第六章 酶反应器

第六章酶反应器第一页，共六十页，2022年，8月28日

第六章

酶反应器第二页，共六十页，2022年，8月28日

酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。

酶反应器基本上是游离酶、固定化酶或固定化细胞催化反应的容器（附加混合、取样和检测设备）。本章主要讲解酶反应器的特点与类型，酶反应器的设计与选型，酶反应器的操作。第三页，共六十页，2022年，8月28日第一节酶反应器的特点和类型一、酶反应器的特点①酶反应器不同于化学反应器，它是在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能也比较少。②酶反应器也不同于发酵反应器，因为它不表现自催化方式，即细胞的连续再生。③酶反应器和其他反应器一样，都是根据它的产率和专一性来进行评论的。第四页，共六十页，2022年，8月28日二、酶反应器的类型

酶反应器的类型很多，其分类方法也不同。①根据结构来分：可分为搅拌罐式反应器（STR）、鼓泡式反应器（BCR）、填充床式反应器（PCR）、流化床式反应器（FBR）和膜反应器（MR）等。②按进料和出料的方式可分为：批式、半批式(即流加分批式）与连续式反应器。③按其功能结构可分为：膜反应器、液固反应器及气液固三相反应器3大类。第五页，共六十页，2022年，8月28日（一）、反应器的类型1、搅拌式反应器

在酶催化反应中最常用的反应器，由反应罐、搅拌器和保温装置组成。可用于游离酶的催化反应，也可用于固定化酶的催化反应。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（feedingbatch）和连续式（continuous）3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。第六页，共六十页，2022年，8月28日1）分批搅拌罐式反应器

定义：

将酶（固定化酶）和底物溶液一次性加到反应器中，在一定条件下反应一段时间，然后将反应液全部取出。优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合较均匀，传质阻力小，反应比较安全，反应条件容易控制。

缺点：①游离酶与底物混合在一起，酶难于回收。②固定化酶易被破坏，且利用效率低。③易出现底物的抑制作用。第七页，共六十页，2022年，8月28日2）连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。

特点：连续搅拌反应器结构简单、操作简便，反应条件的调节和控制较容易，底物与固定化酶接触较好、传质阻力较低、反应器的利用率较高，是一种常用的固定化酶反应器。第八页，共六十页，2022年，8月28日2、填充床式反应器填充床式反应器是一种用于固定化酶进行催化反应的反应器。定义：把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床（也称填充床，床可直立或平放）内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。

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优点：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。

缺点：①温度和pH难以控制。②底物和产物会产生轴向浓度分布。③清洗和更换部分固定化酶较麻烦。④固定化酶颗粒所受的压力较大，易引起酶颗粒的变形或破碎。第十页，共六十页，2022年，8月28日3、流化床式反应器流化床反应器是一种适用于固定化酶进行连续催化反应的反应器。流化床反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。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。

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优点：具有混合均匀，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等特点。

缺点：①需一定的流速，运转成本高，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。第十二页，共六十页，2022年，8月28日4、鼓泡式反应器

鼓泡式反应器是利用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。

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特点：①可用于游离酶的催化反应，也可用于固定化酶的催化反应。②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。③可用于连续反应，也可用于分批反应。④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。第十四页，共六十页，2022年，8月28日5、膜反应器

膜反应器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。可用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。⑴固定化酶膜反应器

①中空纤维反应器结构紧凑，集反应与分离于一体，利于连续化生产。

②经过较长时间使用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，造成膜的透过性降低，而且清洗比较困难。第十五页，共六十页，2022年，8月28日

⑵游离酶反应器中进行催化反应时，底物溶液连续进入反应器，酶在反应器的溶液中与底物反应，反应后，酶与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除，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。

特点：①集反应与分离于一体，②分离膜在使用一段时间后，酶和杂质易吸附在膜上，易造成酶的损失，而且会由于浓差极化而影响分离速度和分离效果。第十六页，共六十页，2022年，8月28日6、喷射式反应器

