第十一章 酶反应器

null 第十一章 酶反应器 第十一章 酶反应器null1、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Go1、什么是酶反应器1、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。（1）概念： 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。3、酶反应器要求3、酶反应器要求2、酶反应过程组成 （1）原材料预处理； （2）酶生物催化剂的制备； （3）酶生物反应器的选择及反应条件的调控； （4）产物的分离提纯。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2、理想的酶反应器的要求2、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。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 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 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。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 ) 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） 3、各种酶反应器的特点3、各种酶反应器的特点null(1)间歇式酶反应器(1)间歇式酶反应器又称为批量反应器（Batch Reactor ）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。 特点：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：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：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，食品和饮料工业中常用这类反应器。(2) 连续式酶反应器(2) 连续式酶反应器连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor）、连续式搅拌罐，结构上与间歇式搅拌反应器基本相同。 特点：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：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：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。底物溶液进口 反应液出口 (3) 填充床反应器(3) 填充床反应器填充床反应器（Packed Reactor），又称固定床反应器。 特点：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：高效率、易操作、结构简单等，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：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用。(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：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。 优点：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）。 缺点：但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。(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。 特点：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。 (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。null连续搅拌罐—超滤膜反应器 在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。4 、酶反应器的选择和使用4 、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 底物的物理性质 酶反应动力学性质 酶的稳定性 操作要求 反应器制造、控制成本null(1)、 酶的形状、大小及机械强度 粒状是最常用。 粒状酶：可采用搅拌罐、固定床、流化床和鼓泡塔。易变形，易凝集的，或是颗粒细小的，以采用流化床较为相宜。 膜状酶：宜采用螺旋式，转盘式、平板式，空心管等膜反应器。 包埋法和微胶囊法所制备的酶：一般不宜采用搅拌罐。（其机械强度较差，易被搅拌桨叶的剪切力所损伤） 填充床反应器如柱身较长，须用多孔板等将塔身适当地隔开。（由于凝胶本身重量而产生的压缩和变形，压力损失会增加） null(2)、 底物的性质 底物为：溶解性物质(包括乳浊液)、颗粒物质与胶体物质。 溶解性底物：适合任何类型的反应器。 颗粒状和胶体状底物：会堵塞填充床，多用搅拌罐或流化床型反应器。null(3)、 反应操作要求 温度和pH值控制的要求； 补充反应物的要求； 供氧或会产生气体要求； 补充酶的要求。(4)、 反应动力学 应根据不同反应类型的酶反应动力学特征（如分批式和连续式等）选择最适宜的反应器。null(5)、 酶的稳定性 固定化酶在反应器中催化活性的不稳定原因： (1)酶的失效； (2)酶从载体上脱落； (3)载体的解体。 酶稳定性好，可采用能长效运行的反应器，如填充床反应器； 稳定性差的则不宜采用，否则会带来拆装等麻烦。null(6)、 应用的可塑性及成本 所选反应器应能用于多种用途，多种产品的生产，这样可降低成本。 一般来说CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，而且由于结构简单，制造成本也较低。5、酶反应器的设计5、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null1、控制酶反应器中流动状态； 2、维持酶反应器的恒定生产能力； 3、保持酶反应器的稳定及长期运转； 4、防止酶反应器的污染．酶反应器的操作要点 null1、酶反应器中流动状态的控制 （1）流动方式的改变会使酶与底物的接触不良，造成反应器生产力减低以及造成返混程度的变化，增加副反应。 （2）流动方式的改变会使填充床内出现沟流或部分堵塞，影响反应性能。 （3）搅拌不均匀或搅拌速度过快，使固定化酶产生破碎、失活。 （4）在填充床型反应器中，柱高及通过柱的液流流速会影响柱内压降。 （5）固体或胶体物质沉积妨碍底物与酶接触，引起酶活性损失；null 2、酶反应器的操作中，应注意壅塞现象。 壅塞分为： 外壅塞：酶颗粒之间的空隙填塞，使柱完全堵塞。 内壅塞：单个酶颗粒的孔内形成一薄层，影响底物与固定 化酶接触。 null3、酶反应器的恒定生产能力的控制 根据一定时间内形成产物的量决定物料流速从而保持转化率恒定。 对于填充床反应器，控制流速还应考虑流速对床的压力，以保证填充床型反应器维持恒定的生产能力。null4、酶反应器的稳定性 引起酶变性作用的最主要因素是温度、pH、氧化、离子强度及剪切力。 微生物或酶的作用也会造成酶的失活。 null5、酶反应器的微生物污染 酶反应底物成分相对单一，不具备良好的营养条件，因而酶反应器不必在完全无菌的条件下。但要在具备必要的卫生条件下进行。要常常检测，避免微生物污染，最好尽量做到无菌条件下进行操作。 null（1）微生物污染的危害 微生物污染会堵塞反应器； 会消耗底物或产物； 产生酶和代谢产物； 进而使产物降解； 产生副产物； 使固定化酶载体降解。 null（2）防止微生物污染的措施 当产物（如抗生素、酒精、有机酸等）具有抑制微生物生长时不易污染。 向底物加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂或将底物料液预先过滤等可防止污染。 在45℃以上或在酸性、碱性缓冲液中进行操作可减少的污染。 高浓度底物反应时可以提高渗透压、降低水活度、抑制微生物生长。 酶反应器在每次使用后进行适当消毒，可减少微生物污染。