《酶工程制藥技術(shù)》課件-酶反應(yīng)器

第三章

酶反應(yīng)器

酶反應(yīng)器：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)器基本上是游離酶、固定化酶或固定化細(xì)胞催化反應(yīng)的容器（附加混合、取樣和檢測設(shè)備）。本章主要講解酶反應(yīng)器的特點與類型，酶反應(yīng)器的設(shè)計與選型，酶反應(yīng)器的操作。第一節(jié)酶反應(yīng)器的特點和類型一、酶反應(yīng)器的特點①酶反應(yīng)器不同于化學(xué)反應(yīng)器，它是在低溫、低壓下發(fā)揮作用，反應(yīng)時的耗能和產(chǎn)能也比較少。②酶反應(yīng)器也不同于發(fā)酵反應(yīng)器，因為它不表現(xiàn)自催化方式，即細(xì)胞的連續(xù)再生。③酶反應(yīng)器和其他反應(yīng)器一樣，都是根據(jù)它的產(chǎn)率和專一性來進行評論的。二、酶反應(yīng)器的類型

酶反應(yīng)器的類型很多，其分類方法也不同。①根據(jù)結(jié)構(gòu)來分：可分為攪拌罐式反應(yīng)器（STR）、鼓泡式反應(yīng)器（BCR）、填充床式反應(yīng)器（PCR）、流化床式反應(yīng)器（FBR）和膜反應(yīng)器（MR）等。②按進料和出料的方式可分為：批式、半批式(即流加分批式）與連續(xù)式反應(yīng)器。③按其功能結(jié)構(gòu)可分為：膜反應(yīng)器、液固反應(yīng)器及氣液固三相反應(yīng)器3大類。（一）、反應(yīng)器的類型1、攪拌式反應(yīng)器

在酶催化反應(yīng)中最常用的反應(yīng)器，由反應(yīng)罐、攪拌器和保溫裝置組成?？捎糜谟坞x酶的催化反應(yīng)，也可用于固定化酶的催化反應(yīng)。攪拌式反應(yīng)器的操作方式可以根據(jù)需要采用分批式（batch）、流加分批式（feedingbatch）和連續(xù)式（continuous）3種。與之對應(yīng)的有分批攪拌罐式反應(yīng)器和連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器。1）分批攪拌罐式反應(yīng)器

定義：

將酶（固定化酶）和底物溶液一次性加到反應(yīng)器中，在一定條件下反應(yīng)一段時間，然后將反應(yīng)液全部取出。優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作容易，酶與底物混合較均勻，傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)比較安全，反應(yīng)條件容易控制。

缺點：①游離酶與底物混合在一起，酶難于回收。②固定化酶易被破壞，且利用效率低。③易出現(xiàn)底物的抑制作用。2）連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器只適用于固定化酶的催化反應(yīng)。

特點：連續(xù)攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，反應(yīng)條件的調(diào)節(jié)和控制較容易，底物與固定化酶接觸較好、傳質(zhì)阻力較低、反應(yīng)器的利用率較高，是一種常用的固定化酶反應(yīng)器。2、填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器是一種用于固定化酶進行催化反應(yīng)的反應(yīng)器。定義：把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床（也稱填充床，床可直立或平放）內(nèi)，底物按一定方向以恒定速度通過反應(yīng)床。

優(yōu)點：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，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。

缺點：①溫度和pH難以控制。②底物和產(chǎn)物會產(chǎn)生軸向濃度分布。③清洗和更換部分固定化酶較麻煩。④固定化酶顆粒所受的壓力較大，易引起酶顆粒的變形或破碎。3、流化床式反應(yīng)器流化床反應(yīng)器是一種適用于固定化酶進行連續(xù)催化反應(yīng)的反應(yīng)器。流化床反應(yīng)器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。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(yīng)。

優(yōu)點：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，對黏度較大的反應(yīng)液也可進行催化反應(yīng)等特點。

缺點：①需一定的流速，運轉(zhuǎn)成本高，難于放大。②由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導(dǎo)致粒子的機械破損。③由于流化床的空隙體積大，酶的濃度不高。④由于底物高速流動使酶沖出，降低了轉(zhuǎn)化率。4、鼓泡式反應(yīng)器

鼓泡式反應(yīng)器是利用反應(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。

特點：①可用于游離酶的催化反應(yīng)，也可用于固定化酶的催化反應(yīng)。②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。③可用于連續(xù)反應(yīng)，也可用于分批反應(yīng)。④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。5、膜反應(yīng)器

膜反應(yīng)器是將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器?？捎糜谟坞x酶的催化反應(yīng)，也可以用于固定化酶的催化反應(yīng)。⑴固定化酶膜反應(yīng)器

①中空纖維反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，集反應(yīng)與分離于一體，利于連續(xù)化生產(chǎn)。