喷射式反应器是利用高压蒸气的喷射作用，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。

特点：喷射式反应器结构简单、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。喷射式反应器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。〓第十七页，共六十页，2022年，8月28日

在实际应用时，应当根据酶、底物和产物的特性，以及操作条件和操作要求的不同而进行设计和选择。

选择酶反应器：①从酶的应用形式、酶的反应动力学性质、底物和产物的理化性质等几个方面进行考虑。②反应器应当尽可能具有结构简单、操作简便、易于维护和清洗、可以适用于多种酶的催化反应、制造成本和运行成本较低等特点。第二节酶反应器的类型选择第十八页，共六十页，2022年，8月28日一、根据酶的应用形式选择反应器1、游离酶反应器的选择⑴游离酶催化反应最常用的反应器是搅拌罐式反应器。⑵对于有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器。⑶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。⑷对于某些耐高温的酶，可以采用喷射式反应器，进行连续式的高温短时反应。第十九页，共六十页，2022年，8月28日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。①颗粒状固定化酶的反应器搅拌罐式反应器、填充床式反应器、鼓泡式反应器、流化床式反应器。②其他平板状、直管状、螺旋状的反应器一般作为膜反应器使用。第二十页，共六十页，2022年，8月28日二、根据酶反应动力学性质选择反应器1、从酶与底物的混合程度：可以采用搅拌罐式反应器、流化床式反应器。2、从底物浓度的高低对酶反应速度：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；对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。3、从产物对酶反馈抑制作用：最好选用膜反应器；对固定化酶而言，也可以采用填充床式反应器。4、从酶催化作用温度条件：能耐受100℃以上高温的，最好选用喷射式反应器。第二十一页，共六十页，2022年，8月28日三、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、黏度较高时，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。第二十二页，共六十页，2022年，8月28日5、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。6、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。7、所选择的反应器应当具有较低的制造成本和运行成本。第二十三页，共六十页，2022年，8月28日第三节酶反应器的设计

反应器的设计首先要了解酶催化反应的动力学特性及其各种参数，再根据生产的要求进行反应器设计。目的是设计出生产成本最低、产品的质量最高的酶反应器。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。第二十四页，共六十页，2022年，8月28日一、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。二、确定酶反应器的制造材料酶催化反应通常是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以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器即可。第二十五页，共六十页，2022年，8月28日三、进行热量衡算①常温催化：通常采用一定温度的热水（通过夹套或列管）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。②高温催化：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。第二十六页，共六十页，2022年，8月28日四、进行物料衡算1、酶反应动力学参数的确定酶反应动力学参数是反应器设计的主要依据。在反应器设计之前，就应当根据酶反应动力学特性，确定反应所需的底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH值、激活剂浓度等参数。第二十七页，共六十页，2022年，8月28日2、计算底物用量

S＝────（kg）

S——所需的底物用量（kg，g）；

P——反应产物的产量（kg，g）；

YP/S——产物转化率（％）；

R——产物收得率（％）；YP/S=───＝───＝────R=────────Δ[S]——反应前后底物浓度的变化；[S0]——反应前的底物浓度（g/L）；[St]——反应后的底物浓度（g/L）。PYP/S·RPSΔ[S][S0][S0]-[St][S0]分离得到的产物量反应生成的产物量第二十八页，共六十页，2022年，8月28日3、计算反应液总体积

根据所需的底物用量和底物浓度，就可以计算得到反应液的总体积。

Vt＝──（L）Vt——反应液总体积（L）；S——底物用量（g）；[S]——反应前的底物浓度（g/L）。4、计算酶用量根据催化反应所需的酶浓度和反应液体积，就可以计算所需的酶量。

E=[E]·Vt（U）E——所需的酶量（U）；[E]——酶浓度（U/L）；Vt——反应液体积（L）。S[S]第二十九页，共六十页，2022年，8月28日5、计算反应器数目

