酶工程第八章 酶反应器

Chapter9

Reactorsforenzymaticcatalysis

酶反应器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。定义:以酶为催化剂进行反应所需的设备称为酶反应器。作用: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。以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应物制备特定产物。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。第一节酶反应器的类型一、搅拌罐式反应器是传统形式的反应器，由容器、搅拌器及保温装置组成，有的有挡板。特点及应用结构简单，不需特殊设备，适于小规模生产，发酵食品业中常见。1、分批搅拌罐式反应器特点：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。2、连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器(ContinuousStirredTankReactor,CSTR）底物产物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：搅拌浆剪切力大，易打碎、磨损固定化酶颗粒。二、填充床式反应器

packedcolumnreactorPCR把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床(也称填充床，可直立或平放)内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。是一种单位体积催化剂负荷量多，效率高的反应。当前工业多采用它。优点可使用高浓度的催化剂，产物和抑制剂从反应器中不断流出，可减少产物抑制。缺点(1)T与pH难控制；(2)底物、产物会轴向分布；(3)清洗更换部分固定化酶较困难；(4)床内有自压缩倾向，易堵塞；且床内压降大，底物须在加压下加入。三、流化床反应器FluidizedBedReactor,FBR是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器，形状可为柱形或锥形。底物以一定的速度由下向上流过，使固定化酶在浮动的状态下反应，液体的混合程度介于CSTR和PFR之间。优点(1）具良好的传质及传热性能，pH、T控制及气体供给较容易(2）不易堵塞，适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，压力降也不会很高缺点(1）需保持一定的流速，动转成本高，难以放大

(2）颗粒酶易机械破损(3）酶浓度不高(4）酶被冲出，降低了转化率解决办法(1)底物循环(2)使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。四、鼓泡式反应器

BubblecolumnreactorBCR生物反应有涉及到气体的吸收或产生，最好采用此类型反应器，或三相流化床反应器。一些无载体固定化新鲜菌体反应器也可采用此(图)。鼓泡塔型反应器五、膜反应器

