蛋白質(zhì)與酶工程第七章酶反應器

1、一、生物反應器概述生物反應過程：利用生物催化劑將原料轉化 成有用物質(zhì)的過程。四個組成部分：原材料的預處理生物催化劑的制備生物反應器的選擇及反應條件的控制產(chǎn)物的分離提純2生物反應過程生物反應過程: : 由生物工程所引出的生產(chǎn)過程由生物工程所引出的生產(chǎn)過程3生物反應器：在整個生物反應過程中處于中心的地位，連接原料和產(chǎn)物的橋梁，是實現(xiàn)生物技術產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關鍵設備。 在反應器中，通過產(chǎn)物的合成，使廉價的原料升值。 生物反應器的設計和操作，是生物工程中一個及其重要的問題，它對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有很大影響。評價生物反應器主要是看它評價生物反應器主要是看它生產(chǎn)能力的大生產(chǎn)能力的大小小以及以及產(chǎn)品質(zhì)量的高低產(chǎn)品

2、質(zhì)量的高低。4 一般的化學反應器相似： 維持一定的溫度、pH、反應物（營養(yǎng)物質(zhì)，包括溶解氧）濃度，并具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合性能，以提供合適的環(huán)境條件，確保生物反應的順利進行。 與一般的化學反應器不同： 細胞生物反應器在運行中要杜絕外界各種微生物的進入，避免雜菌污染造成的損失。 生物反應器的要求生物反應器的要求5生物反應器設計的主要目標是使產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。生物反應器處于生物過程的中心，它常是影響整個過程的經(jīng)濟效益的一個重要方面。6生物反應器這一術語出現(xiàn)的時間不長，但人們利用生物反應器進行有用物質(zhì)生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統(tǒng)發(fā)酵食品時使用的容器就是最初的生物反應器。20世紀40

3、年代是生物反應器的開發(fā)、研制和應用獲得迅速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應器稱為“發(fā)酵罐”（fermenter）7820世紀70年代，Atkinson提出了生化反應器（biochemical reactor）一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應器、處理廢水用反應器等。同一時期，Ollis提出了另一術語生物反應器（biological reactor）.20世紀80年代，生物反應器（bioreactor)一詞在專業(yè)期刊與書籍中大量出現(xiàn)。9生物反應器設計和操作的限制因素主要是傳質(zhì)傳質(zhì)和傳熱傳熱。傳質(zhì)和傳熱是設計生物反應器和控制操作條件最主要考慮的問題。傳質(zhì)問題在底物不溶的反應過程中

4、是顯而易見，在高耗氧的生物反應過程中則尤為突出。新的反應器不斷出現(xiàn)，相應地提高了傳質(zhì)效率。傳熱問題在放熱的生物反應過程中非常重要，為了保持生物反應器能在常溫下進行，如何移走熱量是進行大型的生物反應器設計時必須重視的一個環(huán)節(jié)。傳質(zhì)和傳熱傳質(zhì)和傳熱10酶反應器（酶反應器（enzyme reactorenzyme reactor）定義：通常將用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備稱為酶反應器。作用：使酶得到合理的應用，并能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低成本。1112131、什么是酶反應器2、理想的酶反應器的要求3、各種酶反應器的特點4、酶反應器的選擇和使用GoGoGoGo5、酶反應器的設計Go6、酶反應器的放

5、大Go7、酶反應器的操作Go酶和固定化酶在體外進行催化反應時，都必需在一定的反應容器中進行，以便控制酶催化反應的各種條件和催化反應的速度。用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備稱為酶用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備稱為酶反應器。反應器。酶反應器是用于完成酶促反應的核心裝置。它為酶催化反應提供合適的場所合適的場所和最佳的反應條件最佳的反應條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地轉化成產(chǎn)物。它處于酶催化應過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。酶催化反應過程示意圖酶催化反應過程示意圖過程調(diào)控過程調(diào)控酶反應器酶反應器 消消毒毒原料原料預處理預處理 產(chǎn)物分產(chǎn)物分離提純離提純 產(chǎn)產(chǎn)品品生物催化

