酶反應(yīng)器的認(rèn)知與操作-酶反應(yīng)器概述

酶反應(yīng)器的分類（1）酶反應(yīng)器的分類酶反應(yīng)器通常技化學(xué)反應(yīng)工程的分類方法，從不同的角度進(jìn)行分類：（1）按反應(yīng)器操作方式分批式或間歇式反應(yīng)器：一次投料，反應(yīng)結(jié)束后將酶滅活或是分離，一次收獲產(chǎn)物，清洗反應(yīng)器，再做下一批。連續(xù)式反應(yīng)器：連續(xù)流加料，連續(xù)流出產(chǎn)物，物料在反應(yīng)器中的流動(dòng)可有兩種理想狀態(tài)：呈全混式流動(dòng)或呈平推式流動(dòng)。半連續(xù)式反應(yīng)器：通常是分批投料，等整個(gè)反應(yīng)結(jié)束后一次收取產(chǎn)物。（2）按反應(yīng)器幾何構(gòu)型和結(jié)構(gòu)特征罐式反應(yīng)器：主要特征是，外形為圓柱體，高度和直徑之比（簡(jiǎn)稱高徑比，常用H／D表示）大約在l～3。管式反應(yīng)器：與罐式相比，相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)和直徑比（L／D）大于30。塔式反應(yīng)器：外形不限于圓柱形，豎立高和直徑之比大于10。膜式反應(yīng)器：主要特點(diǎn)是，反應(yīng)器內(nèi)部有各種不同類型的薄板或?yàn)V膜構(gòu)成的膜件。（3）按反應(yīng)器中的物相均相反應(yīng)器：通常用溶液酶為催化劑，底物也是溶液態(tài)的反應(yīng)器，反應(yīng)系統(tǒng)只有均一的液相。非均相反應(yīng)器；通常以固定化酶或固定化細(xì)胞為催化劑的酶反應(yīng)器，即使底物是溶液態(tài)，也有固、液兩相。還有其他的分類，如微生物反應(yīng)器、植物細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器是按培養(yǎng)對(duì)象來(lái)分類的。酶反應(yīng)器的特點(diǎn)（1）酶反應(yīng)器的特點(diǎn)酶反應(yīng)器是酶（生物催化劑）催化反應(yīng)裝置，酶不僅有高效專一的特性，還有反應(yīng)條件溫和、容易受各種不利因素影響造成催化活性下降等特性，這是在酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作時(shí)都必須重視的。具體地說(shuō)，酶反應(yīng)器與一般化學(xué)反應(yīng)器相比，有以下特點(diǎn)；（1）酶反應(yīng)器對(duì)材質(zhì)的要求一般不高酶反應(yīng)器一船都在常壓或保持適當(dāng)?shù)恼龎合逻\(yùn)轉(zhuǎn)，不需要特別耐壓的構(gòu)件；在接近中性或pH大于4、小于10的條件下操作，不需要特別耐酸堿腐蝕的材料；在較低的溫度（很少超過(guò)90℃）下反應(yīng)、不需要特別耐高溫的材料。（2）酶反應(yīng)器的專一性較強(qiáng)無(wú)論是細(xì)胞或是離體的酶催化劑、所催化的反應(yīng)系統(tǒng)、都因酶的專一性而使產(chǎn)品單一，這有利于產(chǎn)品回收，提高產(chǎn)品質(zhì)量。（3）酶反應(yīng)器要盡量保護(hù)生物催化劑的催化活性酶催化劑與一船化學(xué)催化劑不同、引起催化效率下降或是失活的因素很多．例如，酶的流失、攪拌或液體高流速剪切力引起的酶變性、反應(yīng)過(guò)程酸堿度變化使反應(yīng)環(huán)境pH變得不適、反應(yīng)底物原料中可能帶來(lái)的蛋白酶對(duì)酶催化劑的降解或是酶的抑制劑(如重金屬高子)對(duì)酶的抑制、底物抑制、產(chǎn)物抑制等等，在反應(yīng)器設(shè)汁時(shí)都要考慮周到，要求盡量保護(hù)酶的催化活性，維持反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程催化活性穩(wěn)定。（4）酶反應(yīng)器反應(yīng)條件調(diào)控設(shè)施較為復(fù)雜酶反應(yīng)器，尤其是以活細(xì)胞為催化劑的反應(yīng)器，常伴隨有細(xì)胞的增殖，因而必須有調(diào)節(jié)諸如溫度、PH、離子強(qiáng)度、底物濃度、溶氧等等反應(yīng)條件的系統(tǒng)，這就不像化學(xué)反應(yīng)那么單一。（5）酶反應(yīng)器必須考慮便于清洗和消毒滅菌酶反應(yīng)器催化的反應(yīng)系統(tǒng)很容易受微生物污染．因此反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，少有死角；盡量少用法蘭(flange)，多用焊接連接；取樣口等用蒸氣封口；保持器內(nèi)一定的正壓；外部設(shè)施亦應(yīng)方便清洗，整個(gè)系統(tǒng)常要設(shè)置滅菌系統(tǒng)等等。