構(gòu)或粗糙的加工表面，也容易藏污納垢，滋生微生物。微生物不僅會消耗底物和/或產(chǎn)物，還會分泌蛋白酶使酶蛋白質(zhì)降解，造成更為嚴重的后果。①嚴格生產(chǎn)環(huán)境的衛(wèi)生管理。酶反應(yīng)器運行到一定時間，應(yīng)當進行—次清洗、消毒，例如，用雙氧水或酸性水清洗等，生產(chǎn)車間及周邊環(huán)境也要保持清潔衛(wèi)生。②在允許的前提下，將底物液進行預(yù)先滅菌處理，或在底物液中加適量的抑菌劑；適當提高底物液濃度．形成高滲溶液，也可防止底物染茵。③適當提高反應(yīng)溫度或改變底物液的pH。例如，45℃以上的溫度下大多數(shù)微生物即不易生長；偏離中性pH也使大多數(shù)微生物難于滋生。酶反應(yīng)器的選型（3）酶反應(yīng)器選擇的主要依據(jù)酶反應(yīng)器的選擇，首先要根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，可能采用的原料，采用的酶催化劑等充分占有有關(guān)原料的性狀和催化劑的底物動力學，固定化酶的反應(yīng)動力學以及反應(yīng)溫度、pH、離子強度、抑制劑和激活劑等對反應(yīng)速度的影響的資料，了解現(xiàn)時有關(guān)反應(yīng)器的發(fā)展情況，然后著手設(shè)計.設(shè)計的主要內(nèi)容包括下列三點：（1）選擇反應(yīng)器類型根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和所持上述基本資料，確定反應(yīng)器的操作方式、結(jié)構(gòu)類型以及流體流動方式、能量傳遞方式等。必須十分審慎地決策，它將為設(shè)計定下基調(diào)。（2）設(shè)計反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，確定各種結(jié)構(gòu)參數(shù)當反應(yīng)器類型確定后，就可以在這個框架內(nèi)，進一步確定反應(yīng)器幾何尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，攪拌器及攪拌槳的結(jié)構(gòu)、大小尺寸、攪拌轉(zhuǎn)速及其控制方式，換熱方式和換熱面積等。例如，根據(jù)所采用的固定化酶不同，確定不同的攪拌速度；為了盡量減少攪拌對固定化酶的剪切破碎作用，采用將固定化酶固定在攪拌軸上的方式等。（3）確定工藝參數(shù)及其控制方式工藝參數(shù)包括底物濃度、酶濃度、反應(yīng)的溫度、pH、離個強度、激活劑濃度、物料的流量流速、反應(yīng)器的壓力等。主要根據(jù)所采用的酶的反應(yīng)動力學特征、底物件狀、固定化酶所用的固定化方法和載體特性等，來確定這些參數(shù)及控制各