6、生物催化劑制備劑制備空氣空氣除菌除菌能量能量熱量熱量回本章目錄生物反應器設計的主要目標： 使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低。評價生物反應器的主要標準： 反應器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低反應器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。(4) (4) 應具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應器的生產(chǎn)應具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應器的生產(chǎn)能力下降。能力下降。(1) 所用生物催化劑應具有較高的酶濃度（或細胞濃度），才所用生物催化劑應具有較高的酶濃度（或細胞濃度），才能得到較大的產(chǎn)品轉化率。能得到較大的產(chǎn)品轉化率。(2) (2) 能用電腦自動檢測和調(diào)控，從而獲得最佳的

7、反應條件。能用電腦自動檢測和調(diào)控，從而獲得最佳的反應條件。(3) (3) 應具有良好的傳質(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)物在反應介質(zhì)中的傳遞。傳質(zhì)阻力是反應器速度限制的主要因素。應介質(zhì)中的傳遞。傳質(zhì)阻力是反應器速度限制的主要因素。按結構結構區(qū)分 攪拌罐式反應器（Stirred Tank Reactor, STR） 鼓泡式反應器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反應器(packed column reactor, PCR ) 流化床式反應器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反應器(Mem

8、brane Reactor, MR) 按操作方式操作方式區(qū)分 分批式反應(batch ) 連續(xù)式反應(continuous ) 流加分批式反應(feeding batch ) 混合形式混合形式 連續(xù)攪拌罐反應器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批攪拌罐反應器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） 回本章目錄反應器類型適用的操作方式適用的酶特點攪拌罐式反應器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應比較完全，反應條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化

9、床反應器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應器具有混合均勻，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，對粘度較大反應液也可進行催化反應。反應器類型適用的操作方式適用的酶 特點鼓泡式反應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器的結構簡單，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。膜反應器連續(xù)式游離酶固定化酶清洗比較困難 噴射式反應器連續(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，適用于某些耐高溫酶的反應又稱為批量反應器（Batch Reactor BSTRBSTR）、間歇式攪拌罐、攪拌式反應罐。其特點特點是：

10、底物與酶一次性投入反應器內(nèi)，產(chǎn)物一次性取出；反應完成之后，固定化酶（細胞）用過濾法或超濾法回收，再轉入下一批反應。優(yōu)點是：裝置較簡單，造價較低，傳質(zhì)阻力很小，反應能很迅速達到穩(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，間歇式酶反應器很少用于固定化酶，但常用于游離酶。 反應反應罐體罐體機械攪拌機械攪拌部分部分恒溫恒溫裝置裝置SubstrateCells時間時間濃濃度度0又稱為連續(xù)攪拌釜式反應器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTRCSTR）、連續(xù)式攪拌罐。向反應器投入固定化酶和底物溶液，不斷攪拌，反應達到平衡之后，再以恒定的

11、流速連續(xù)流入底物溶液，同時，以相同流速輸出反應液（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。SubstrateCells時間時間濃濃度度023填充床反應器（Packed Reactor,PBR）,又稱固定床反應器。將固定化酶填充于反應器內(nèi)，制成穩(wěn)定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反應條件下實現(xiàn)酶催化反應，以一定的流速，收集輸出的轉化液（含產(chǎn)物）。SubstrateProduct軸向位移軸向位移 x濃濃度度0循環(huán)式填充床反應器 將填充床和循環(huán)槽偶聯(lián)，不斷補充含有底物的新鮮料液，并及時分離出產(chǎn)物，可以減少產(chǎn)物抑制

12、，保證產(chǎn)物的連續(xù)生產(chǎn)。26優(yōu)點： 設備簡單 操作方便 單位體積反應床的固定化酶密度大 可以提高酶催化反應的速度缺點：底層固定化酶顆粒所受壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎。27流化床反應器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。特點是：底物溶液以足夠大的流速，從反應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（即固、液、氣三相反應）。但因FBR混合均勻，故不適用于有產(chǎn)物抑制的酶反應。