酶反應(yīng)器的選型（1）酶反應(yīng)器的選型酶反應(yīng)器多種多樣．選擇反應(yīng)器時(shí)要考慮以下因素。（1）酶的應(yīng)用形式酶的應(yīng)用形式不外乎二種：溶液酶、同定化酶和同定化細(xì)胞，而固定化酶義有各種不同形態(tài)，如，顆粒狀、粉狀、計(jì)狀、板狀、螺旋卷狀、微管狀、微囊膜狀、小空纖維膜狀等。固定化細(xì)胞主要是顆粒狀、塊狀、板狀竿。固定化隨和固定化細(xì)胞還有一個(gè)機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題，凝膠包埋曲和微囊包理酶，機(jī)械強(qiáng)度較差，在攪拌罐反應(yīng)器中，會(huì)被攪拌槳的的切作用而遭到破壞；凝膠包埋酶在PFR中，若床層太厚、會(huì)因其自身的質(zhì)量而使凝敗壞縮變形。以致破損，因而，應(yīng)選用或設(shè)計(jì)有分層篩板的填充床?？偟膩?lái)說(shuō)。攪拌型酶反應(yīng)器遠(yuǎn)比其他類型曲反血器更易造成酶的切變損失；而超濾膜型反應(yīng)器的操作半定期，比其他類型的酶反應(yīng)器長(zhǎng)。（（2）底物的物理性態(tài)反應(yīng)器的底物存在的物態(tài)，不外乎三種；溶液態(tài)、不溶的懸濁液態(tài)或乳濁液態(tài)、膠體態(tài)；在物性上主要是考慮粘稠度不同，會(huì)影響反成器的效率?？扇苄缘孜?，顯然可以選擇任何類型的反應(yīng)器；底物顆粒較粗的懸濁性底物，或是膠態(tài)站稠的底物，因?yàn)榈孜镆喝菀资勾矊佣氯?，則不適于選用填充床反應(yīng)器，一般選用CSTR，F(xiàn)BR或是循環(huán)流反應(yīng)器(RCR)為宜、這幾種類型的反應(yīng)器，或可采用較高的攪拌速度，或可采用高流速運(yùn)行。以減少顆粒的集結(jié)沉淀和堵塞，使底物處于懸浮狀態(tài)。但是，高的攪拌速度或是高的流速，都會(huì)造成固定化酶的破損流失和酶的切變失活，所以，這又要考慮到固定化酶的固定化方法的選擇，例如，選用機(jī)械強(qiáng)度高的離子交換樹脂吸附的固定化酶，或選用多孔玻璃共價(jià)結(jié)合的固定化酶。（3）酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)從酶促反應(yīng)速度來(lái)看，一般的說(shuō)，攪拌型反應(yīng)器的反應(yīng)速度隨攪拌速度加快而增大；流加型反應(yīng)器的反應(yīng)速度，隨流速加大而增大。從三種典型反應(yīng)器的操作方程比較可知，當(dāng)[S]》Km時(shí)，三者趨同；割[S]《Km，時(shí)，為了達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，若選用CSTR就必須增加用酶量，或是在用酶量相同的條件下，就要加大反應(yīng)器的體積，這就提示，在這種情況下，似乎選用PFR更好—些。如果反應(yīng)存在產(chǎn)物抑制的情況下，由于在相同轉(zhuǎn)化率的前提下，底物在PFR內(nèi)的停留時(shí)間比在CSTR內(nèi)的停留時(shí)間短，故選用PFR更顯優(yōu)越；但存在底物抑制情況下，由于攪拌可以降低固定化酶的擴(kuò)散限制，因而．選用BSTR硬和CSTR受到的影響小于PBR。（4）操作要求酶反應(yīng)器在運(yùn)行過(guò)程中，常需補(bǔ)充底物、調(diào)節(jié)pH、補(bǔ)充催化劑或更新催化劑等，有時(shí)還要供氧，這些操作，對(duì)BSTR和CSTR來(lái)說(shuō)，是不成問(wèn)題的，其他類型的酶反應(yīng)器，要滿足這些操作要求，就必須由特殊的設(shè)計(jì)來(lái)解決，例如，鼓泡塔類型的酶反應(yīng)器，就提供了需氧或產(chǎn)氣反應(yīng)的一種選擇；近年來(lái)，PBR也有一些特殊設(shè)計(jì)，可以解決酶的更新問(wèn)題。（5）反應(yīng)器應(yīng)用的可塑性和制造、運(yùn)行成本

—般而言，BSTR和CSTR應(yīng)用的可塑性較大，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，但這類反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)的用酶量比其他類型反應(yīng)器多，因此，當(dāng)酶成本低廉時(shí)，不失為—種有益的選擇；當(dāng)存在底物抑制時(shí)更是如此。對(duì)于溶液酶而言，用BSTR更為方便。目前工業(yè)上常用的酶反應(yīng)器主要是三類：溶液酶用BSTR，固定化兩用CSTR和