第七講固定化酶反應(yīng)器

第七講固定化酶反應(yīng)器第一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評價(jià)4.固定化酶反應(yīng)器的操作第二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)反應(yīng)器的形式很多，根據(jù)進(jìn)料和出料的方式，可概括分為間歇式和連續(xù)式兩大類，連續(xù)式又有兩種基本形式：連續(xù)流動攪拌罐式反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器；還有一些衍生形式：連續(xù)流動攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器、循環(huán)反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等。第三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一各種反應(yīng)器的示意圖間歇式攪拌罐反應(yīng)器BSTR連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器CSTR連續(xù)流動攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器CSTR/UF填充床反應(yīng)循環(huán)反應(yīng)器流化床反應(yīng)器PBRRCRFBR平推流反應(yīng)器PFR(S為底物、P為產(chǎn)物)第四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一(a)間歇式攪拌罐反應(yīng)器(batchstirredtankreactor，BSTR)(b)

連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器(continuousflowstirredtankreactor，CSTR)(c)連續(xù)流動攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器(combinedCSTR/UFreactor，CSTR/UF)(d)填充床反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器(packedbedreactor，PBR或plug-flowreactor，PFR)(e)循環(huán)反應(yīng)器(recyclereactor，RCR)(f)流化床反應(yīng)器(fluidizedbedreactor，F(xiàn)BR)第五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一間歇式攪拌罐反應(yīng)器(BSTR)間歇式攪拌罐反應(yīng)器也稱為分批攪拌反應(yīng)器，這類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，主要設(shè)有夾套或盤管裝置，以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。這類反應(yīng)器主要用于游離酶(enzymereactor)反應(yīng)。第六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一將酶與底物一起加入反應(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)條件，待達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)化率后，隨即放料。在這種情況下，一般不回收游離酶。當(dāng)前在食品和飲料工業(yè)中常用這種反應(yīng)器。第七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一如果把固定化酶用于間歇反應(yīng)器，則每批反應(yīng)都要從流出液中分離出產(chǎn)物和固定化酶，可以采用過濾或離心法分開。由于酶經(jīng)過反復(fù)循環(huán)回收，會失去活性，所以在工業(yè)生產(chǎn)中的固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應(yīng)器。第八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）

連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上與間歇式反應(yīng)器基本相同，只不過是連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料。由于它具有攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。第九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一其缺點(diǎn)是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞。近來有一種改良的CSTR，是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，這樣既能保證反應(yīng)液攪拌均勻，又不致?lián)p壞固定化酶。第十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一填充床反應(yīng)器(PBR)

PBR（Packedbedreactor）這種反應(yīng)器的使用最普遍，到目前為止，已發(fā)表的固定化酶反應(yīng)器的研究工作主要集中在填充床反應(yīng)器。固定化酶通?？梢愿鞣N形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內(nèi)。第十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。近年來，球形微囊體也用于填充床。第十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在填充床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動型態(tài)接近于平推流(又稱活塞流)流型，所以填充床反應(yīng)器可近似認(rèn)為是一種平推（活塞）流反應(yīng)器(Plug-flowreactor，PFR)。這種反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，底物按照一定的方向以恒定流速通過反應(yīng)床。第十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)底物的流動方式，又有下向流動、上向流動和循環(huán)流動之分。工業(yè)生產(chǎn)中，液流方向常用上向方式，這樣可以避免下向流動的液壓對柱床的影響，尤其對生產(chǎn)氣體的反應(yīng)更為重要。第十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一PBR或PFRpackedbedreactor，PBRplug-flowreactor，PFR第十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在填充床式反應(yīng)器使用過程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底層固定化酶顆粒所受到的壓力，可以在反應(yīng)器中間用托板分隔。第十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一填充床式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作方便，單位體積反應(yīng)床的固定化酶密度大。在工業(yè)生產(chǎn)中普通使用。第十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一流化床反應(yīng)器(FBR)