13、將流化床和循環(huán)槽偶聯(lián)，使底物循環(huán)利用，并可減少產(chǎn)物抑制，保證產(chǎn)物的連續(xù)生產(chǎn)。 操作時應控制好料液的流動速率，以防小顆粒被吹出。優(yōu)點： 混合均勻 傳質(zhì)和傳熱效果好 溫度和pH值易于調(diào)節(jié)控制 不易堵塞 對黏度較大的反應液也可進行催化反應30缺點：需要較高的流速才能維持粒子的充分流態(tài)化，而且固定化酶顆粒易于被破壞，流體動力學變化較大，參數(shù)復雜，放大較為困難。單位體積內(nèi)催化劑密度低需保持一定的流速，運行成本高目前，流化床反應器主要被用來處理一些粘度高的液體和顆粒細小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白質(zhì)。31鼓泡式反應器(bubble column reactor, BCR)是利用從反應器底部通入的氣體產(chǎn)生

14、的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用的一類反應器。也是一種無攪拌裝置的反應器。無攪拌器，靠氣流作用攪拌適用于游離 / 固定化酶（細胞）氣體入口處有氣流分布器，產(chǎn)生分散均勻的小氣泡簡單鼓泡式簡單鼓泡式內(nèi)循環(huán)式內(nèi)循環(huán)式外循環(huán)式外循環(huán)式鼓泡式反應器的型式氣液固三相系統(tǒng)，涉及氣體吸收或產(chǎn)生的反應，采用此類型反應器效果較好，又稱為三相流化床式反應器結構簡單操作方便剪切力小，對結構較脆弱的細胞和固定化載體有利可用于連續(xù)反應，也可用于分批反應物質(zhì)與熱量的傳遞效率高是有氣體參與的酶催化反應中常用的一種反應器34膜反應器（membrane reactor, MRMR）是將酶催化反應與半透膜的分

15、離作用組合在一起而成的反應器。可以用于游離酶的催化反應，也可以用于固定化酶的催化反應。用于固定化酶催化反應的膜反應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器。膜反應器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應器。酶反應器的類型 膜反應器 中空纖維膜反應器 由數(shù)千根醋酸纖維制成的中空纖維管，固定在反應器中 內(nèi)徑 200500 m，外徑 300900 m 內(nèi)層緊密光滑，多微孔，具一定分子量截留值（截留酶 / 細胞） 外層為多孔海綿狀支持層，酶固定于此（或內(nèi)外相反）酶反應器的類型 膜反應器 中空纖維膜反應器 工作原理 培養(yǎng)基和空氣從中空纖維膜

16、的內(nèi)腔流入，底物透過纖維內(nèi)壁上的微孔進入固定化催化劑層，經(jīng)酶或細胞催化生成產(chǎn)物，再經(jīng)微孔，流入中空纖維。 固定化酶或細胞因體積大，無法透過纖維膜孔而被截留。酶反應器的類型 膜反應器 超濾酶膜反應器 將超濾膜分離器與連續(xù)攪拌式反應器（CSTR）偶聯(lián)，將酶和小分子底物 / 產(chǎn)物通過超濾分離，由于酶分子量大，不能透過超濾膜而被截留，可循環(huán)使用。 透過超濾膜的產(chǎn)物和部分未反應完全的底物再進入下一工序進行分離。游離酶在膜反應器中進行催化反應時，底物溶液連續(xù)地進入反應器，酶在反應容器的溶液中與底物反應，反應后，酶與反應產(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

17、再循環(huán)使用。 膜反應器的特點 游離酶和固定化酶均適用 催化劑（酶、細胞）與底物、產(chǎn)物分離容易 可作用于膠態(tài)或不溶性底物，特別是產(chǎn)物對酶有抑制作用時 酶易在膜上吸附損失或濃縮極化 膜會因為污染或微孔堵塞而導致工作能力下降 放大成本高昂（7）噴射式反應器（projectional reactor，PR） 利用高壓蒸汽噴射作用，實現(xiàn)酶與底物混合，進行高溫瞬時反應的一種反應器 適用面較狹窄，僅適用于耐高溫游離酶的連續(xù)催化反應影響酶反應器選擇的因素很多，但一般可以從以影響酶反應器選擇的因素很多，但一般可以從以下幾個方面考慮：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

