第九章 酶反应器

第九章酶反应器

目录一.酶反应器的概念和特点二.酶反应器的类型三.酶反应器的选择四.酶反应器的设计五.酶反应器的操作六.酶反应器的发展定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶反应器(Enzymereactor)。

1.酶反应器的概念和特点菌种培养基生物催化剂产物底物发酵罐酶反应器提取成品产物作用：用于完成酶促反应的核心装置，为酶催化反应提供合适的场所和最佳反应条件，以便在酶的催化下，使底物最大限度地转换成产物。处于酶催化反应的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。2.酶反应器的类型（1）按结构分：

搅拌罐式反应器（StirredTankReactor,STR）填充床式反应器(packedcolumnreactor,PCR)流化床型反应器（FluidizedBedReactor,FBR)膜式反应器(MembraneReactor,MR)鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)喷射式反应器（projectionalreator,PR）

（二）按操作方式分分批式反应(batch)连续式反应(continuous)流加分批式反应(feedingbatch)（三）按混合形式分连续搅拌罐反应器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批搅拌罐反应器（BatchStirredTankReactor,BSTR）

一：搅拌罐型（StirredTankReactor,STR）特点：有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。分类：1）分批搅拌罐式反应器(BatchStirredTankReactor,BSTR)适用的酶：游离酶、固定化酶2）连续流搅拌罐反应器(ContinuousFlowStirredTankReactor,CSTR)适用的酶：固定化酶具体类型：适用的操作方式：分批式、流加分批式、连续式优点：结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。缺点:反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易损失。特点：装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。

适用于：固定化酶

二流化床型(FluidizedBedReactor,FBR)优点：可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液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：混合均匀，所以不适用于有产物抑制酶的反应固定化酶易破坏动力成本高三固定床型（也称填充床，PackedBedReactor,PBR）

特点：

把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致，又称活塞流反应器(PlugFlowReactor,PFR)

适用于：固定化酶。

优点：①易操作、结构简单，酶密度大②与连续搅拌罐反应器相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高）。

缺点：①温度和pH难以控制；②固定化酶所受到的压力大，易引起变形和破碎③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，不宜采用填充床式反应器。

特点：将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。适用于：游离酶、固定化酶。

优点：集反应和分离与一体①酶可回收利用②及时分离出产物，降低或消除产物对酶的反馈抑制

缺点：浓差极化现象四膜式反应器(MembraneReactor)

特点：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。

适用于：

游离酶、固定化酶。在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床反应器。

优点：

结构简单、操作容易、剪切力小，物质欲热量的传递效率高，是气体参与反应的种反应器。五鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)

六喷射式反应器

特点：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，是进行高温短时催化反应的一种反应器。

适用于：耐高温的、游离酶的反应

优点：温度高，催化反应速度快，效率高，可在短时间完成催化反应。各类酶反应器的比较各类酶反应器的比较3.酶反应器的选择一酶的应用形式二底物或产物的物理性质三反应操作要求

四酶的稳定性五酶反应动力学性质六其他影响因素

一酶的应用形式

游离酶：搅拌罐式反应器（具有高浓度底物抑制作用的酶，用流加式分批反应）鼓泡式反应器（有气体参与的酶反应）游离酶膜反应器（价格较高的酶）喷射式反应器（耐高温的酶）

2.固定化酶颗粒状——连续搅拌罐反应器、填充床、流化床、鼓泡式反应器平板状、直管状、螺旋管状——膜反应器二底物或产物的物理性质

溶解性物质——任何类型反应器

底物颗粒物质

胶体物质

搅拌式、流化床（不用填充式和膜反应器）

三反应操作要求

1.反应过程需要控制温度、调节pH——搅拌罐型反应器。2.若反应耗氧——鼓泡式反应器。底物或产物分子量较大小分子物质作为辅酶不宜用膜式反应器

四酶的稳定性

固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下三种原因：酶本身失效；酶从载体上脱落；载体的破碎或溶解在各种类型的反应器中，连续搅拌罐反应器最易引起这类损失。

五酶反应动力学性质1.混合效果：搅拌罐式、流化床式反应器的效果好填充床式效果较差膜反应器辅助搅拌2.高浓度底物抑制：流加分批搅拌罐式3.产物反馈抑制：游离酶膜反应器或填充床式反应器六其他影响因素所选择的反应器应当能够适应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。所选择的反应器应当尽可能结构简单，操作简单，易于维护和清洗，并具有较低的制造成本和应用成本。

4.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/反应器数量与设计有关的参数：①酶反应器生产强度Qp：②产品转化率X及酶的催化率Rp／e：

③产物浓度ρP及底物停留时间t：

其中：

①酶反应器的生产强度Qp表示每小时每升反应体积所生产的产品的质量（g），即：

②产品转化率X是指每克底物中有多少克转化为产物。即：

③酶的催化率Rp/e表示单位量的酶催化产物形成的克数，它和操作条件有如下关系：

式中：Sa(t)为单位时间内每克酶能作用的底物质量(g)，tc是酶的有效时间，一般以酶的半衰期tl／2表示。可见，提高催化率Rp/e必须使用高的Sa的酶并且要增大酶的稳定性。④产物浓度ρP是一个影响到分离提纯，也就是回收成本高低的关键问题。在连续工艺中，降低稀释率或增加酶浓度可使产物浓度升高，但会使Qp减小。⑤底物在反应器中的停留时间t：

t也被定义为空时，其倒数1／t称为空速，又常称为稀释率。空时、转化率和生产强度是表示酶反应器性能的重要参数，它们都和酶浓度、比活力以及反应条件密切相关，其中反应条件决定着酶催化活性的表现。5.酶反应器的操作一酶反应器操作条件的确定及调控反应温度的确定与调节控制pH值的确定与调控底物浓度酶浓度搅拌速度流动速度

二酶反应器操作的注意事项酶反应器中流动状态的控制１．外壅塞２．内壅塞

酶反应器恒定生产能力的控制1．控制反应器流速

2．增加温度

3．将若干使用不同时间和处于不同阶段的柱反应器串联，并与上述方法之一相结合

保持酶反应器的操作稳定性

1．防止酶的变性失活2．防止固定化酶自溶或从载体上脱落防止酶的变性失活：温度、pH、重金属离子以及剪切力

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。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。防止微生物污染主要措施有：

1．保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件。2．酶反应器在使用前后，都要进行清洗和适当的消毒处理。3．必要时，在反应液中添加适当的对酶催化反应和产品质量没有不良影响的物质，如用过氧化氢或50％甘油水溶液处理酶反应器，以抑制微生物的生长，防止微生物的污染等。

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。酶反应器的发展

6.酶反应器的发展

一.含有辅助因子再生的酶反应器:问题由来:

许多酶反应都需要辅因子的协助，如辅酶、辅基、能量供给体等。这些辅因子价格昂贵，需再生循环使用才能降低成本，因而发展了辅因子再生酶反应器。例如：

利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依半透膜能将固定化NAD保留在反应器内，实现了NAD的再生于循环使用。

二.两相或多相反应器问题由来:许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。解决办法：使酶反应在有机相中进行，可增