第九章 酶反應(yīng)器

第九章酶反應(yīng)器9.1

什么是酶反應(yīng)器酶和固定化酶在體外進行催化反應(yīng)時，都必需在一定的反應(yīng)容器中進行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催化反應(yīng)的速度。用于酶進行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反應(yīng)提供合適的場所和最佳的反應(yīng)條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。酶催化反應(yīng)過程示意圖過程調(diào)控生物反應(yīng)器

消毒原料預(yù)處理

產(chǎn)物分離提純

產(chǎn)品生物催化劑制備空氣除菌能量熱量酶的應(yīng)用形式游離酶：主要用于物質(zhì)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品加工和三廢處理等過程，存在缺點是很難反復使用液體酶制劑固體酶制劑固定化酶：主要用于物質(zhì)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品加工、工藝改進及三廢處理等，由于固定化酶能反復使用，反應(yīng)后很容易和反應(yīng)液分離而保證產(chǎn)品質(zhì)量完整細胞：利用細胞內(nèi)各種酶的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、三廢處理等過程發(fā)揮作用

對于游離酶和固定化酶的選擇，應(yīng)考慮：1）酶應(yīng)用的性質(zhì)和范圍；2）酶的保存穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性；3）成本等。7.2理想的酶反應(yīng)器的要求生物反應(yīng)器設(shè)計的主要目標：使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低。評價生物反應(yīng)器的主要標準：反應(yīng)器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。(4)應(yīng)具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應(yīng)器的生產(chǎn)能力下降。(1)所用生物催化劑應(yīng)具有較高的比活和酶濃度（或細胞濃度），才能得到較大的產(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。傳質(zhì)是指底物和產(chǎn)物在反應(yīng)介質(zhì)中的傳遞。傳質(zhì)阻力是反應(yīng)器速度限制的主要因素。常見的酶反應(yīng)器類型按結(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)填充床式反應(yīng)器(packedcolumnreactor,PCR)流化床式反應(yīng)器(FluidizedBedReactor,FBR)膜反應(yīng)器(MembraneReactor,MR)噴射式反應(yīng)器按操作方式區(qū)分分批式反應(yīng)(batch)連續(xù)式反應(yīng)(continuous)流加分批式反應(yīng)(feedingbatch)混合形式連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批攪拌罐反應(yīng)器（BatchStirredTankReactor,BSTR）各種酶反應(yīng)器的特點反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的酶特點攪拌罐式反應(yīng)器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應(yīng)液也可進行催化反應(yīng)。反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的酶特點鼓泡式反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應(yīng)器的結(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,適合于有氣體參與的反應(yīng)。膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶固定化酶清洗比較困難噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)(1)間歇式酶反應(yīng)器又稱為批量反應(yīng)器（BatchReactorBSTR）、間歇式攪拌罐、攪拌式反應(yīng)罐。其特點是：底物與酶一次性投入反應(yīng)器內(nèi)，產(chǎn)物一次性取出；反應(yīng)完成之后，固定化酶（細胞）用過濾法或超濾法回收，再轉(zhuǎn)入下一批反應(yīng)。優(yōu)點是：裝置較簡單，造價較低，傳質(zhì)阻力很小，反應(yīng)能很迅速達到穩(wěn)態(tài)。缺點是：操作麻煩，固定化酶經(jīng)反復回收使用時，易失去活性，故在工業(yè)生產(chǎn)中，間歇式酶反應(yīng)器很少用于固定化酶，但常用于游離酶。(2)連續(xù)式酶反應(yīng)器又稱為連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）、連續(xù)式攪拌罐。向反應(yīng)器投入固定化酶和底物溶液，不斷攪拌，反應(yīng)達到平衡之后，再以恒定的流速連續(xù)流入底物溶液，同時，以相同流速輸出反應(yīng)液（含產(chǎn)物）。優(yōu)點是：在理想狀況下，混合良好，各部分組成相同，并與輸出成分一致。缺點是：攪拌漿剪切力大，易打碎磨損固定化酶顆粒。底物溶液進口反應(yīng)液出口(3)填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器（PackedReactor,PBR）,又稱固定床反應(yīng)器。將固定化酶填充于反應(yīng)器內(nèi)，制成穩(wěn)定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反應(yīng)條件下實現(xiàn)酶催化反應(yīng)，以一定的流速，收集輸出的轉(zhuǎn)化液（含產(chǎn)物）。優(yōu)點是：高效率、易操作、結(jié)構(gòu)簡單等，因而，PBR是目前工業(yè)生產(chǎn)及研究中應(yīng)用最為普遍的反應(yīng)器。它適用于各種形狀的固定化酶和不含固體顆粒、黏度不大的底物溶液，以及有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。缺點是：傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)相對較低。當?shù)孜锶芏群腆w顆?；蝠ざ群艽髸r，不宜采用PBR。(4)流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（FluidizedBedReactor,FBR）。特點是：底物溶液以足夠大的流速，從反應(yīng)器底部向上通過固定化酶柱床時，便能使固定化酶顆粒始終處于流化狀態(tài)。其流動方式使反應(yīng)液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之間。FBR可用于處理黏度較大和含有固體顆粒的底物溶度，同時，亦可用于需要供氣體或排放氣體的酶反應(yīng)（即固、液、氣三相反應(yīng)）。但因FBR混合均勻，故不適用于有產(chǎn)物抑制的酶反應(yīng)。(5)鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)是利用從反應(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)底物和混合兩種作用的一類反應(yīng)器。也是一種無攪拌裝置的反應(yīng)器。鼓泡式反應(yīng)器可以用于游離酶和固定化酶的催化反應(yīng)。在使用鼓泡式反應(yīng)器進行固定化酶的催化反應(yīng)時，反應(yīng)系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床式反應(yīng)器。鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，操作容易,剪切力小，物質(zhì)與熱量的傳遞效率高，是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器。例如氧化酶催化反應(yīng)需要供給氧氣，羧化酶的催化反應(yīng)需要供給二氧化碳等。(6)膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器（membranereactor,MR）是將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器?？梢杂糜谟坞x酶的催化反應(yīng)，也可以用于固定化酶的催化反應(yīng)。用于固定化酶催化反應(yīng)的膜反應(yīng)器是將酶固定在具有一定孔徑的多孔薄膜中，而制成的一種生物反應(yīng)器。膜反應(yīng)器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉(zhuǎn)盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應(yīng)器。連續(xù)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器