在流化床反應(yīng)器（FBR）內(nèi)，底物溶液以足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態(tài)，達(dá)到混合的目的。流速應(yīng)以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應(yīng)床為宜。在FBR中，由于混合程度高，故傳熱、傳質(zhì)情況良好。第十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一FBRFBR可用于處理粘性強(qiáng)和含有固體顆粒的底物，也可用于需要供應(yīng)氣體或排放氣體的反應(yīng)。對于停留時(shí)間較短的反應(yīng)也可用FBR。流化床反應(yīng)器第十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在實(shí)際應(yīng)用過程中，要注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動速度。流動速度過低時(shí)，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動狀態(tài)；流動速度過高時(shí)，則催化反應(yīng)不完全，甚至?xí)构潭ɑ傅慕Y(jié)構(gòu)受到損壞。第二十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一為了保證一定的流動速度，并使催化反應(yīng)更為完全，必要時(shí)流出的反應(yīng)液可以部分循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器。流化床式反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大的反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)等特點(diǎn)。第二十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一然而，在這種反應(yīng)器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動狀態(tài)，流體流動產(chǎn)生的剪切力以及固定化酶的碰撞會使固定化酶顆粒受到破壞。此外，流體動力學(xué)變化較大，參數(shù)復(fù)雜，故放大反應(yīng)較為困難。第二十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一循環(huán)反應(yīng)器(RCR)

RCR這種反應(yīng)器是讓部分反應(yīng)液流出，和新加入的底物流入液混合，再進(jìn)入反應(yīng)床進(jìn)行循環(huán)。其特點(diǎn)是可以提高液體的流速和減少底物向固定化酶表面?zhèn)鬟f的阻力，可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)反應(yīng)底物是不溶性物質(zhì)時(shí)，可以采用循環(huán)反應(yīng)器。第二十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一RCR第二十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一連續(xù)流動攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器

CSTR/UF是由連續(xù)流動攪拌罐反應(yīng)器和超濾裝置組合而成的反應(yīng)器。它在連續(xù)攪拌反應(yīng)罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許產(chǎn)物和未曾反應(yīng)的底物通過，相對分子質(zhì)量大的酶被截留，可以使酶反復(fù)使用。第二十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一CSTR/UF此外這種反應(yīng)器還可以使相對分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相對分子質(zhì)量大的底物分開，使底物徹底轉(zhuǎn)化。第二十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一其他反應(yīng)器除上述反應(yīng)器外，還有淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、氣栓式流動反應(yīng)器、轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器、篩板反應(yīng)器及不同類型反應(yīng)器的結(jié)合等。第二十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評價(jià)4.固定化酶反應(yīng)器的操作第二十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)根據(jù)固定化酶的形狀來選擇根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇根據(jù)酶反應(yīng)的動力學(xué)特性來選擇根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來選擇第二十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)固定化酶的形狀來選擇

溶液酶由于回收困難，一般只適用于BSTR。帶有超濾器的CSTR/UF，雖然可以解決反復(fù)使用的問題，但是常因超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還可能因?yàn)榧羟辛Υ蠖斐擅傅氖Щ?。第三十頁，共一百二十八頁，編輯?023年，星期一顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和PBR類型的反應(yīng)器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于PBR。如果固定化酶容易變形、易粘結(jié)或顆粒細(xì)小時(shí)，采用FBR較為適宜。第三十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應(yīng)器都適用；顆粒狀和膠狀底物，往往會堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和RCR以減少底物顆粒的集結(jié)、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。第三十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一但是，對于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過高又會使固定化酶從載體上被剪切下來，所以攪拌速度不能太高。第三十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)酶反應(yīng)的動力學(xué)特性來選擇

選擇反應(yīng)器，必須考慮酶反應(yīng)的動力學(xué)特性。一般來說，接近平推流特性的填充床反應(yīng)器(PFR/PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位，它適合于產(chǎn)物對酶活性具有抑制作用的反應(yīng)。PFR和CSTR相比，總效率PFR優(yōu)于CSTR，特別是當(dāng)產(chǎn)物對反應(yīng)有抑制作用時(shí)，PFR的優(yōu)越性更顯突出。第三十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一若底物表現(xiàn)出對酶的活性有抑制作用時(shí)，CSTR所受的影響要比PFR少一些。酶反應(yīng)器的催化反應(yīng)速度，一般是CSTR型隨攪拌速度加快而增加，PFR型隨流速增加而加快。第三十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇

