第七章 酶反应器的类型与选择

第七章 酶反应器的类型与选择 ?用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 ?按照结构的不同分为: 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）、鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )、填充床式反应器(packed column reactor, PCR )、流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)、膜反应器(Membrane Reactor, MR)等； ?酶反应器的操作方式可以分为分批式反应(batch )、连续式反应(continuous )和流加分批式反应(feeding batch ); ?将反应器的结构和操作方式结合一起，对酶反应器进行分类， 连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）等。 ? 常用的酶反应器类型 反应器类型 适用的操作方式 适用的酶 特点 搅拌罐式反应器 分批式, 游离酶 由反应罐，搅拌器和 流加分批式 固定化酶 保温装置组成。设备 连续式, 简单，操作容易，酶 与底物混合较均匀， 传质阻力较小，反应 比较完全，反应条件 容易调节控制。 填充床式反应器 连续式 固定化酶 设备简单，操作方便， 单位体积反应床的固 定化酶密度大，可以 提高酶催化反应的速 度。在工业生产中普 遍使用。 流化床反应器 分批式 固定化酶 流化床反应器具有混 流加分批式 合均匀，传质和传热 连续式 效果好，温度和pH 值的调节控制比较容 易，不易堵塞，对粘 度较大反应液也可进 行催化反应。 鼓泡式反应器 分批式 游离酶 鼓泡式反应器的结构 流加分批式 固定化酶 简单，操作容易，剪 连续式 切力小，混合效果好， 传质、传热效率高, 适合于有气体参与的 反应。 膜反应器 连续式 游离酶 膜反应器结构紧骤，集 固定化酶 反应与分离于一体,利 于连续化生产, 但是容 易发生浓差极化而引起 1 膜孔阻塞， 清洗比较困 难 喷射式反应器 连续式 游离酶 通入高压喷射蒸汽，实 现酶与底物的混合，进 行高温短时催化反应， 适用于某些耐高温酶 的反应 1.1搅拌罐式反应器： ?搅拌罐式反应器(stirred tank reactor, STR)是有搅拌装置的一种反应器(图8-1，8-2所示)。?在酶催化反应中是最常用的反应器。它由反应罐，搅拌器和保温装置组成。 ?搅拌式反应器的操作方式可以根据需要采用分批式（batch）、流加分批式(feeding batch)和连续式(continuous)三种。与之对应的有分批搅拌罐式反应器和连续搅拌罐式反应器之 分。 (1)分批搅拌罐式反应器： 图8-1 分批搅拌罐式反应器 (2)搅拌罐式反应器： 连续搅拌罐式反应器（continuous stirred tank reactor ,CSTR）的结构示意图如图8-2 反应液出口 底物溶液进口 图8-2 连续搅拌罐式反应器示意图 1.2填充床式反应器： 填充床式反应器(packed column reactor, PCR)是一种用于固定化酶进行催化反应的反 应器。如图8-3所示。 2 反应产物出口 固定化酶 底物溶液进口 图 8-3填充床式反应器示意图 1.3 流化床反应器： 流化床反应器（fluidized bed reactor, FBR）是一种适用于固定化酶进行连续催化 反应的反应器。如图8-4所示。 反应产物出口 固定化酶 底物溶液进口 图8-4 流化床式反应器示意图 1.4鼓泡式反应器： 4 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是利用从反应器底部通入的气体产生的 大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器。也是一种无搅拌 装置的反应器。如图8-5所示。 3 排气口 。。 。。?. 反应液出口 ? 。?? 。?。? ? ? 。。。? ?。 。?? ? 。?。? 。?? ?? ?。 ?。 。。?。?。?。 空气分布器 底物溶液进口 ? ? 进气口 图8-5 鼓泡式反应器示意图 1.5膜反应器： 膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而 成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。 用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的 一种生物反应器。 膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是 中空纤维反应器，如图8-6所示。 4 1 2 3 图8-6 中空纤维反应器示意图 1：外壳 2：中空纤维 3：底物溶液进口 4：反应产物出口 4 膜反应器也可以用于游离酶的催化反应。游离酶膜反应器的装置如图8-7所示。 底物溶液进口 酶液循环使用 超滤膜 ? 反应产物出口 （反应容器） （膜分离器） 图8-7 游离酶膜反应器示意图 1.6喷射式反应器： 喷射式反应器是利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合， 进行高温短时催化反应的一种反应器。