簡稱CSTR-UFR。在CSTR（連續(xù)式攪拌罐）出口處設(shè)置一個超濾器?？梢詫⑿》肿赢a(chǎn)物與大分子酶和底物分開，有利于產(chǎn)物回收。該反應(yīng)器適用于顆粒較細的固定化酶、游離酶和細胞以及小分子產(chǎn)物與大分子底物。游離酶在膜反應(yīng)器中進行催化反應(yīng)時，底物溶液連續(xù)地進入反應(yīng)器，酶在反應(yīng)容器的溶液中與底物反應(yīng)，反應(yīng)后，酶與反應(yīng)產(chǎn)物一起，進入膜分離器進行分離，小分子的產(chǎn)物透過超濾膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循環(huán)使用。9.3

酶反應(yīng)器的選擇和使用影響酶反應(yīng)器選擇的因素很多，但一般可以從以下幾個方面考慮：酶的形式(游離/固定化..)固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)酶反應(yīng)動力學性質(zhì)酶的穩(wěn)定性操作要求反應(yīng)器制造、控制成本通常顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用填充床反應(yīng)器（PBR），而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均可使用于連續(xù)式攪拌罐（CSTR），膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應(yīng)器。在應(yīng)用游離酶進行催化反應(yīng)時，酶與底物均溶解在反應(yīng)溶液中，通過互相作用，進行催化反應(yīng)?？梢赃x用攪拌罐式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器、噴射式反應(yīng)器等?？扇苄缘孜镞m用于所有的反應(yīng)器。難溶底物或者底物溶液呈膠體狀者，易堵塞柱床，可選用FBR。顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。當反應(yīng)過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時，選用CSTR更為方便。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度變細，從而影響了固定化酶的操作穩(wěn)定性。游離酶反應(yīng)器的選擇可以選用攪拌罐式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器、噴射式反應(yīng)器等。①游離酶催化反應(yīng)最常用的反應(yīng)器是攪拌罐式反應(yīng)器。攪拌罐式具有設(shè)備簡單，操作簡便，酶與底物的混合較好，物質(zhì)與熱量的傳遞均勻，反應(yīng)條件容易控制等優(yōu)點，但是反應(yīng)后酶與反應(yīng)產(chǎn)物混合在一起，酶難于回收利用。②對于有氣體參與的酶催化反應(yīng)，通常采用鼓泡式反應(yīng)器。鼓泡式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，操作容易,混合均勻，物質(zhì)與熱量的傳遞效率高，是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器。③對于某些價格較高的酶，由于游離酶與反應(yīng)產(chǎn)物混在一起，為了使酶能夠回收，可以采用游離酶膜反應(yīng)器。④對于某些耐高溫的酶，如高溫淀粉酶等，可以采用噴射式反應(yīng)器，進行連續(xù)式的高溫短時反應(yīng)。噴射式反應(yīng)器混合效果好，催化效率高，只適用于耐高溫的酶。固定化酶反應(yīng)器的選擇：應(yīng)用固定化酶進行催化反應(yīng)，可以選擇攪拌罐式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器等。應(yīng)用固定化酶進行反應(yīng)，由于酶不會或者很少流失，為了提高酶的催化效率，通常采用連續(xù)反應(yīng)的操作形式。顆粒狀的固定化酶可以采用攪拌罐式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器等進行催化反應(yīng)。根據(jù)酶反應(yīng)動力學性質(zhì)選擇反應(yīng)器：(1)必須保證酶分子與底物分子能夠有效碰撞，為此，必須使酶與底物在反應(yīng)系統(tǒng)中混合均勻?！魯嚢韫奘椒磻?yīng)器、流化床式反應(yīng)器均具有較好的混合效果。填充床式反應(yīng)器的混合效果較差。在使用膜反應(yīng)器時，也可以采用輔助攪拌或者其他方法，以提高混合效果，防止?jié)獠顦O化。