在反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于在高速攪拌時(shí)，高速液流的沖擊，常常會使固定化酶從載體上脫落下來，或由于磨損，引起粒度的減小而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性，其中以CSTR最為嚴(yán)重。第三十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一為解決這一問題而改進(jìn)設(shè)計(jì)的反應(yīng)器，如把酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)籃內(nèi)。這些措施均可使酶免遭剪切，減少了外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的不利影響。第三十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來選擇

有些酶反應(yīng)需要不斷調(diào)整pH，有的需供氧，有的需補(bǔ)充反應(yīng)物或補(bǔ)充酶。所有這些操作，在CSTR中可無需中斷而連續(xù)進(jìn)行，但在其他反應(yīng)器中則比較困難，需要由特殊設(shè)計(jì)來解決。第三十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一BSTR和CSTR的共同特征是：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適用面廣(可用于粘性或不溶性底物的轉(zhuǎn)化加工)，在底物表現(xiàn)出抑制作用時(shí)可獲得較高的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率；但是在產(chǎn)物表現(xiàn)出抑制作用時(shí)底物的轉(zhuǎn)化率就會降低。BSTR可用于溶液酶的催化反應(yīng)，它的操作也比CSTR簡便。第三十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一PFR最突出的優(yōu)越性在于它有較高的轉(zhuǎn)化效率，尤其是當(dāng)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率明顯優(yōu)于BSTR和CSTR。PFR的缺點(diǎn)是用小顆粒固定化酶時(shí)，可能產(chǎn)生壓密現(xiàn)象；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應(yīng)器不適用。第四十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一FBR的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉(zhuǎn)化，低壓降。但是它消耗動力大，不易直接模仿放大。第四十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；如果長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會使酶的穩(wěn)定性降低，也容易被超濾膜吸附，并產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。RCR的轉(zhuǎn)化率高，可以采用高速液流克服外擴(kuò)散的限制；但是它的設(shè)備成本高。第四十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一若考慮反應(yīng)器的價(jià)格，CSTR最便宜，它結(jié)構(gòu)簡單，又具有良好的操作性，適應(yīng)性強(qiáng)。此外還應(yīng)考慮固定化酶本身的費(fèi)用以及在各種反應(yīng)器中的穩(wěn)定性。綜上所述，在反應(yīng)器的選擇上并無固定模式可循，必須根據(jù)上述各項(xiàng)條件綜合權(quán)衡，才能做出正確的決定。第四十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一3.固定化酶反應(yīng)器的性能評價(jià)影響酶反應(yīng)器性能的因素很多，一般可以從以下幾個方面考慮：固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)固定化酶的穩(wěn)定性酶反應(yīng)動力學(xué)特性第四十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一固定化酶的形狀

通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均適用于CSTR，但是，膜狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應(yīng)器。第四十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一粉狀固定化酶或者易變形、易粘結(jié)的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產(chǎn)生高壓力降，而無法實(shí)現(xiàn)高流速，此時(shí)，可采用流化床反應(yīng)器(FBR)。第四十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一底物的物理性質(zhì)

底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應(yīng)器的重要因素?？扇苄缘孜镞m用于各類反應(yīng)器。難溶底物或者呈膠體溶液底物，易堵塞柱床，可選用FBR。只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護(hù)顆粒狀底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態(tài)，所以顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。第四十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應(yīng)適當(dāng)控制攪拌速度。當(dāng)反應(yīng)過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時(shí)，選用CSTR更為方便。第四十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一固定化酶穩(wěn)定性

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皮變細(xì)，從而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性。其中，尤以CSTR最為嚴(yán)重。第四十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一解決這一問題的方法是改進(jìn)CSTR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，例如：把酶直接粘結(jié)在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)筐內(nèi)。這些措施均可減弱對酶的剪切作用，有利于提高酶的穩(wěn)定性。第五十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶反應(yīng)動力學(xué)特性

