第九章 酶反應器

第九章酶反應器9.1

什么是酶反應器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和最佳的反應條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)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過程調(diào)控生物反應器

消毒原料預處理

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，反應后很容易和反應液分離而保證產(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，應考慮：1）酶應用的性質(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理想的酶反應器的要求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。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。(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)能力下降。(1)所用生物催化劑應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條件。(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。常見的酶反應器類型按結構區(qū)分攪拌罐式反應器（StirredTankReactor,STR）鼓泡式反應器(bubblecolumnreactor,BCR)填充床式反應器(packedcolumnreactor,PCR)流化床式反應器(FluidizedBedReactor,FBR)膜反應器(MembraneReactor,MR)噴射式反應器按操作方式區(qū)分分批式反應(batch)連續(xù)式反應(continuous)流加分批式反應(feedingbatch)混合形式連續(xù)攪拌罐反應器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批攪拌罐反應器（BatchStirredTankReactor,BSTR）各種酶反應器的特點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(1)間歇式酶反應器又稱為批量反應器（BatchReactorBSTR）、間歇式攪拌罐、攪拌式反應罐。其特點是：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(zhuǎn)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。(2)連續(xù)式酶反應器又稱為連續(xù)攪拌釜式反應器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）、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。底物溶液進口反應液出口(3)填充床反應器填充床反應器（PackedReactor,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(zhuǎn)化液（含產(chǎn)物）。優(yōu)點是：高效率、易操作、結構簡單等，因而，PBR是目前工業(yè)生產(chǎn)及研究中應用最為普遍的反應器。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。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)流化床反應器流化床反應器（FluidizedBedReactor,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。(5)鼓泡式反應器鼓泡式反應器(bubblecolumnreactor,BCR)是利用從反應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。鼓泡式反應器可以用于游離酶和固定化酶的催化反應。在使用鼓泡式反應器進行固定化酶的催化反應時，反應系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床式反應器。鼓泡式反應器的結構簡單，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中常用的一種反應器。例如氧化酶催化反應需要供給氧氣，羧化酶的催化反應需要供給二氧化碳等。(6)膜反應器膜反應器（membranereactor,MR）是將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應器?？梢杂糜谟坞x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(zhuǎn)盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應器。連續(xù)攪拌罐—超濾膜反應器

簡稱CSTR-UFR。在CSTR（連續(xù)式攪拌罐）出口處設置一個超濾器?？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，可以再循環(huán)使用。9.3

酶反應器的選擇和使用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：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器。在應用游離酶進行催化反應時，酶與底物均溶解在反應溶液中，通過互相作用，進行催化反應。可以選用攪拌罐式反應器、膜反應器、鼓泡式反應器、噴射式反應器等?？扇苄缘孜镞m用于所有的反應器。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。當反應過程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時，選用CSTR更為方便。在反應器操作過程中，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。游離酶反應器的選擇可以選用攪拌罐式反應器、膜反應器、鼓泡式反應器、噴射式反應器等。①游離酶催化反應最常用的反應器是攪拌罐式反應器。攪拌罐式具有設備簡單，操作簡便，酶與底物的混合較好，物質(zhì)與熱量的傳遞均勻，反應條件容易控制等優(yōu)點，但是反應后酶與反應產(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，通常采用鼓泡式反應器。鼓泡式反應器結構簡單，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中常用的一種反應器。③對于某些價格較高的酶，由于游離酶與反應產(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器，進行連續(xù)式的高溫短時反應。噴射式反應器混合效果好，催化效率高，只適用于耐高溫的酶。固定化酶反應器的選擇：應用固定化酶進行催化反應，可以選擇攪拌罐式反應器、填充床式反應器、鼓泡式反應器、流化床式反應器、膜反應器等。應用固定化酶進行反應，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)反應的操作形式。顆粒狀的固定化酶可以采用攪拌罐式反應器、填充床式反應器、流化床式反應器、鼓泡式反應器等進行催化反應。根據(jù)酶反應動力學性質(zhì)選擇反應器：(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系統(tǒng)中混合均勻?！魯嚢韫奘椒磻鳌⒘骰彩椒磻骶哂休^好的混合效果。填充床式反應器的混合效果較差。在使用膜反應器時，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速度有顯著影響。◆具有高濃度底物抑制作用的酶，如果采用分批攪拌罐式反應器，可以采取流加分批反應的方式進行反應。◆對于具有高濃度底物抑制作用的游離酶，可以采用游離酶膜反應器進行催化反應；◆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)攪拌罐式反應器、填充床式反應器、流化床式反應器、膜反應器等進行連續(xù)催化反應。(3)有些酶催化反應，其反應產(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器。(4)某些酶可以耐受100℃以上的高溫，最好選用噴射式反應器。根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應器：

反應底物或產(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器。反應底物或者產(chǎn)物的溶解度較低、粘度較高時，應當選擇攪拌罐式反應器或者流化床式反應器，而不采用填充床式反應器和膜反應器，以免造成阻塞現(xiàn)象。反應底物為氣體時，通常選擇鼓泡式反應器。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，通常不采用膜反應器，以免輔酶的流失而影響催化反應的進行。9.4

酶反應器的設計確定酶反應器的類型酶反應器的設計，首先要根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)，按照選擇原則，選擇并確定反應器的類型。確定反應器的制造材料由于酶催化反應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，所以酶反應器的設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容器即可。進行熱量衡算酶催化反應一般在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動力學參數(shù)/底物用量/酶量/反應體積/反應器數(shù)量9.5酶反應器的操作條件確定及調(diào)控反應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)控制反應溫度的確定與條件控制反應溫度的確定：在酶反應器的操作中，應根據(jù)特定酶的動力學特性確定酶催化反應的最適溫度，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：在酶反應器中設計、安裝夾套或列管等換熱裝置，通過熱交換使反應器內(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：在酶催化反應過程中，要根據(jù)酶的動力學特性確定酶催化反應的最適pH，并將反應液的pH維持在適宜的范圍內(nèi)，以保證催化反應的順利進行。底物濃度：在酶催化反應過程中，要根據(jù)酶促反應動力學特性，確定一個