反应器的有效体积是指酶在反应器中进行催化反应时，单个反应器可以容纳反应液的最大体积，一般反应液体积为反应器总体积的70％～80％。⑴分批反应器

N=───N——反应器数目（个）；Vd——每天获得的反应液总体积（L/d）；V0——单个反应器的有效体积（L）；t——底物在反应器中的停留时间（h）24——24小时Vd·tV0·24第三十页，共六十页，2022年，8月28日⑵连续反应器

N=───（个）

N——反应器数目（个）；

Vh——每小时获得的反应液总体积（L/h）；

V0——单个反应器的有效体积（L）；

t——底物在反应器中的停留时间（h）⑶根据反应强度计算反应器数目

N＝──（个）QP——反应器的生产强度

QP＝──＝───（g/L·h）Vh·tV0V0Vh·[P]V0QP·t[P]Ph第三十一页，共六十页，2022年，8月28日第四节酶反应器的操作一、酶反应器的确定及其调控1、反应温度的确定与调节控制控制在最适宜的温度范围内。热交换装置或水蒸气控制温度。2、pH值的确定选择最适宜的pH值。采用稀酸或稀碱进行，必要时可以采用缓冲溶液以维持反应液的pH值。3、底物浓度的确定确定一个适宜的底物浓度。通常底物浓度应达到5～10Km。第三十二页，共六十页，2022年，8月28日4、酶浓度的确定和调节控制

确定一个适宜的酶浓度。适时对酶进行补充或更换，以保持一定的酶浓度。5、搅拌速度的确定与调节控制确定适宜的搅拌速度，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。6、流动速度的确定与调节控制确定适宜的流动速度和流动状态。并根据情况进行适当的调节控制。第三十三页，共六十页，2022年，8月28日二、酶反应器操作的注意事项1、保证酶反应器的操作稳定性尽量保持操作的稳定性，以避免反应条件的激烈波动。①保持搅拌速度的稳定；②保持流速的稳定；③此外，反应温度、反应液pH值等尽量保持稳定，以保持反应器恒定的生产能力。第三十四页，共六十页，2022年，8月28日2、防止酶的变性失活①温度：酶反应器的操作温度一般不宜过高，通常在等于或者低于最适温度的条件下进行。②pH值：严格控制在酶催化反应的适宜pH值范围内。③重金属：要尽量避免重金属离子的进入，必要时添加适量的EDTA等金属鳌合离子，以除去重金属离子对酶的危害。④剪切力：防止过高的搅拌速度，控制流体的流速。⑤此外，可以添加某些保护剂，以提高酶的稳定性。第三十五页，共六十页，2022年，8月28日3、防止微生物的污染

不同酶的催化反应，由于底物、产物和催化条件各不相同，在催化过程中受到微生物污染的可能性有很大差别。①一些酶催化反应的底物或产物对微生物的生长、繁殖有抑制作用，其受微生物污染的情况较少。例如青霉素酰化酶催化青霉素或头孢霉素反应。②有些酶的催化反应温度较高，微生物无法生长。例：α－淀粉酶、Taq－DNA聚合酶的反应温度在50℃。③有些酶催化的pH值较高或较低，对微生物有抑制作用。例：胃蛋白酶在pH2的条件下催化。④有些酶在有机介质中进行催化，受微生物污染的可能性甚微。第三十六页，共六十页，2022年，8月28日⑤有些催化反应的底物或产物是微生物生长、繁殖的营养物质，必须注意防止微生物污染。例如：淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等。