MembranereactorMR将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器,可用于游离酶和固定化酶的催化反应;根据酶分子和产物的分子量大小,选择适当孔径超滤膜,分离膜可根据需要制成平面膜、直管膜、螺旋膜、中空纤维膜；采用膜反应器进行游离酶催化集反应分离于一体，一则回收循环使用，二则产物连续排出降低产物抑制膜的介绍膜有超滤膜、透析膜膜形状有平板状、管状、螺旋状、中空纤维状膜反应器的应用可作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有抑制作用时。缺陷长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。六、喷射式反应器利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合，进行高温反应的一种反应器。结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高温淀粉酶的淀粉液化。高压蒸汽底物溶液反应液至维持罐总结:各种酶反应器的特点反应器类型适用的操作方式适用的酶特点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式,游离酶固定化酶反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床式反应器连续式固定化酶密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，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，对粘度较大反应液也可进行催化反应。第二节酶反应器的选择选择酶反应器要点:酶的应用形式；酶的反应动力学性质；底物产物理化特性；尽可能结构简单易操作，易维护；适合多种酶催化，成本低；酶的形状、大小固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球)、膜状(膜、薄膜片状、管状)和纤维状3种，反应器的形状大致可根据酶的形状来确定。例粒状:膜状:适用于搅拌罐、固定床、流化床、鼓泡塔易变形、易凝集或颗粒细小的粒状酶用流化床，但要增大动力。转盘式、平板式、空心管等膜反应器。注意点：机械强度:(1)凝胶包埋法和微胶囊法制备的酶,其机械强度比用纯粹固体作为载体的固定化酶差得多。(2)塔身长的固定床反应器，用多孔板适当隔开，防止凝胶自身重量引起变形。酶反应器的选择一、根据酶的应用形式选择反应器二、根据酶反应动力学性质选择反应器三、根据底物或产物的理化性质选择反应器一、根据酶的应用形式选择反应器酶与底物均溶解在反应液中，可选用的反应器有（1）搅拌罐式反应器（2）鼓泡式反应器（3）膜反应器（4）喷射式反应器1、游离酶反应器的选择（1）搅拌罐式反应器游离酶催化反应最常用的是搅拌罐式反应器；优点：设备简单，操作简便，酶与底物混合较好，物质与热量传递较均匀，反应条件易控；限制：反应后酶与产物较难分离，酶难于回收利用；操作：分批式或流加分批式。（2）鼓泡式反应器有气体参与的酶催化反应通常采用鼓泡式反应器；特点：结构简单，操作较易，混合均匀，物热传递效率高；例：O2GH2O2（3）膜反应器为了使酶能回收利用，采用游离酶膜反应器；根据酶和产物分子质量选择适宜孔径超滤膜，防止浓差极化现象；（4）喷射式反应器某些耐高温的酶，采用喷射式反应式；特点：混合效果好，催化效率高；只限耐高温酶；2、固定化酶反应器的选择固定化酶特点：稳定性好，可反复使用形状有颗粒状，平板状，直管状，螺旋管状；颗粒状固定化酶可采用的反应器有：（1）搅拌罐式反应器；（2）填充式反应器；（3）流化床式反应器；（4）鼓泡式反应器；搅拌罐式反应器特点：混合均匀，传质传热效果好；限制：机械强度差的需注意浆剪切应力；填充床反应器特点：单位体积反应床的固定化酶密度大，提高酶催化效率与速度；限制：受压力大，易变形，易阻塞注意点：控制好高度，采取多孔托板分隔减小静压；流化床反应器特点：混合效果显著；限制：动力消耗大，固定化颗粒不能过大，密度与反应液相当，具较高强度；鼓泡式反应器适于有气体参加的酶催化反应，具有气、固、液三相，故称三相流化床式反应器，具流化床式反应器特点。反应器结合酶形式二、根据酶反应动力学性质选择反应器酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其影响因素的学科；酶反应动力学对反应器的选择影响有：（1）酶与底物混合程度；（2）底物浓度；（3）产物的抑制作用；（4）酶反应温度。（1）酶与底物混合程度要使酶与底物结合，必须保证酶与底物的碰撞；要求：混合均匀；效果较好的：搅拌罐式，流化床式；较差：填充床式，膜式；（2）底物浓度通常，酶反应速度随底物浓度增加而升高；有些反应，过高的底物浓度会产生抑制；措施：流加分批式反应；游离酶膜式；固定化酶，连续搅拌罐式反应、流化床式、填充床式等；（3）产物的抑制作用对于产物抑制的反应，最好选择膜式反应器；对于固定化酶，采用填充床式；（4）酶反应温度能耐高温的酶最好选用喷射式反应器；优点：高温下反应速度快，时间缩短，催化效率高；三根据底物或产物的理化性质选择反应器在催化过程，底物产物的理化性质直接影响到催化反应速率，其分子质量、溶解性、黏度等性质对反应器亦有影响；底物的性质底物包括溶解性物质(包括乳浊液)、颗粒物质、胶体物质后两者会堵塞填充床，故应用搅拌罐或流化床型反应器但过高的搅拌速度又可能引起固定化酶的切变粉碎，故需选取合适的反应器和合适的搅拌速度与流速。注意要点（1）分子量较大-一般不采用膜反应器；（2）溶解度低，黏度高-选用搅拌罐式或流化床式；（3）底物为气体-鼓泡式（4）具有辅酶的反应-通常不采用膜反应器（5）适用性-满足多种酶，多种条件（6）结构-简单（7）成本-低第三节酶反应器的设计设计目的设计出一个既能发挥生物反应的优点又可克服一些限制因素，以最低的生产成本，获得最高的产量和质量的酶反应器。设计原理（依据）(1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对此特性的影响。(2)反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性。(3)需要的生产量及生产工艺流程。上述3项组合建立的式子称为设计方程式或操作方程式。反应器设计一般需要的关系式:物料平衡;热量平衡;反应动力学;流动特性等。一、确定酶反应器的类型根据酶底物产物性质，按上一节所述的选择原则，确定反应器类型二、确定酶反应器的制造材料一般采用不锈钢制造容器即可，无特殊要求。三、进行热量衡算酶催化反应般在30~70℃常温下进行，热量衡算不复杂，温度调节也较简单。热水通夹（列管）；喷射式用水蒸气热焓和用量计算。四、进行物料衡算1、酶反应动力学参数的确定2、计算底物用量3、计算反应液总体积4、计算酶用量5、计算反应器数目1、酶反应动力学参数的确定确定底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH、激活剂浓度；关键之一：底物浓度；关键之二：酶浓度。2、计算底物用量根据产量要求、产物转化率、收得率，计算底物量。产量产物转化