18、反應動力學性質(zhì) 酶的穩(wěn)定性 操作要求 反應器制造、控制成本主要影響因素：酶的應用形式酶的反應動力學性質(zhì)底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)要求：結構簡單、操作方便、易于維護 和清洗、可適用于多種酶的催化 反應、制造成本和運行成本較低7.4 酶反應器的選擇和使用43（1）、游離酶反應器的選擇游離酶適用的反應器特點：均相均相反應常用：攪拌罐式反應器有氣體參與：鼓泡式反應器昂貴的酶：酶膜反應器 酶回收較容易耐高溫酶：噴射式反應器不宜采用的反應器填充床式反應器流化床式反應器44（2）固定化酶反應器的選擇固定化酶適用的反應器l特點：非均相非均相反應，多采用連續(xù)式連續(xù)式操作l影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩(wěn)定性l顆

19、粒狀固定化酶/細胞攪拌罐式反應器 槳葉剪切力大，對顆粒有機械強度要求填充床式反應器 顆粒堆積密度大；床層壓強大流化床式反應器 混合效果好；動力消耗大；有機械強度要求鼓泡式反應器 即“三相流化床”l非顆粒狀固定化酶/細胞 膜反應器不宜采用的反應器l噴射式反應器45采用流化床反應器時，固定化酶的顆粒不能太大，密度要與反應液的密度相當，而且要有較高的強度。有氣體參與的酶催化反應，通常采用鼓泡式反應器。平板狀、直管狀、螺旋管狀固定化酶一般采用膜反應器。467.4.2 根據(jù)酶反應動力學性質(zhì)選擇反應器主要影響因素：酶與底物的混合程度底物濃度對酶催化反應速度的影響反應產(chǎn)物對酶的反饋抑制作用酶催化作用的溫度條

20、件4748（1）酶與底物的混合程度 要使酶與底物有效結合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞 混合效果好 攪拌罐式反應器 流化床式反應器 鼓泡式反應器 混合效果較差 填充床式反應器 膜反應器 改善混合特性改善混合特性 輔助攪拌輔助攪拌 （2） 底物濃度及其抑制作用 底物的濃度受其對酶抑制情況的制約 防止底物濃度過高 游離酶 酶膜反應器 連續(xù)式操作 攪拌罐式反應器 流加式操作 / 連續(xù)式操作 固定化酶 攪拌罐式反應器 填充床式反應器 流化床式反應器 酶膜反應器49 （3）產(chǎn)物濃度及其抑制作用 產(chǎn)物的過度積累造成抑制 設法將產(chǎn)物移出反應器 游離酶 酶膜反應器 固定化酶 酶膜反應器、填充床式反應器50

21、（4）酶反應溫度 耐高溫酶 噴射式反應器 對可以耐受100以上高溫的酶催化反應，最好是選擇噴射式反應器。 優(yōu)點：加速反應，縮短反應時間，催化效率高517.4.3 7.4.3 根據(jù)底物和產(chǎn)物理化性質(zhì)選擇反應器根據(jù)底物和產(chǎn)物理化性質(zhì)選擇反應器主要影響因素：底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)分子量溶解性黏度52需要小分子物質(zhì)作為輔酶參與，通常不采用膜反應器。底物或產(chǎn)物的分子量較大，一般不采用膜反應器。底物或者產(chǎn)物的溶解度較低、黏度較高應當選擇攪拌罐式反應器或者流化床反應器，而不采用填充床式反應器和膜反應器。有氣體底物參與時，通常選用鼓泡式反應器。537.5 7.5 酶反應器的設計酶反應器的設計7.5.17.5.1

22、、確定酶反應器的、確定酶反應器的類型類型7.5.27.5.2、確定酶反應器的、確定酶反應器的制造材料制造材料7.5.37.5.3、進行、進行熱量熱量衡算衡算7.5.47.5.4、進行、進行物料物料衡算衡算54是酶反應器設計的第一步。根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)選擇并確定酶反應器的類型。55對制造材料要求比較低，一般采用不銹鋼或玻璃等材料即可，可根據(jù)投資的大小來選擇。56主要是根據(jù)熱水的溫度和使用量來進行計算。對于噴射式反應器，根據(jù)所使用的水蒸氣的熱焓和用量來計算。再根據(jù)所需傳遞的熱量和反應器換熱裝置制造材料的傳熱系數(shù)，計算所需的傳熱面積，并根據(jù)使用要求確定換熱器的傳熱方式，再確定換熱裝置的形狀和尺