酶反應(yīng)動力學(xué)特性亦是選擇反應(yīng)器的一個重要依據(jù)。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應(yīng)器(PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位。它適用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，但在有底物抑制的反應(yīng)系統(tǒng)中，CSTR的性能優(yōu)于固定床反應(yīng)器。第五十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一PBR的流動特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。循環(huán)反應(yīng)器的回流溶液中含有產(chǎn)物，所以不宜用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。第五十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一反應(yīng)器的性能評價(jià)應(yīng)盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進(jìn)行，通過測定活性、穩(wěn)定性、選擇性、達(dá)到的產(chǎn)物產(chǎn)量、底物轉(zhuǎn)化率等，來衡量其加工制造質(zhì)量。測定的主要參數(shù)有空時(shí)、空速、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)強(qiáng)度。第五十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一空時(shí)是指底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，數(shù)值上等于反應(yīng)器體積與底物體積流速之比，又常稱為稀釋率。當(dāng)?shù)孜锘虍a(chǎn)物不穩(wěn)定或容易產(chǎn)生副產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)使用高活性酶，并盡可能縮短反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間。空速定義為空時(shí)的倒數(shù)?？諘r(shí)、空速這兩個指標(biāo)一般用于連續(xù)反應(yīng)器。第五十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一轉(zhuǎn)化率是指每克底物中有多少被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮盡可能利用最少的原料得到最多的產(chǎn)物。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應(yīng)器內(nèi)的非理想流動，均有利于選擇性反應(yīng)。第五十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一使用高濃度的反應(yīng)物對產(chǎn)物的分離也是有利的，特別是當(dāng)生物催化劑選擇性高而反應(yīng)不可逆時(shí)更加有利，同時(shí)也可以使需分離的溶劑量大大降低。第五十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度以每小時(shí)每升反應(yīng)器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示，主要取決于酶的特性、濃度及反應(yīng)器特性、操作方法等。使用高酶濃度及減小停留時(shí)間有利于生產(chǎn)強(qiáng)度的提高，但并不是酶濃度越高、停留時(shí)間越短越好，這樣會造成浪費(fèi)，在經(jīng)濟(jì)上不合算。第五十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一總體而言，酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)強(qiáng)度。此外，由于酶對熱是相對不穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)特別注意質(zhì)與熱的傳遞，最佳的傳質(zhì)與傳熱的轉(zhuǎn)移可獲得最大的產(chǎn)率。第五十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一4.固定化酶反應(yīng)器的操作在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)的過程中，要充分發(fā)揮酶的催化功能，除了選用高質(zhì)量的酶、選擇適宜的酶應(yīng)用形式、選擇或設(shè)計(jì)適宜的酶反應(yīng)器以外，還要在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，確定適宜的操作條件并根據(jù)變化的情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。第五十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一1．酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制2．酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)3．酶反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降的原因及對策第六十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶反應(yīng)器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應(yīng)液的混合與流動等。第六十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶的催化作用是底物在酶的作用下轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的過程。底物濃度是決定酶催化反應(yīng)速度的主要因素。第六十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度與底物濃度成正比，反應(yīng)速度隨著底物濃度的增加而升高。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，反應(yīng)速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向平衡。第六十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在酶催化反應(yīng)過程中，要確定一個適宜的底物濃度范圍。底物濃度過低，反應(yīng)速度慢；底物濃度過高，反應(yīng)液的粘度增加。有些酶還會受到高底物濃度的抑制作用。第六十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一對于分批式反應(yīng)器，首先將一定濃度的底物溶液引進(jìn)反應(yīng)器，調(diào)節(jié)pH，將溫度調(diào)節(jié)到適宜的溫度，然后加進(jìn)適量的酶液進(jìn)行反應(yīng)。第六十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法，即先將一部分底物和酶加到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度逐步降低以后，再連續(xù)或分次地將一定濃度的底物溶液添加到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液一次全部取出。第六十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一通過分批流加的操作方式，反應(yīng)體系中底物濃度保持在較低的水平，可以避免或減少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反應(yīng)的速率。第六十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一對于連續(xù)式反應(yīng)器，則將配制好的一定濃度的底物溶液連續(xù)地加進(jìn)反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)器中底物濃度保持恒定，反應(yīng)液連續(xù)地排出。第六十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)研究結(jié)果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應(yīng)速度與酶濃度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反應(yīng)的速度。然而，酶濃度的提高必然會增加費(fèi)用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對于價(jià)格高的酶，必須綜合考慮反應(yīng)速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。第六十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在酶使用過程中，特別是連續(xù)使用較長的一段時(shí)間以后，必然會有一部分酶失活，所以需要進(jìn)行補(bǔ)充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，連續(xù)式固定化酶反應(yīng)器應(yīng)具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結(jié)構(gòu)簡單，操作容易。第七十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶的催化反應(yīng)有一個最適溫度，溫度過低，反應(yīng)速度減慢；溫度過高，會引起酶的變性失活。因此，在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，要根據(jù)酶的動力學(xué)特性，確定酶催化反應(yīng)的最適溫度，并將反應(yīng)溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)。第七十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在溫度發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般酶反應(yīng)器中均安裝有夾套或列管等換熱裝置，里面通入一定溫度的水，通過熱交換作用，保持反應(yīng)器中反應(yīng)液的溫度恒定在一定的范圍內(nèi)。如果采用噴射式反應(yīng)器，則通過控制水蒸氣的壓力，以達(dá)到控制溫度的目的。第七十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一pH的確定與調(diào)節(jié)控制