②經(jīng)過較長時間使用，酶或其他雜質(zhì)會被吸附在膜上，造成膜的透過性降低，而且清洗比較困難。

⑵游離酶反應(yīng)器中進行催化反應(yīng)時，底物溶液連續(xù)進入反應(yīng)器，酶在反應(yīng)器的溶液中與底物反應(yīng)，反應(yīng)后，酶與產(chǎn)物一起進入膜分離器進行分離，小分子的產(chǎn)物透過超濾膜而排除，大分子的酶分子被截留，可以再循環(huán)使用。

特點：①集反應(yīng)與分離于一體，②分離膜在使用一段時間后，酶和雜質(zhì)易吸附在膜上，易造成酶的損失，而且會由于濃差極化而影響分離速度和分離效果。6、噴射式反應(yīng)器

噴射式反應(yīng)器是利用高壓蒸氣的噴射作用，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應(yīng)的一種反應(yīng)器。

特點：噴射式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，混合均勻，由于溫度高，催化反應(yīng)速度快，催化效率高，可在短時間內(nèi)完成催化反應(yīng)。噴射式反應(yīng)器適用于游離酶的連續(xù)催化反應(yīng)。但是只適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)?！?/p>

在實際應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的特性，以及操作條件和操作要求的不同而進行設(shè)計和選擇。

選擇酶反應(yīng)器：①從酶的應(yīng)用形式、酶的反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)等幾個方面進行考慮。②反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)盡可能具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、易于維護和清洗、可以適用于多種酶的催化反應(yīng)、制造成本和運行成本較低等特點。第二節(jié)酶反應(yīng)器的類型選擇一、根據(jù)酶的應(yīng)用形式選擇反應(yīng)器1、游離酶反應(yīng)器的選擇⑴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。⑵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。⑶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。⑷對于某些耐高溫的酶，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)。2、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。①顆粒狀固定化酶的反應(yīng)器攪拌罐式反應(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。②其他平板狀、直管狀、螺旋狀的反應(yīng)器一般作為膜反應(yīng)器使用。二、根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器1、從酶與底物的混合程度：可以采用攪拌罐式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器。2、從底物濃度的高低對酶反應(yīng)速度：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(yīng)器；對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。3、從產(chǎn)物對酶反饋抑制作用：最好選用膜反應(yīng)器；對固定化酶而言，也可以采用填充床式反應(yīng)器。4、從酶催化作用溫度條件：能耐受100℃以上高溫的，最好選用噴射式反應(yīng)器。三、根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器1、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。2、反應(yīng)底物或者產(chǎn)物的溶解度較低、黏度較高時，應(yīng)當(dāng)選擇攪拌罐式反應(yīng)器或者流化床式反應(yīng)器，而不采用填充式反應(yīng)器和膜反應(yīng)器，以免造成阻塞現(xiàn)象。3、反應(yīng)底物為氣體時，通常選擇鼓泡式反應(yīng)器。4、有些需要小分子物質(zhì)作為輔酶（輔酶可以看作一種底物）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。5、所選擇的反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)能夠適用于多種酶的催化反應(yīng)，并能滿足酶催化反應(yīng)所需的各種條件，并可進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。6、所選擇的反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、易于維護和清洗。7、所選擇的反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)具有較低的制造成本和運行成本。第三節(jié)酶反應(yīng)器的設(shè)計

反應(yīng)器的設(shè)計首先要了解酶催化反應(yīng)的動力學(xué)特性及其各種參數(shù)，再根據(jù)生產(chǎn)的要求進行反應(yīng)器設(shè)計。目的是設(shè)計出生產(chǎn)成本最低、產(chǎn)品的質(zhì)量最高的酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器的設(shè)計主要包括反應(yīng)器類型的選擇，反應(yīng)器制造材料的選擇、熱量衡算、物料衡算等。一、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)。按照上一節(jié)所述的選擇原則，選擇并確定反應(yīng)器的類型。二、確定酶反應(yīng)器的制造材料酶催化反應(yīng)通常是在常溫、常壓、pH近乎中性的環(huán)境中進行反應(yīng)，所以反應(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)器即可。三、進行熱量衡算①常溫催化：通常采用一定溫度的熱水（通過夾套或列管）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。②高溫催化：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。四、進行物料衡算1、酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)是反應(yīng)器設(shè)計的主要依據(jù)。在反應(yīng)器設(shè)計之前，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)特性，確定反應(yīng)所需的底物濃度、酶濃度、最適溫度、最適pH值、激活劑濃度等參數(shù)。2、計算底物用量