23、寸。57是酶反應器設計的重要任務確定酶催化反應動力學參數(shù)底物用量反應液總體積酶用量反應器數(shù)量58是反應器設計的主要依據(jù)之一根據(jù)酶反應動力學特性，確定反應所需的：底物濃度酶濃度最適溫度最適pH激活劑濃度確定酶催化反應動力學參數(shù)確定酶催化反應動力學參數(shù)59計算底物用量計算底物用量產(chǎn)量：產(chǎn)量：P（kg/年）年）=Pd（ kg /d） 300 分批反應器分批反應器 =Ph（kg/h） 300 24 連續(xù)反應器連續(xù)反應器根據(jù)根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)物轉化率產(chǎn)物轉化率和和收率收率，計，計算所需底物用量。算所需底物用量。60計算反應液總體積計算反應液總體積Vt反應液總體積（反應液總體積（m3）mS底物用量（

24、底物用量（kg）S反應前底物濃度（反應前底物濃度（kg/ m3）61酶用量的計算酶用量的計算E所需的酶量（所需的酶量（U）E酶濃度（酶濃度（U/m3） Vt 反應液體積（反應液體積（m3）62反應器數(shù)量的計算反應器數(shù)量的計算一般反應器的有效體積為反應器總體積一般反應器的有效體積為反應器總體積的的70%80%70%80%。63N構成所需反應器數(shù)量（個）構成所需反應器數(shù)量（個）Vd每天的反應液總體積（每天的反應液總體積（m3/d）V0 單個反應器的有效體積（單個反應器的有效體積（m3）t 底物在反應器中的停留時間（底物在反應器中的停留時間（h）對于對于分批反應器分批反應器，可以根據(jù)每天獲得的反應，

25、可以根據(jù)每天獲得的反應液的總體積、單個反應器的有效體積和底物液的總體積、單個反應器的有效體積和底物在反應器內(nèi)的停留時間，計算所需反應器數(shù)在反應器內(nèi)的停留時間，計算所需反應器數(shù)目。目。64對于對于連續(xù)反應器連續(xù)反應器，可以根據(jù)每小時獲得的反，可以根據(jù)每小時獲得的反應液的總體積、反應器的有效體積和底物在應液的總體積、反應器的有效體積和底物在反應器內(nèi)的停留時間，計算反應器數(shù)目。反應器內(nèi)的停留時間，計算反應器數(shù)目。N過程所需的反應器數(shù)量（個）過程所需的反應器數(shù)量（個）Vh每小時的反應液總體積（每小時的反應液總體積（m3/h）V0 單個反應器的有效體積（單個反應器的有效體積（m3）t 底物在反應器中的停

26、留時間（底物在反應器中的停留時間（h）657.6 7.6 酶反應器的放大酶反應器的放大通常一個生物反應過程的開發(fā)，包括了三個不通常一個生物反應過程的開發(fā)，包括了三個不同規(guī)模的階段：同規(guī)模的階段： 利用實驗室規(guī)模的反應器進行工藝試驗；利用實驗室規(guī)模的反應器進行工藝試驗； 在中間規(guī)模的反應器中試驗（中試），確在中間規(guī)模的反應器中試驗（中試），確定最佳的操作條件；定最佳的操作條件； 在大型生產(chǎn)設備中投入生產(chǎn)。在大型生產(chǎn)設備中投入生產(chǎn)。66目前主要有：目前主要有： 經(jīng)驗放大法經(jīng)驗放大法 幾何相似放大幾何相似放大 單位體積液體中攪拌功率相同放大單位體積液體中攪拌功率相同放大 攪拌器葉尖速度相同放大攪拌器