反應(yīng)液的pH對酶催化反應(yīng)有明顯影響，由于酶催化反應(yīng)都有一個最適pH值，pH過高或過低都會使反應(yīng)速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，在酶催化反應(yīng)過程中，要根據(jù)酶的動力學(xué)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)。第七十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一采用分批式反應(yīng)器進(jìn)行酶催化反應(yīng)時(shí)，通常在加入酶液之前，先用稀酸或稀堿將底物溶液調(diào)節(jié)到酶的最適pH，然后加酶進(jìn)行催化反應(yīng)；對于在連續(xù)式反應(yīng)器中進(jìn)行的酶催化反應(yīng)，一般將調(diào)節(jié)好pH的底物溶液(必要時(shí)采用緩沖溶液配制)連續(xù)加到反應(yīng)器中。第七十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一有些酶催化反應(yīng)前后的pH變化不大，如α-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反應(yīng)過程中，pH基本恒定，在反應(yīng)過程中不需進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)。第七十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一而有些酶的底物或者產(chǎn)物是一種酸或堿，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖與氧氣反應(yīng)生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反應(yīng)前后pH的變化較大，在反應(yīng)過程中需進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。第七十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一pH的調(diào)節(jié)通常采用稀酸溶液或稀堿溶液進(jìn)行，加入稀酸或稀堿溶液時(shí)，要一邊攪拌一邊緩慢添加，以防止局部過酸或過堿，必要時(shí)可以采用緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應(yīng)液的pH。第七十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶在進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，首先要與底物結(jié)合，然后才能進(jìn)行催化反應(yīng)。要使酶能夠與底物結(jié)合，就必須保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分子能夠進(jìn)行有效碰撞，進(jìn)而互相結(jié)合進(jìn)行催化反應(yīng)。第七十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在攪拌罐式反應(yīng)器和游離酶膜反應(yīng)器中，都設(shè)計(jì)安裝有攪拌裝置，通過適當(dāng)?shù)臄嚢鑼?shí)現(xiàn)均勻的混合。因此，首先要在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況的變化進(jìn)行攪拌速度的調(diào)節(jié)。第七十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一攪拌速度過慢，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(jié)構(gòu)受到影響，尤其是會使固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞，而影響催化反應(yīng)的進(jìn)行。第八十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一流動速度的確定與調(diào)節(jié)控制

