第十章 酶反应器

第十章 酶反应器 一般生化反应过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化） 生 物 反 应 器 空气 CO2等 冷却水 原 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 培养基 灭菌 底物 产物 废物 除菌 检测和控制 产物预处理 产品提取或液化 副产物 由图可见，利用生物催化剂进行反应的生物 反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现 生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和 产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉 价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和 操作，是生物工程中一个极其重要的问题，它对 产品的成本和质量有很大影响。 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 催化反应过程的中心地位，是连接原料和产 物的桥梁。 本章内容 酶反应器的类型1 3 2 酶反应器的选择 4 酶反应器的设计 酶反应器的操作 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) – 喷射式反应器（ Jet Reactor，JR ） • 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 ) • 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） 第一节 酶反应器的类型 各种反应器的示意图各种反应器的示意图 分批式搅拌罐式反应器 连续式搅拌罐式反应器 连续式搅拌罐式 超滤反应器 填充床式反应器 循环流式反应器 流动床式反应器 一、搅拌罐式反应器 连续搅拌釜式反应器 1. 间歇式搅拌罐酶反应器 • 又称为批量反应器（Batch Stirred Tank 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，反应条件容易调节控制。 • 缺点是：操作麻烦。用于游离酶催化反应时，反应后产物和酶混合在一 起，酶难于回收利用；用于固定化酶催化反应时，酶虽然可以回收利用， 但反应器的利用效率较低，而且可能对固定化酶的结构造成破坏。 2. 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：结构简单、操作简便，反应条件的调节和控制较容易， 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， 反应器的利用效率较高。 • 缺点是：搅拌桨剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。 底物溶液进口 反应液出口 二、 填充床反应器（固定床型） • 填充床反应器（Packed Bed 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：高效率、易操作、结构简单 等，因而，PBR是目前工业生产及研究中 应用最为普遍的反应器。它适用于各种 形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度 不大的底物溶液，以及有产物抑制的转 化反应。 • 缺点是：传质系数和传热系数相对较 低。当底物溶液含固体颗粒或黏度很大 时，不宜采用PBR。 旋转填充床 三、 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）。 但因FBR混合均匀，故不适用 于有产物抑制的酶反应。 四、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。 膜式反应器 五、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。 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。 游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续地进入反应器，酶在反应容 器的溶液中与底物反应，反应后，酶与反应产物一起，进入膜分离器进行分离， 小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。 六、喷射式反应器 • 利用高压蒸汽的喷射作用实现底物与酶的 混合，从而进行高温短时催化反应； • 结构简单，体积小，混合均匀，由于温度 高，催化反应速度快，催化效率高，可在 短时间内完成催化反应； • 适用于游离酶的连续催化反应。但是只适 用于某些耐高温酶的反应。已在高温淀粉 酶的淀粉液化反应中广泛应用。 七、循环反应器 各种酶反应器的特点 混合均匀，传质和传热 效果好，温度和pH值的 调节控制比较容易，不 易堵塞，对黏度较大的 反应液也可进行催化反 应。 固定化酶分批式 流加分批式 连续式 流化床反应器 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。 固定化酶连续式填充床式反应器 反应比较完全，反应条 件容易调节控制。 游离酶 固定化酶 分批式, 流加分批式 连续式, 搅拌罐式反应器 特点适用的酶适用的操作方式反应器类型 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 的催化反应。 游离酶连续式喷射式反应器 集反应与分离于一体，利于连 续化生产，但清洗比较困难 游离酶 固定化酶 连续式膜反应器 结构简单，操作容易，剪切力 小，混合效果好，传质、传热 效率高,适合于有气体参与的 酶催化反应。 游离酶 固定化酶 分批式 流加分批式 连续式 鼓泡式反应器 特点适用的酶适用的操作方式反应器类型 第二节 酶反应器的选择 1. 根据酶的应用形式(游离/固定化) – 游离酶（搅拌罐式、膜式、鼓泡式、喷射式） – 固定化酶（搅拌罐式、填充床式、鼓泡式、流化床 式、膜式） 2.根据酶反应动力学性质 • 酶与底物的混合程度 • 底物浓度对酶反应速度的影响 • 反应产物对酶的反馈抑制作用 • 酶催化作用的温度条件 3.根据底物、产物的理化性质 • 底物或产物的分子量较大时，一般不采用膜反应器； • 底物或产物的溶解度较低、黏度较高时，应选择搅拌罐式 或流化床式，而不采用填充床式和膜式； • 当有气体底物时，通常选用鼓泡式反应器； • 需要小分子物质作为辅酶时，通常不采用膜反应器。 通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用填 充床反应器（PBR），而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均可 使用于连续式搅拌罐（CSTR），膜状固定化酶要用螺旋卷膜 式反应器。 在应用游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应 溶液中，通过互相作用，进行催化反应。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。 可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液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，可选用呈胶体状者，易堵塞柱床，可选用FBRFBR。颗粒状底物溶液可适。颗粒状底物溶液可适 用于用于CSTRCSTR。当反应过程需要控制温度、调节。当反应过程需要控制温度、调节pHpH时，选用时，选用CSTRCSTR更更 为方便。为方便。 在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会 使酶从载体上脱落下来，或者由于磨损而使粒度变细，从而影 响了固定化酶的操作稳定性。 影响酶反应器系统选择的一些因素 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。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。 第三节 酶反应器的设计 与化学反应器不同，酶反应器设计应具有以下一 些原则： • 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接 连通； • 尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起 法兰连接处移位，从而导致污染； • 在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点 必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； • 防止死角、裂缝等情况； • 某些部分应能单独灭菌； • 易于维修； • 反应器可保持小的正压。 酶反应器的设计环节 • 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，一般采用不锈钢或玻璃制造反应容器即可。 • 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/反应液总体积/反应器数量 •反应动力学参数（底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH、激活剂浓度） •底物用量计算 式中 为所需的底物用量； 为产物的产量； 为产物转化率； 为 产物收率。 •反应液总体积计算 •酶用量的计算 •反应器数量的计算 对于分批式反应器： 对于连续式反应器： RY m m sp p s ⋅= sm pm spY R [ ]S mV st = [ ] tVEE ⋅= 240 t V VN d ⋅= 0V tVN h ⋅= 第四节 酶反应器的操作 • 反应温度的确定与调节控制 • pH值的确定与调节控制 • 底物浓度的确定与调节控制 • 酶浓度的确定与调节控制 • 混合程度的确定与调节 • 保持酶反应器的操作稳定性 • 防止反应器中酶的变性失活 酶反应器使用中应注意的问题 • 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，可用加快搅拌以促使 混合均匀。 • 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。 • 防止微生物污染。 • 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。 生物反应器开发的趋势和未来方向 （1）开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的定 向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术 （2）改进生物反应器的传质、传热的方法 （3）生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的 放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反 应器在最佳条件下操作成为可能 （4）特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因 产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反 应器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的 开发研制已获得广泛重视 （5）降低设备投资方面，对连续过程更加重视。连续 生物反应器的主要问题是产物浓度低。随着生物催 化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补。为了克 服发酵中的这个限制，固定化细胞系统提供了一种 达到高生产能力、高产品浓度的方法。