第7章酶反應器酶反應器的特點與類型酶反應器的選擇和使用

1、第7章酶反應器酶反應器的特點與類型酶反應器的選擇和使用 第一節(jié) 酶反應器的特點與類型定義：以酶或固定化酶作為催化劑進行酶促反應的裝置稱為酶反應器(Enzyme reactor)。 作用：以盡可能低的成本，按一定的速度由規(guī)定的反應物制備特定的產物。與化學反應器相比：在低溫、低壓下發(fā)揮作用，反應時的耗能和產能較少。 與發(fā)酵反應器相比：不表現(xiàn)自催化方式（即細胞的連續(xù)再生）。一、酶反應器的類型 攪拌罐型反應器固定床型反應器流化床型反應器膜式反應器鼓泡塔型反應器（一）攪拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR）有攪拌裝置的、傳統(tǒng)形式的反應器。由反應罐、攪拌器和保溫裝置組成。1. 分類：

2、1）分批攪拌罐式反應器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR) 適用的酶：游離酶、固定化酶2）連續(xù)流攪拌罐反應器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 適用的酶：固定化酶2. 適用的操作方式： 分批式、流加分批式、連續(xù)式3.優(yōu)點：結構簡單，酶與底物混合充分均勻，傳質阻力小，反應條件易控制，能處理膠體狀底物、不溶性底物。 4. 缺點: 反應效率低，載體易被破壞，攪拌動力消耗大，回收過程酶易損失。5. 改進： 在反應器出口裝上濾器 ,或用尼龍網罩住固定化酶 ,或制成磁性固定化酶，或多個攪拌罐串聯(lián)。 （二）固定床型（也稱填

3、充床，Packed Bed Reactor, PBR ） 把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床內，底物按一定方向以恒定速度通過反應床。 在其橫截面上液體流動速度完全相同，沿流動方向底物及產物的濃度逐漸變化，但同一橫切面上濃度一致。又稱活塞流反應器(Plug Flow Reactor, PFR) 適用于：固定化酶。優(yōu)點：可使用高濃度的催化劑 。與CSTR相比，可減少產物的抑制作用（產物濃度沿反應器長度逐漸增高 ）。 缺點：溫度和pH難以控制；底物和產物會產生軸向濃度分布；清洗和更換部分固定化酶較麻煩。床內壓力降大，底物必須在加壓下才能進入。 （三）流化床型(Fludized Bed Reacto

4、r, FBR) 裝有較小顆粒的垂直塔式反應器(形狀可為柱形、錐形等)。底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態(tài)下進行反應。流體的混合程度介于CSTR和PFR之間。 適用于：固定化酶。 優(yōu)點：具有良好的傳質及傳熱性能，pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；不易堵塞，可適用于處理黏度高的液體； 能處理粉末狀底物；即使應用細顆粒的催化劑，壓力降也不會很高。 缺點：需保持一定的流速，運轉成本高，難于放大；由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導致顆粒的機械破損；流化床的空隙體積大，酶的濃度不高；底物高速流動使酶沖出，降低了轉化率。改進：使底物進行循環(huán)，避免催化劑。使用幾個流態(tài)化床組成的反應器組，或使用錐

5、形流態(tài)化床。 （四）膜式反應器(Membrane Reactor) 將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起的反應器。適用于：游離酶、固定化酶。1. 游離酶膜反應器2. 固定化酶膜反應器由膜狀或板狀固定化酶或固定化微生物組裝的反應器 。分類：1）平板狀或螺旋狀反應器 2）轉盤型反應器 3）空心酶管反應器4）中空纖維膜反應器 1）平板狀或螺旋狀反應器特點：壓力降??； 膜面積清晰； 放大容易 。單位體積催化劑有效面積小。 2）轉盤型反應器 以包埋法為主，制備成固定化酶凝膠薄板（成型為圓盤狀或葉片狀），然后裝配在轉軸上，并把整個裝置浸在底物溶液中，更換催化劑方便。 有立式和臥式兩種，臥式適用于需氧反