在連續(xù)式酶反應(yīng)器中，底物溶液連續(xù)地進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)反應(yīng)液連續(xù)地排出，通過溶液的流動實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合和催化。為了使催化反應(yīng)高效進(jìn)行，要控制好液體的流速和流動狀態(tài)，以保證混合均勻，并且不會影響酶的催化作用。第八十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一對于流化床反應(yīng)器（FBE），如果流體流速過慢，固定化酶顆粒就不能很好飄浮翻動，甚至沉積在反應(yīng)器底部，從而影響酶與底物的均勻接觸和催化反應(yīng)的順利進(jìn)行，乃至產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，影響底物溶液順利進(jìn)入反應(yīng)器。第八十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一如果流體流速過高或流動狀態(tài)混亂，則固定化酶顆粒在反應(yīng)器中激烈翻動、碰撞，會使固定化酶的結(jié)構(gòu)受到破壞，以致使酶脫落、流失，從而影響催化反應(yīng)的進(jìn)行。第八十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一流體在流化床反應(yīng)器中的流動速度和流動狀態(tài)可以通過控制進(jìn)液口的流體流速和流量，以及進(jìn)液管的方向和排布等方法，加以調(diào)節(jié)。第八十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一填充床式反應(yīng)器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過固定化酶層，其流動速度決定酶與底物的接觸時(shí)間和反應(yīng)的進(jìn)行程度。第八十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在反應(yīng)器的直徑和高度確定的情況下(高徑比)，流速越慢，酶與底物接觸時(shí)間越長，反應(yīng)越完全，但是生產(chǎn)效率越低，因此需要選擇好適宜流速，流速過慢，則催化反應(yīng)速度降低，而降低生產(chǎn)效率，流速過快，則反應(yīng)不完全，有一部分底物未轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物就被排出，影響轉(zhuǎn)化效率。第八十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在理想的操作情況下，填充床式反應(yīng)器任何一個橫截面上的流體流動速度是相同的，在同一個橫截面上底物濃度和產(chǎn)物濃度也是一致的。這種反應(yīng)器又稱為活塞流反應(yīng)器(plugflowreactor，PFR)。第八十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，除了控制各種反應(yīng)條件，還須注意下列問題：(1)保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性(2)保持反應(yīng)器中流體的流動方式和狀態(tài)(3)防止酶的變性失活(4)防止微生物的污染

第八十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，應(yīng)盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應(yīng)條件的激烈波動。第八十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在酶的催化反應(yīng)過程中，酶是反應(yīng)的主體，必須保證所使用的酶的質(zhì)量穩(wěn)定，此外在游離酶反應(yīng)中，要盡量保持酶的濃度穩(wěn)定在一定的范圍，在固定化酶反應(yīng)中，每隔一段時(shí)間要檢測酶的活力，并根據(jù)變化情況及時(shí)進(jìn)行更換或補(bǔ)充。第九十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在攪拌罐式反應(yīng)器中，應(yīng)盡量保持?jǐn)嚢杷俣鹊姆€(wěn)定，不要斷斷續(xù)續(xù)、時(shí)快時(shí)慢，否則剪切力的反復(fù)變化，會加快酶特別是固定化酶結(jié)構(gòu)的破壞。第九十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在連續(xù)式反應(yīng)器的操作中，應(yīng)盡量保持流速的穩(wěn)定，并保持流進(jìn)的底物濃度和流出的產(chǎn)物濃度不要變化太大，以保證反應(yīng)液中底物濃度的穩(wěn)定。第九十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在填充床反應(yīng)器中要防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象，在膜反應(yīng)器中要防止由于濃差極化而產(chǎn)生的膜孔阻塞現(xiàn)象。此外，在反應(yīng)過程中，要盡量保持反應(yīng)溫度、反應(yīng)液pH等的穩(wěn)定，不要波動太大，以保持反應(yīng)器恒定的生產(chǎn)能力。第九十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一保持反應(yīng)器中流體的流動方式和狀態(tài)

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，應(yīng)盡量保持液體和氣體的流動方式和狀態(tài)，因?yàn)榱鲃臃绞胶蜖顟B(tài)的改變，會影響底物、產(chǎn)物與酶的接觸狀態(tài)，從而影響催化反應(yīng)的速度。第九十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一防止酶的變性失活

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)特別注意防止酶的變性失活。引起酶變性失活的因素主要有：溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。