27、葉尖速度相同放大 混合時間相同放大混合時間相同放大 因次分析法因次分析法 時間常數(shù)法時間常數(shù)法 數(shù)學模擬法數(shù)學模擬法677.7 7.7 酶反應器的操作酶反應器的操作酶反應器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控酶反應器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制制酶反應器應用的注意事項酶反應器應用的注意事項68溫度溫度pHpH底物濃度底物濃度酶濃度酶濃度反應液的混合與流動反應液的混合與流動691 1、反應溫度的確定與調(diào)節(jié)控制、反應溫度的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應的最根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應的最適溫度。適溫度。將反應溫度控制在適宜溫度范圍內(nèi)，在溫度將反應溫度控制在適宜溫度范圍內(nèi)，在溫度發(fā)生變化時

28、，及時進行調(diào)節(jié)。發(fā)生變化時，及時進行調(diào)節(jié)。夾套、列管等換熱裝置。夾套、列管等換熱裝置。噴射式反應器，通過控制水蒸汽的壓力。噴射式反應器，通過控制水蒸汽的壓力。702 2、pHpH值的確定與調(diào)節(jié)控制值的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應的最根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應的最適適pHpH。分批式反應器，通常在加入酶液之前，用稀分批式反應器，通常在加入酶液之前，用稀酸或稀堿調(diào)節(jié)底物溶液到酶的最適酸或稀堿調(diào)節(jié)底物溶液到酶的最適pHpH。連續(xù)式反應器，一般將調(diào)節(jié)好連續(xù)式反應器，一般將調(diào)節(jié)好pHpH的底物溶液的底物溶液連續(xù)加到反應器中。連續(xù)加到反應器中。有些酶的底物或產(chǎn)物是一種酸或堿，反

29、應前有些酶的底物或產(chǎn)物是一種酸或堿，反應前后后pHpH變化大，必須在反應過程中進行必要的變化大，必須在反應過程中進行必要的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。71pHpH的調(diào)節(jié)通常采用稀酸或稀堿溶液進行的調(diào)節(jié)通常采用稀酸或稀堿溶液進行，加入稀酸或稀堿溶液時，加入稀酸或稀堿溶液時要一邊攪拌一邊慢慢添加，以防止局要一邊攪拌一邊慢慢添加，以防止局部過酸或過堿部過酸或過堿必要時可以采用緩沖溶液配制底物溶必要時可以采用緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應液的液，以維持反應液的pHpH。723 3、底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制、底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制底物濃度是決定酶催化速度的主要因素。底物濃度是決定酶催化速度的主要因素。要確定一個適宜

30、的底物濃度范圍。要確定一個適宜的底物濃度范圍。通常底物濃度在通常底物濃度在510Km510Km。要防止高濃度底物的抑制作用。要防止高濃度底物的抑制作用。734 4、酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制、酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制綜合考慮反應速度和成本，確定一個適綜合考慮反應速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。宜的酶濃度。對連續(xù)式固定化酶反應器應具備添加或?qū)B續(xù)式固定化酶反應器應具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結構簡單、操作容易。構簡單、操作容易。74保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分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，進而互相結合進行子能夠進行

31、有效碰撞，進而互相結合進行催化反應。催化反應。首先要在試驗的基礎上確定適宜的攪拌速度首先要在試驗的基礎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)，并根據(jù)情況的變化進行攪拌速度的調(diào)節(jié)。攪拌速度過慢，會影響混合的均勻性；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構受攪拌過快，產(chǎn)生的剪切力會使酶的結構受到影響，尤其是會使固定化酶的結構破壞到影響，尤其是會使固定化酶的結構破壞甚至破碎。甚至破碎。75必須確定適宜的流動速度和流動狀態(tài)（流體必須確定適宜的流動速度和流動狀態(tài)（流體速度、流量、進液管的方向和排布等），并速度、流量、進液管的方向和排布等），并根據(jù)變化的情況進