在酶反应器的操作过程中，防止微生物污染的主要措施有：①保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件。②反应器在使用前后，都要进行清洗和适当的消毒处理。③在反应器的操作过程中，要严格管理、经常检测、避免微生物污染。④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，以抑制微生物的生长，防止微生物的污染。第三十七页，共六十页，2022年，8月28日分批搅拌罐式反应器第三十八页，共六十页，2022年，8月28日连续搅拌罐式反应器反应液出口底物进口第三十九页，共六十页，2022年，8月28日填充床式反应器反应产物出口底物溶液进口固定化酶第四十页，共六十页，2022年，8月28日流化床式反应器反应产物出口固定化酶底物溶液进口第四十一页，共六十页，2022年，8月28日鼓泡式反应器反应液出口排气口空气分布器底物溶液进口进气口第四十二页，共六十页，2022年，8月28日中空纤维反应器反应产物出口外壳中空纤维底物溶液进口第四十三页，共六十页，2022年，8月28日游离酶膜反应器反应容器膜分离器超滤膜反应产物出口底物溶液进口酶循环使用第四十四页，共六十页，2022年，8月28日喷射式反应器高压蒸汽进口至维持罐底物溶液进口反应液第四十五页，共六十页，2022年，8月28日常用的酶反应器类型反应器类型操作方式适用的酶特点搅拌罐式反应器分批式、流加分批式游离酶、固定化酶设备简单、操作方便填充床式反应器连续式固定化酶催化反应器效率高流化床式反应器分批式、流加分批式固定化酶混合均匀、传质和传热好鼓泡式反应器分批式、流加分批式游离酶、固定化酶适合有气体参与膜反应器连续式游离酶、固定化酶集反应与分离于一体，酶可回收喷射式反应器连续式游离酶高温短时催化第四十六页，共六十页，2022年，8月28日酶反应器的发展含有辅助因子再生的酶反应器许多酶反应都需要辅助因子的协助。如辅酶、辅基、能量供给体等，而这些辅因子的价格较贵。如采用简单的添加方法，经济上很不合算。因此，发展了含有辅因子再生的酶反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。第四十七页，共六十页，2022年，8月28日举例：美国麻省理工学院有关人员设计ATP再生的酶反应器。反应器由3部分组成，第一部分固定两个酶系组成一个反应器，底物（氨基酸）在此经过这两个酶系催化合成短杆菌肽S。第二部分也固定两个酶系，目的是使第一部分产生的AMP再生成ATP。第三部分是提供第二部分反应所需的乙酰磷酸（由第一部分反应产生的磷酸和乙烯酮反应得到）。第四十八页，共六十页，2022年，8月28日氨基酸短杆菌肽10ATPI乙烯酮乙酰磷酸III乙酸II10Pi10AMP第四十九页，共六十页，2022年，8月28日二、两项或多项反应器许多底物不溶或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，在进行酶转化时，在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大等缺点。若使酶反应能在水-有机相中进行，则可大大增加反应时的底物浓度。而且在两项或多相体系中反应，还常可减少底物、特别是产物对酶的抑制作用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。第五十页，共六十页，2022年，8月28日举例：两相反应器将酶或固定化酶置于水相中，而底物溶于有机相中，然后在搅拌或乳化条件下反应。有机相一般使用碳氧化合物及芳香族化合物，让有机相对酶活的影响减少到最小。第五十一页，共六十页，2022年，8月28日三相反应器将酶或水溶性固定化酶溶于水中，然后与一个溶有载体的有机相在剧烈搅拌下形成稳定的乳化液，再将此乳化液倾入缓缓搅拌的溶有底物的水相中，这样就形成可内外是水相，而中间隔了一层有机相的反应系统。第五十二页，共六十页，2022年，8月28日三、多酶反应器随着科学技术的发展，使得人们有可能将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细胞的多酶系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物。它具有较好的发展前景，不但可组成高效率、巧妙的多酶反应器，而且还可构成全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存在的物质。可以预言，今后将利用固定化酶反应器进行顺序的连续反应，完全代替微生物的发酵来生产发酵产品，用小型的柱式反应器，取代今天庞大而低效的微生物发酵。化工厂、制药厂的高大的反应塔和密如蛛网的管道也将由简单、巧妙的生物反应器所取代。