S＝────（kg）

S——所需的底物用量（kg，g）；

P——反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)量（kg，g）；

YP/S——產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率（％）；

R——產(chǎn)物收得率（％）；YP/S=───＝───＝────R=────────Δ[S]——反應(yīng)前后底物濃度的變化；[S0]——反應(yīng)前的底物濃度（g/L）；[St]——反應(yīng)后的底物濃度（g/L）。PYP/S·RPSΔ[S][S0][S0]-[St][S0]分離得到的產(chǎn)物量反應(yīng)生成的產(chǎn)物量3、計算反應(yīng)液總體積

根據(jù)所需的底物用量和底物濃度，就可以計算得到反應(yīng)液的總體積。

Vt＝──（L）Vt——反應(yīng)液總體積（L）；S——底物用量（g）；[S]——反應(yīng)前的底物濃度（g/L）。4、計算酶用量根據(jù)催化反應(yīng)所需的酶濃度和反應(yīng)液體積，就可以計算所需的酶量。

E=[E]·Vt（U）E——所需的酶量（U）；[E]——酶濃度（U/L）；Vt——反應(yīng)液體積（L）。S[S]5、計算反應(yīng)器數(shù)目

反應(yīng)器的有效體積是指酶在反應(yīng)器中進行催化反應(yīng)時，單個反應(yīng)器可以容納反應(yīng)液的最大體積，一般反應(yīng)液體積為反應(yīng)器總體積的70％～80％。⑴分批反應(yīng)器

N=───N——反應(yīng)器數(shù)目（個）；Vd——每天獲得的反應(yīng)液總體積（L/d）；V0——單個反應(yīng)器的有效體積（L）；t——底物在反應(yīng)器中的停留時間（h）24——24小時Vd·tV0·24⑵連續(xù)反應(yīng)器

N=───（個）

N——反應(yīng)器數(shù)目（個）；

Vh——每小時獲得的反應(yīng)液總體積（L/h）；

V0——單個反應(yīng)器的有效體積（L）；

t——底物在反應(yīng)器中的停留時間（h）⑶根據(jù)反應(yīng)強度計算反應(yīng)器數(shù)目

N＝──（個）QP——反應(yīng)器的生產(chǎn)強度

QP＝──＝───（g/L·h）Vh·tV0V0Vh·[P]V0QP·t[P]Ph第四節(jié)酶反應(yīng)器的操作一、酶反應(yīng)器的確定及其調(diào)控1、反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制控制在最適宜的溫度范圍內(nèi)。熱交換裝置或水蒸氣控制溫度。2、pH值的確定選擇最適宜的pH值。采用稀酸或稀堿進行，必要時可以采用緩沖溶液以維持反應(yīng)液的pH值。3、底物濃度的確定確定一個適宜的底物濃度。通常底物濃度應(yīng)達(dá)到5～10Km。4、酶濃度的確定和調(diào)節(jié)控制

確定一個適宜的酶濃度。適時對酶進行補充或更換，以保持一定的酶濃度。5、攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制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)。6、流動速度的確定與調(diào)節(jié)控制確定適宜的流動速度和流動狀態(tài)。并根據(jù)情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。二、酶反應(yīng)器操作的注意事項1、保證酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應(yīng)條件的激烈波動。①保持?jǐn)嚢杷俣鹊姆€(wěn)定；②保持流速的穩(wěn)定；③此外，反應(yīng)溫度、反應(yīng)液pH值等盡量保持穩(wěn)定，以保持反應(yīng)器恒定的生產(chǎn)能力。2、防止酶的變性失活①溫度：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最適溫度的條件下進行。②pH值：嚴(yán)格控制在酶催化反應(yīng)的適宜pH值范圍內(nèi)。③重金屬：要盡量避免重金屬離子的進入，必要時添加適量的EDTA等金屬鰲合離子，以除去重金屬離子對酶的危害。④剪切力：防止過高的攪拌速度，控制流體的流速。⑤此外，可以添加某些保護劑，以提高酶的穩(wěn)定性。3、防止微生物的污染

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有很大差別。①一些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，其受微生物污染的情況較少。例如青霉素?；复呋嗝顾鼗蝾^孢霉素反應(yīng)。②有些酶的催化反應(yīng)溫度較高，微生物無法生長。例：α－淀粉酶、Taq－DNA聚合酶的反應(yīng)溫度在50℃。③有些酶催化的pH值較高或較低，對微生物有抑制作用。例：胃蛋白酶在pH2的條件下催化。④有些酶在有機介質(zhì)中進行催化，受微生物污染的可能性甚微。⑤有些催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物是微生物生長、繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)，必須注意防止微生物污染。例如：淀粉、蛋白質(zhì)、葡萄糖、氨基酸等。