如图8-8所示。 反应液 高压蒸汽进口 至维持罐 底物溶液进口 图8-8 喷射式反应器示意图 2.1 根据酶的应用形式选择反应器： ?在体外进行酶催化反应时，酶的应用形式主要有游离酶和固定化酶。 (1)游离酶反应器的选择： ?可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。 ?游离酶催化反应最常用的反应器是拌罐式反应器。搅拌罐式具有设备简单，操作简便，酶 与底物的混合较好，物质与热量的传递均匀，反应条件容易控制等优点，但是反应后酶与反 应产物混合在一起，酶难于回收利用。 ?对于有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器。鼓泡式反应器结构简单，操作容 易, 混合均匀，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。 ?对于某些价格较高的酶，由于游离酶与反应产物混在一起，为了使酶能够回收，可以采用 游离酶膜反应器。 ?对于某些耐高温的酶，如高温淀粉酶等，可以采用喷射式反应器，进行连续式的高温短时 反应。喷射式反应器混合效果好，催化效率高，只适用于耐高温的酶。 5 (2)固定化酶反应器的选择： ?应用固定化酶进行催化反应，可以选择搅拌罐式反应器、填充床式反应器、鼓泡式反 应器、流化床式反应器、膜反应器等。 ?应用固定化酶进行反应，由于酶不会或者很少流失，为了提高酶的催化效率，通常采 用连续反应的操作形式。 ?颗粒状的固定化酶可以采用搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、 鼓泡式反应器等进行催化反应。 2.2根据酶反应动力学性质选择反应器： (1)必须保证酶分子与底物分子能够有效碰撞，为此，必须使酶与底物在反应系统中混 合均匀。 ?搅拌罐式反应器、流化床式反应器均具有较好的混合效果。填充床式反应器的混合 效果较差。在使用膜反应器时，也可以采用辅助搅拌或者其他方法，以提高混合效果，防止 浓差极化。 (2)底物浓度的高低对酶反应速度有显著影响。 具?有高浓度底物抑制作用的酶，如果采用分批搅拌罐式反应器，可以采取流加分批反 应的方式进行反应。 ?对于具有高浓度底物抑制作用的游离酶，可以采用游离酶膜反应器进行催化反应； ?对于具有高浓度底物抑制作用的固定化酶，可以采用连续搅拌罐式反应器、填充床式 反应器、流化床式反应器、膜反应器等进行连续催化反应。 (3)有些酶催化反应，其反应产物对酶有反馈抑制作用。 ?对于具有产物反馈抑制作用的固定化酶，也可以采用填充床式反应器。 (4)某些酶可以耐受100?以上的高温，最好选用喷射式反应器。 2.3根据底物或产物的理化性质选择反应器： (1)反应底物或产物的分子质量较大时，由于底物或产物难于透过超滤膜的膜孔，所以 一般不采用膜反应器。 (2)反应底物或者产物的溶解度较低、粘度较高时，应当选择搅拌罐式反应器或者流化 床式反应器，而不采用填充床式反应器和膜反应器，以免造成阻塞现象。 (3)反应底物为气体时，通常选择鼓泡式反应器。 (4)有些需要小分子物质作为辅酶（辅酶可以看作是一种底物）的酶催化反应，通常不 采用膜反应器，以免辅酶的流失而影响催化反应的进行。 2.4所选择的反应器应当能够适用于多种酶的催化反应，并能满足酶催化反应所需的各种条 件，并可进行适当的调节控制。 2.5所选择的反应器应当尽可能结构简单、操作简便、易于维护和清洗。 2.6所选择的反应器应当具有较低的制造成本和运行成本。 ?酶反应器的设计主要包括反应器类型的选择，反应器制造材料的选择、热量衡算、物料衡 算等。 3.1确定酶反应器的类型： 酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则， 选择并确定反应器的类型。 3.2确定反应器的制造材料： 由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、pH近乎中性的环境中 进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容 器即可。 6 3.3进行热量衡算： 酶催化反应一般在30～70?的常温条件下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温度 的调节控制，热量衡算是根据热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀 粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。 3.4进行物料衡算： 物料衡算是酶反应器设计的重要任务。主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 包括： (1)酶反应动力学参数的确定： (2)计算底物用量： (3)计算反应液总体积： (4)计算酶用量： (5)计算反应器数目： 4.1酶反应器操作条件的确定及其调控： ?酶反应器的操作条件主要包括温度、pH值、底物浓度、酶浓度、反应液的混合与流 动等。 (1)反应温度的确定与调节控制： (2)pH值的确定与调节控制： (3)底物浓度的确定与调节控制： (4)酶浓度的确定与调节控制： (5)搅拌速度的确定与调节控制： (6)流动速度的确定与调节控制： 4.2酶反应器操作的注意事项： (1)保持酶反应器的操作稳定性： (2)防止酶的变性失活： (3)防止微生物的污染： 7