2011酶工程 第九章 酶反应器

null酶工程酶工程第九章 酶反应器Contents of chapter 7Contents of chapter 71、什么是酶反应器2、理想的酶反应器的要求3、各种酶反应器的特点4、酶反应器的选择和使用GoGoGoGo5、酶反应器的设计Go第一节 什么是酶反应器第一节 什么是酶反应器酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。null酶催化反应过程示意图过程调控生物反应器 消毒原料 预处理 产物分离提纯 产品生物催化剂制备空气除菌能量热量第二节 理想的酶反应器的要求第二节 理想的酶反应器的要求生物反应器设计的主要目标： 使产品的质量最高，生产成本最低。 评价生物反应器的主要标准： 反应器生产能力的大小和产品质量的高低。(4) 应具有最佳的无菌条件，否则杂菌污染使反应器的生产能力下降。(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。(2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。(3) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。酶在反应器中滞留时间也可看作一种传递。常见的酶反应器类型常见的酶反应器类型按结构区分 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) 按操作方式区分 分批式反应(batch) 连续式反应(continuous) 流加分批式反应(feeding batch) 一般防止底物抑制作用 混合形式 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） null第三节 各种酶反应器的特点第三节 各种酶反应器的特点与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。 又称为批次反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。 缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。(1)搅拌罐(间歇式)酶反应器(2)搅拌罐(连续式酶)反应器(2)搅拌罐(连续式酶)反应器又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。 优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。 缺点是：反应效率低（单位空间酶少)，回收过程酶易损失;搅拌动力消耗大，搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。在CSTR中催化剂通常采用颗粒状的固定化酶，为不致使反应器中的酶随反应液流失，故在其出口处通常装有滤膜，有的也采用磁性的固定化酶粒。(3) 填充床反应器(3) 填充床反应器填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。 优点是： （1）产物分离方便，可作连续化生产； （2）单位体积反应床的固定化酶密度大，可以提高催化反应的速度。 填充床反应器填充床反应器缺点 （1）传质系数和传热系数相对较低。温度和pH难以控制。 （2）固定化酶受到的压力大,颗粒容易破碎。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，更不宜采用PBR。 床层底部的酶颗粒所受压力大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎，因此常在反应器中间加托板分隔。 （3）清洗和更换部分固定化酶较麻烦 （4）底物和产物会产生轴向浓度分布。 (4) 流化床反应器(4) 流化床反应器流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。 特点是：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。 FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。流化床反应器流化床反应器 它有下列优点： (1)具有良好的传质及传热的性能。pH、温度控制及气体的供给比较容易。 (2)不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体。 (3)能处理粉末状底物。 (4)即使应用细粒子的催化剂（固定化酶），压力降也不会很高。 它有下列缺点： (1)需保持一定的流速，运转成本高，且难于放大。 (2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损。 (3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。 (4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 (5) 鼓泡式反应器(5) 鼓泡式反应器鼓泡式反应器(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。 鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。 鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，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。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。 鼓泡式反应器鼓泡式反应器(6) 膜反应器(6) 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。膜反应器膜反应器是将酶催化反应与半透膜的分离作用结合在一起的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可用于固定化酶反应。酶分布于反应器外壳和纤维管外壁之间，反应液在中空纤维内部流动，通过扩散底物进入纤维管外反应，产物再扩散回管中。酶於产物分离容易，且底物产物传质容易。 同时还具有固定化酶的容易分离特性，确无传质困难缺点。 经过较长时间使用，酶和其它杂质会被吸附于膜上，造成膜的通透性降低，且清洗较困难。null连续搅拌罐—超滤膜反应器 简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。反应分离耦合，且反应在均相中进行，产物抑制也小 清洗比较困难null1）平板状或螺旋状反应器 特点： 压力降小； 膜面积清晰； 放大容易 。 单位体积催化剂有效面积小。 null2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。 有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物有挥发性物，广泛应用于水处理装置。null3）空心酶管反应器 酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。 管内径1mm，管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在一起，用于定量分析。 null4）中空纤维膜反应器 由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径200μm -500μm，外径300μm -900μm)。组成。 内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 。 反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。 第四节 酶反应器的选择和使用第四节 酶反应器的选择和使用影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑： 酶的形式(游离/固定化) 固定化酶的形状 酶反应动力学性质及酶的稳定性 底物的物化性质 操作要求（人力，复杂度） 反应器制造、控制成本null（1） 酶的形式(游离/固定化)酶反应器的选择和使用溶液酶的回收有一定的困难，除了BSTR外，其它反应器一般都不适用；CSTR/UFR随可解决反复使用的问题，但是酶常因超滤膜吸附与浓差极化而损失，同时高流速超滤也可造成酶的切变失效。 颗粒状或片状固定化酶对CSTR和PBR类型的反应器都适用，但膜状和纤维状固定化酶却只适用于填充床操作。 颗粒状或片状——CSTR、PBR 膜状和纤维状——PBR 小颗粒状——FBR （２）酶反应动力学性质及酶的稳定性（２）酶反应动力学性质及酶的稳定性传质（酶和底物接触）　一般均相反应器较好（搅拌罐式反应器，膜反应器），搅拌效果好的反应器如流化床也可以选用． 底物抑制 　CSTR受到的影响比PBR小，可使用CSTR或伴有补料的BSTR。 产物抑制 　膜反应器比较适合（与产物分离容易），填充床式反应器由于底物和产物在反应器上浓度分布的不均一性，避免抑制的效果也较好．null酶耐热性好 喷射反应器（传质快，面积大） 酶的稳定性 在反应器运转过程中，由于高速搅拌、高速液流的冲击，酶常受到切变力作用，导致酶扭曲而失效，或导致酶从载体脱落，或导致固定化酶磨损。就各种反应器而言，CSTR一般远比别的反应器更易引起这类切变损失 （３）底物物化性质（３）底物物化性质底物分子量大 不适合膜反应器 有辅因子的酶（辅酶看成底物）不适合膜反应器　 可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可选用FBR。颗粒状底物溶液可适用于CSTR。 气体底物多用鼓泡塔反应器 酶反应器的选择和使用（4）操作要求、应用的可塑性及成本（4）操作要求、应用的可塑性及成本 有的酶反应要不断调整pH，有的需要经常供氧，也有的需要间歇补充底物，对于这些CSTR可以不中断运转过程而顺利地实行，PBR则不行。同时CSTR反应器的可塑性较大，结构简单，成本也较低。第五节 酶反应器的设计第五节 酶反应器的设计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。 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。 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。 4、进行物料衡算 酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量第六节 酶反应器的操作第六节 酶反应器的操作（一）反应温度的确定与调节控制 低速度慢，高失活力；换热面积与换热效率 （二）pH值的确定与调控 注意反应中pH变化 （三）底物浓度 底物浓度过高，溶液粘度大，传热传质难；底物抑制现象 （四）酶浓度 注意酶的流失 （五）搅拌速度 过低传质效果不佳；过高酶的受到剪切力大 （六）流动速度 过低传质效果不佳；过高酶的受到剪切力大酶反应器使用中应注意的问题（围绕酶核心）酶反应器使用中应注意的问题（围绕酶核心）酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要用酸或碱来调节反应液pH。如果局部的pH过高或过低，就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这时可用加快搅拌已促使混合均匀。还要注意温度。 如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。 酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或损失。造成固定化酶活性损失的原因： （1）酶本身的失活； （2）酶从载体上脱落； （3）载体的破碎或溶解 防止微生物污染