在酶反應(yīng)器的操作過程中，防止微生物污染的主要措施有：①保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔、衛(wèi)生，要求符合必要的衛(wèi)生條件。②反應(yīng)器在使用前后，都要進行清洗和適當(dāng)?shù)南咎幚?。③在反?yīng)器的操作過程中，要嚴(yán)格管理、經(jīng)常檢測、避免微生物污染。④必要時，在反應(yīng)液中添加適當(dāng)?shù)膶γ复呋磻?yīng)和產(chǎn)品質(zhì)量沒有不良影響的物質(zhì)，以抑制微生物的生長，防止微生物的污染。分批攪拌罐式反應(yīng)器連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器反應(yīng)液出口底物進口填充床式反應(yīng)器反應(yīng)產(chǎn)物出口底物溶液進口固定化酶流化床式反應(yīng)器反應(yīng)產(chǎn)物出口固定化酶底物溶液進口鼓泡式反應(yīng)器反應(yīng)液出口排氣口空氣分布器底物溶液進口進氣口中空纖維反應(yīng)器反應(yīng)產(chǎn)物出口外殼中空纖維底物溶液進口游離酶膜反應(yīng)器反應(yīng)容器膜分離器超濾膜反應(yīng)產(chǎn)物出口底物溶液進口酶循環(huán)使用噴射式反應(yīng)器高壓蒸汽進口至維持罐底物溶液進口反應(yīng)液常用的酶反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型操作方式適用的酶特點攪拌罐式反應(yīng)器分批式、流加分批式游離酶、固定化酶設(shè)備簡單、操作方便填充床式反應(yīng)器連續(xù)式固定化酶催化反應(yīng)器效率高流化床式反應(yīng)器分批式、流加分批式固定化酶混合均勻、傳質(zhì)和傳熱好鼓泡式反應(yīng)器分批式、流加分批式游離酶、固定化酶適合有氣體參與膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶、固定化酶集反應(yīng)與分離于一體，酶可回收噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶高溫短時催化酶反應(yīng)器的發(fā)展含有輔助因子再生的酶反應(yīng)器許多酶反應(yīng)都需要輔助因子的協(xié)助。如輔酶、輔基、能量供給體等，而這些輔因子的價格較貴。如采用簡單的添加方法，經(jīng)濟上很不合算。因此，發(fā)展了含有輔因子再生的酶反應(yīng)器，使輔因子能反復(fù)使用，降低生產(chǎn)成本。舉例：美國麻省理工學(xué)院有關(guān)人員設(shè)計ATP再生的酶反應(yīng)器。反應(yīng)器由3部分組成，第一部分固定兩個酶系組成一個反應(yīng)器，底物（氨基酸）在此經(jīng)過這兩個酶系催化合成短桿菌肽S。第二部分也固定兩個酶系，目的是使第一部分產(chǎn)生的AMP再生成ATP。第三部分是提供第二部分反應(yīng)所需的乙酰磷酸（由第一部分反應(yīng)產(chǎn)生的磷酸和乙烯酮反應(yīng)得到）。氨基酸短桿菌肽10ATPI乙烯酮乙酰磷酸III乙酸II10Pi10AMP二、兩項或多項反應(yīng)器許多底物不溶或微溶于水，如脂肪、類脂肪或極性較低的物質(zhì)，在進行酶轉(zhuǎn)化時，在水相中有濃度低、反應(yīng)體積大、分離困難、能耗大等缺點。若使酶反應(yīng)能在水-有機相中進行，則可大大增加反應(yīng)時的底物濃度。而且在兩項或多相體系中反應(yīng)，還?？蓽p少底物、特別是產(chǎn)物對酶的抑制作用，使酶反應(yīng)進行到底及酶的操作穩(wěn)定性延長。舉例：兩相反應(yīng)器將酶或固定化酶置于水相中，而底物溶于有機相中，然后在攪拌或乳化條件下反應(yīng)。有機相一般使用碳氧化合物及芳香族化合物，讓有機相對酶活的影響減少到最小。三相反應(yīng)器將酶或水溶性固定化酶溶于水中，然后與一個溶有載體的有機相在劇烈攪拌下形成穩(wěn)定的乳化液，再將此乳化液傾入緩緩攪拌的溶有底物的水相中，這樣就形成可內(nèi)外是水相，而中間隔了一層有機相的反應(yīng)系統(tǒng)。三、多酶反應(yīng)器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得人們有可能將多種酶固定化后，制成多酶反應(yīng)器，模擬微生物細(xì)胞的多酶系統(tǒng)，進行多種酶的順序反應(yīng)，來合成各種產(chǎn)物。它具有較好的發(fā)展前景，不但可組成高效率、巧妙的多酶反應(yīng)器，而且還可構(gòu)成全新的酶化學(xué)合成路線，生產(chǎn)人類所需的、自然界不存在的物質(zhì)。可以預(yù)言，今后將利用固定化酶反應(yīng)器進行順序的連續(xù)反應(yīng)，完全代替微生物的發(fā)酵來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，用小型的柱式反應(yīng)器，取