(2)底物濃度的高低對酶反應(yīng)速度有顯著影響?！艟哂懈邼舛鹊孜镆种谱饔玫拿?，如果采用分批攪拌罐式反應(yīng)器，可以采取流加分批反應(yīng)的方式進行反應(yīng)?！魧τ诰哂懈邼舛鹊孜镆种谱饔玫挠坞x酶，可以采用游離酶膜反應(yīng)器進行催化反應(yīng)；◆對于具有高濃度底物抑制作用的固定化酶，可以采用連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器等進行連續(xù)催化反應(yīng)。(3)有些酶催化反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物對酶有反饋抑制作用?！魧τ诰哂挟a(chǎn)物反饋抑制作用的固定化酶，也可以采用填充床式反應(yīng)器。(4)某些酶可以耐受100℃以上的高溫，最好選用噴射式反應(yīng)器。根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器：

反應(yīng)底物或產(chǎn)物的分子質(zhì)量較大時，由于底物或產(chǎn)物難于透過超濾膜的膜孔，所以一般不采用膜反應(yīng)器。反應(yīng)底物或者產(chǎn)物的溶解度較低、粘度較高時，應(yīng)當選擇攪拌罐式反應(yīng)器或者流化床式反應(yīng)器，而不采用填充床式反應(yīng)器和膜反應(yīng)器，以免造成阻塞現(xiàn)象。反應(yīng)底物為氣體時，通常選擇鼓泡式反應(yīng)器。有些需要小分子物質(zhì)作為輔酶（輔酶可以看作是一種底物）的酶催化反應(yīng)，通常不采用膜反應(yīng)器，以免輔酶的流失而影響催化反應(yīng)的進行。9.4

酶反應(yīng)器的設(shè)計確定酶反應(yīng)器的類型酶反應(yīng)器的設(shè)計，首先要根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)，按照選擇原則，選擇并確定反應(yīng)器的類型。確定反應(yīng)器的制造材料由于酶催化反應(yīng)具有條件溫和的特點，通常都是在常溫、常壓、pH近乎中性的環(huán)境中進行反應(yīng)，所以酶反應(yīng)器的設(shè)計對制造材料沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼制造反應(yīng)容器即可。進行熱量衡算酶催化反應(yīng)一般在30～70℃的常溫條件下進行，所以熱量衡算并不復雜。溫度的調(diào)節(jié)控制也較為簡單，通常采用一定溫度的熱水通過夾套（或列管）加熱或冷卻方式，進行溫度的調(diào)節(jié)控制，熱量衡算是根據(jù)熱水的溫度和使用量計算。對于某些耐高溫的酶，例如高溫淀粉酶，可以采用噴射式反應(yīng)器，熱量衡算時，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進行計算。進行物料衡算酶反應(yīng)動力學參數(shù)/底物用量/酶量/反應(yīng)體積/反應(yīng)器數(shù)量9.5酶反應(yīng)器的操作條件確定及調(diào)控反應(yīng)溫度的確定與條件控制pH的確定與調(diào)節(jié)控制底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制混合程度的確定與調(diào)節(jié)控制反應(yīng)溫度的確定與條件控制反應(yīng)溫度的確定：在酶反應(yīng)器的操作中，應(yīng)根據(jù)特定酶的動力學特性確定酶催化反應(yīng)的最適溫度，將溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)，并根據(jù)反應(yīng)過程溫度的變化及時予以調(diào)節(jié)溫度條件控制：在酶反應(yīng)器中設(shè)計、安裝夾套或列管等換熱裝置，通過熱交換使反應(yīng)器內(nèi)溫度維持在一定范圍內(nèi)。如采用的是蒸氣噴射式反應(yīng)器，則可通過控制水蒸氣的壓力達到控制溫度的目的。pH、底物濃度、酶濃度、混合程度的確定與調(diào)節(jié)控制pH：在酶催化反應(yīng)過程中，要根據(jù)酶的動力學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)，以保證催化反應(yīng)的順利進行。底物濃度：在酶催化反應(yīng)過程中，要根據(jù)酶促反應(yīng)動力學特性，確定一個