第九十五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一溫度酶反應(yīng)器操作時(shí)的溫度是影響酶催化作用的重要因素，較高的溫度可以提高酶催化反應(yīng)速度，從而增加產(chǎn)物的產(chǎn)率。第九十六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐高溫的酶以外，通常酶催化反應(yīng)在60℃以下進(jìn)行，溫度過高會加速酶的變性失活，縮短酶的半衰期和使用時(shí)間。第九十七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一因此，酶反應(yīng)器的操作溫度一般不宜過高，通常在等于或者低于酶催化最適溫度的條件下進(jìn)行。第九十八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一pH在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，反應(yīng)液的pH應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在酶催化反應(yīng)的適宜pH范圍內(nèi)，除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH4～9的條件下進(jìn)行催化反應(yīng)，pH過高或過低都對催化不利，甚至引起酶的變性失活。第九十九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在操作過程中進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)時(shí)，一定要一邊攪拌一邊慢慢加入稀酸或稀堿溶液，以防止局部過酸或過堿而引起酶的變性失活。第一百頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一重金屬離子重金屬離子例如鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+)等會與酶分子結(jié)合而引起酶的不可逆變性。因此，在酶反應(yīng)器的操作過程中，要盡量避免重金屬離子的存在。第一百零一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一為了避免從原料或者反應(yīng)器系統(tǒng)帶進(jìn)某些重金屬離子給酶分子造成不利影響，必要時(shí)可以添加適量的EDTA等金屬螯合劑，以除去重金屬離子對酶的危害。第一百零二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一剪切力在酶反應(yīng)器的操作過程中，剪切力是引起酶變性失活的一個重要因素。所以在攪拌式反應(yīng)器的操作過程中，要防止過高的攪拌速度對酶特別是固定化酶結(jié)構(gòu)的破壞；第一百零三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在流化床式反應(yīng)器和鼓泡式反應(yīng)器的操作過程中，要控制流體的流速，防止固定化酶顆粒的過度翻動和碰撞而引起固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞。第一百零四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一保護(hù)劑為了防止酶的變性失活，在操作過程中，可以添加某些保護(hù)劑，以提高酶的穩(wěn)定性，例如在淀粉酶的催化過程中添加鈣離子等。第一百零五頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶作用底物的存在往往對酶有保護(hù)作用，所以在操作時(shí)一般先將底物溶液加進(jìn)反應(yīng)器中，然后再將酶加到底物溶液中進(jìn)行催化反應(yīng)。第一百零六頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一防止微生物的污染

在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)過程中，由于酶的作用底物或反應(yīng)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；第一百零七頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一在酶反應(yīng)器進(jìn)行操作時(shí)，與微生物發(fā)酵和動、植物細(xì)胞培養(yǎng)所使用的反應(yīng)器有所不同，一般不必在嚴(yán)格的無菌條件下進(jìn)行操作，然而這并不意味著酶反應(yīng)器的操作過程不必防止微生物污染。第一百零八頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一不同酶的催化反應(yīng)，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存在很大差別。第一百零九頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一一些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，例如，乙醇氧化酶催化乙醇氧化反應(yīng)，青霉素?；复呋嗝顾鼗蝾^孢菌素反應(yīng)等，其受微生物污染的情況較少。第一百一十頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一有些酶的催化反應(yīng)溫度較高，例如，α-淀粉酶，TaqDNA聚合酶等的反應(yīng)溫度在50℃以上，一般微生物無法生長。第一百一十一頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一有些酶催化反應(yīng)的pH較高或較低，例如，胃蛋白酶在pH2.0的條件下進(jìn)行催化，堿性蛋白酶在pH9.0以上催化蛋白質(zhì)水解反應(yīng)等，對微生物有抑制作用。第一百一十二頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一有些酶可以在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)，例如脂肪酶在有機(jī)介質(zhì)中催化轉(zhuǎn)酯反應(yīng)等，在有機(jī)介質(zhì)中，微生物難以生長繁殖，微生物污染的可能性甚微。第一百一十三頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一而有些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物是微生物生長、繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)，例如淀粉酶類催化淀粉水解生成糊精、麥芽糖、葡萄糖等，蛋白酶類催化蛋白質(zhì)水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等，在反應(yīng)過程中或者在反應(yīng)結(jié)束后，在適合微生物生長繁殖的情況下，必須注意防止微生物的污染。第一百一十四頁，共一百二十八頁，編輯于2023年，星期一酶反應(yīng)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(shí)，衛(wèi)生條件要求較高，應(yīng)盡量避免微生物的污染。因?yàn)槲⑸锏奈廴静粌H影響產(chǎn)品質(zhì)量，