6、應或產物有揮發(fā)性物，廣泛應用于水處理裝置。3）空心酶管反應器酶固定在細管的內壁上，底物溶液流經細管時，只有與管壁接觸的部分進行酶反應。管內徑1mm，管內流動屬于層流。多與自動分析儀等組裝在一起，用于定量分析。 4）中空纖維膜反應器由外殼和數(shù)以千計的醋酸纖維制成的中空纖維(內徑200m -500m，外徑300m -900m)。組成。內層緊密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物質而允許不同的小分子物質通過。 外層為多孔的海綿狀支持層，酶被固定在海綿狀支持層中 。反應器的形狀為管式或列管式，中空纖維可承受較大壓力，通過正常超濾程序將底物壓入內壁與海綿狀介質上的酶起反應。 反應器的形狀為管式或

7、列管式，中空纖維可承受較大壓力，通過正常超濾程序將底物壓入內壁與海綿狀介質上的酶起反應。（五）鼓泡塔型反應器利用從反應器底部通入的氣體產生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混和這兩種作用的一類反應器。是有氣體參與的酶催化反應中常用的一種反應器。適用于：游離酶、固定化酶在使用固定化酶進行催化反應時，反應系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床反應器 。二、酶反應器的發(fā)展含有輔助因子再生的酶反應器問題由來許多酶反應都需要輔因子的協(xié)助，如輔酶、輔基、能量供給體等。這些輔因子價格昂貴，需再生循環(huán)使用才能降低成本，因而發(fā)展了輔因子再生酶反應器。例利用固定化脫氫酶可將固定化NADH再生為NAD。

8、依靠半透膜能將固定化NAD保留在反應器內，實現(xiàn)了NAD的再生于循環(huán)使用。2.兩相或多相反應器問題由來許多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、類脂肪或極性較低的物質，進行酶反應時有濃度低，反應體積大，分離困難、能耗大的缺點。解決辦法：使酶反應在有機相中進行，可增加反應物濃度，還可減少底物，特別使產物對酶的抑制作用。3. 固定化多酶反應器將多種酶固定化后，制成多酶反應器，模擬微生物細胞的多酶系統(tǒng)，進行多種酶的順序反應，來合成各種產物，目前次技術還處于實驗階段，但發(fā)展前景良好。1）可組成高效率，巧妙的多酶反應器。2）構建全新的酶化學合成路線，生產人類所需的、自然界不存在的物質。3）代替微生物發(fā)酵，用小型

9、柱式反應器取代龐大的微生物發(fā)酵罐。4）化工廠、制藥廠高大反應塔和密如蛛網的管道液將由簡單巧妙的生物反應器取代。第二節(jié) 酶反應器的設計與選擇一、酶反應器的設計設計目的：設計一個既能充分發(fā)揮生物反應的優(yōu)點，又可克服一些限制因素，以最低的生產成本，獲得最高的產量和質量的酶反應器。2.設計原理（依據）：(1) 底物的酶促反應動力學以及溫度、壓力、pH等操作參數(shù)對此特性的影響；(2) 反應器的形式和反應器內流體流動狀態(tài)及傳熱特性；(3) 產物的產量和生產工藝流程。 生物反應器設計最基本的思想是減少成本，其主要衡量標準是產物濃度。二、 酶反應器的選擇（一）酶的應用形式 游離酶：回收困難，除了BSTR 外，其它反應器不適用。 連續(xù)攪拌罐式反應器 超濾反應器2.固定化酶顆粒狀或片狀CSTR、PBR膜狀和纖維狀PBR小顆粒狀FBR（二）底物的物理性質 溶解性物質 任何類型反應器 底物 顆粒物質 膠體物質 CSTR、PBR和RCR （三）反應操作要求 1.若酶受高濃度底物抑制 需要不斷調整pH 攪拌罐型反應器。 2.若反應耗氧 鼓泡塔型反應器。（四）酶的穩(wěn)定性 固定化酶在反應器中催化活性的損失可能有如下三種原因：酶本身失效；酶從載體上脫落；載體肢解。在各種類型的反應器中，CSTR最易引起這類損失。（五）應用的可塑性