32、行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。根據(jù)變化的情況進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。流化床反應器，通過控制進液口的流體流速流化床反應器，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，加和流量以及進液管的方向和排布等方法，加以調(diào)節(jié)。以調(diào)節(jié)。填充床式反應器，必須選擇好適宜流速。填充床式反應器，必須選擇好適宜流速。76膜反應器膜反應器，采用適當?shù)乃俣葦嚢?，使粘附，采用適當?shù)乃俣葦嚢瑁拐掣皆谀け砻娴墓绦挝锖痛蠓肿游镔|(zhì)離開膜表在膜表面的固形物和大分子物質(zhì)離開膜表面，還可以通過控制流動速度和流動狀態(tài)面，還可以通過控制流動速度和流動狀態(tài)，使反應液混合均勻，減少濃差極化現(xiàn)象，使反應液混合均勻，減少濃差極化現(xiàn)象的發(fā)生。的發(fā)生。噴射式反

33、應器噴射式反應器，可以控制蒸汽壓力和噴射，可以控制蒸汽壓力和噴射速度進行調(diào)節(jié)。速度進行調(diào)節(jié)。77二、酶反應器操作的注意事項二、酶反應器操作的注意事項1、保持酶反應器的操作穩(wěn)定性在酶反應器的應用過程中，盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應條件的激烈波動。攪拌罐式反應器，盡量保持攪拌速度的穩(wěn)定；連續(xù)式反應器，盡量保持流速的穩(wěn)定，流進的底物濃度和流出的產(chǎn)物濃度不要變化太大；填充床式反應器，防止固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象發(fā)生；78膜反應器，要防止?jié)獠顦O化而產(chǎn)生的膜膜反應器，要防止?jié)獠顦O化而產(chǎn)生的膜孔阻塞現(xiàn)象?？鬃枞F(xiàn)象。反應過程，盡量保持反應溫度、反應液反應過程，盡量保持反應溫度、反應液pHpH

34、值等的穩(wěn)定，不要波動太大，以保值等的穩(wěn)定，不要波動太大，以保持反應器恒定的生產(chǎn)能力。持反應器恒定的生產(chǎn)能力。79盡量保持液體和氣體的流動方式和狀盡量保持液體和氣體的流動方式和狀態(tài)。態(tài)。流動方式和狀態(tài)的改變，會影響底物流動方式和狀態(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、產(chǎn)物與酶的接觸狀態(tài)，從而影響催化反應的速度?；磻乃俣?。80特別注意防止酶的變性失活。特別注意防止酶的變性失活。影響因素主要有溫度、影響因素主要有溫度、pHpH、重金屬離子以及、重金屬離子以及剪切力等。剪切力等。除了某些耐高溫的酶以外，通常酶的催化除了某些耐高溫的酶以外，通常酶的催化反應在反應在6060以下進行；以

35、下進行；除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH4-9pH4-9的條件下進行；的條件下進行；重金屬離子例如鉛離子（重金屬離子例如鉛離子（PbPb2+2+）、汞離子）、汞離子（HgHg2+2+）等會與酶分子結合而引起酶的不）等會與酶分子結合而引起酶的不可逆變性?？赡孀冃浴?1在應用酶反應器進行催化反應過程中，由于酶的作用底物或反應產(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，在進行操作時，一般不必在嚴格的無菌條件下進行操作，然而并不意味著不必防止微生物污染。不同酶的催化反應，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

36、有很大差別。82一些酶催化的底物或產(chǎn)物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，受微生物污染的情況較少有些酶催化反應溫度較高，微生物無法生長有些酶催化反應的pH較高或較低，對微生物有抑制作用。有些酶可以在非水介質(zhì)中進行催化反應，微生物難于生長繁殖，污染的可能性甚微。而有些酶催化反應的底物或產(chǎn)物是微生物生長、繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)，在反應過程中或者在反應結束后，在適合微生物生長繁殖的條件下，必須注意防止微生物的污染。83酶反應器的操作必須符合必要的衛(wèi)生條酶反應器的操作必須符合必要的衛(wèi)生條件，尤其是在生產(chǎn)藥用或食用產(chǎn)品時，件，尤其是在生產(chǎn)藥用或食用產(chǎn)品時，衛(wèi)生條件要求較高，應盡量避免微生物衛(wèi)生條件要求較高，應盡量避免微生物的污染。的污染。84在酶反應器的操作過程中，防止微生物污染的主要措施有：保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔、衛(wèi)生，要求符合必要