酶反应器的认知与操作-几种常用的酶反应器

分批式反应器（1）分批式反应器分批式搅拌罐反应器也称间歇式反应器（hatchstirredtankreactor，BSTR），常简称分批式反应器（图9.2-1），其操作特点是：反应器内的底物和酶(无论是固定化酶或是游离酶)，都是一次投入，反应完毕，一次取出，并用过滤或超滤法分离酶和产物，固定化酶转入下批使用；游离酶一般不回收，往往加热或用其他方法处理使其变性除去。其优点是：结构简单，造价较低，传质阻力由搅拌克服，反应能迅速达到稳态。缺点是：操作麻烦，酶的使用半衰期较短。适用于产品品种多，产量少，酶源价廉的小规模生产，主要用于饮料食品加工工业；目前许多发商工厂的淀粉液化和糖化的酶法水解，也都是用游离酶，在间歇式搅拌操作。固定化酶较少用此法。BSTR也可以进行半分批式操作．即分次加入底物、反应结束后—次出料，分离产品。适出于存在底物抑制的酶反应。各种不同类型酶反应器a—间隙式反应器；b—连续流搅拌罐反应器；c—填充床反应器；d—循环流填充床反应器；e—流化床反应器；f—连续流搅拌罐超滤膜反应器；g—螺旋卷膜式反应器辅酶再生系统（1）辅酶再生系统辅酶再生系统，被称为第二代反应器，也即是一类组合式酶反应器。例如，NAD，NADP，ATP的再生系统，有的已用于工业生产。德国学者Kula等曾经设计了一种由亮氨酸脱氢酶（LueDH）催化a-酮异己酸和铵盐生产L-亮氨酸的酶反应器，该酶需要消耗NADH，供氢，并被氧化为NAD+，为使其冉生，他们采用了甲酸脱氢酶(FDH)，该酶需NAD—，接受由甲酸脱下来的氢，生成NADH，即NAD+得到了再生。此项设计，利用液-液双水相技术，获得廉价的甲酸脱氢酶和亮氨脱氢酶，将两种酶和NADH一同在PFG-20000上进行固定化，再把这个反应系统置于超滤膜反府器内，如图9.2-4所示。辅酶再生系统此系统连续反应两个月，酶系催化效率不减，辅酶l循环80000次，由LueDH催化a-酮异己酸和铵盐生产L—亮氨酸，日产量达1000克，而甲酸经脱氢产生的二氢化碳也可以利用，膜状、中空纤维固定化酶只适用于PBR型，有气体参与反应的系统，可用鼓泡塔反应器，也可用流化床反应器。鼓泡塔式反应器（1）鼓泡塔式反应器鼓炮塔式反应器．是—类气、液、固三相反应器，工作原理与流化床反应器相似．外形有柱状的、鼓肚状的、多鼓串接成塔状的（如图9.2-3所示）。用于需氧反应时，一般由塔下方输入加压气体，由于气体进入塔内，在液固相中分散叫会鼓泡而得名。这对固定化活细胞是一种有效设备，用于厌氧细胞产生时(加固定化酒精酵母生产乙醇)，通入二氧化碳鼓泡。鼓炮塔式反应器设计较复杂，但是设备投资和操作费用不高，总计还是比传统生产法低，因此正在发展之中。图9.2-3几种鼓泡塔式反应器连续流搅拌罐反应器（1）连续流搅拌罐反应器连续流搅拌罐反应器（continuousstirredtankreactor，CSTR）是DSTR的一种发展，其操作特点是：先向反应器内投人固定化酶和底物溶液，搅拌平衡后，再以恒定的流速连续流人底物溶液．同时以同样的流速流出含产物的溶液。液流方向，通常是由反应器下方进，上方出口，也有L进下出的（图9.2-1）。CSTR的优点是：传质阻力低，能处理胶状底物和不溶件底物，固定化酶易于更换；缺点是：酶较易破损流失，用酶量较填充床反应器大，为了克服酶流失的缺点，在出口处安装过滤器，或将固定化酶用尼龙网袋装上，固定在搅拌器轴上；或是做成磁件固定化酶颗粒，在反应器出口处借助十磁吸滞留之。CSTR适用于存在底物抑制的酶反应。各种不同类型酶酶反应器a—间隙式反应器；b—连续流搅拌罐反应器；c—填充床反应器；d—循环流填充床反应器；e—流化床反应器；f—连续流搅拌罐超滤膜反应器；g—螺旋卷膜式反应器流化床反应器（1）流化床反应器流化床反应器（fluidizedbedreactor）和CSTR—样，是将适量的粉状或小颗粉状固定化酶(或细胞)悬浮于反应器中，不搅拌，而由向上的底物液流的冲击作用，达到混合的目的（图9.2-1）。这种反应器控制好流速是操作的关键，应以能使固定化酶颗粒保持悬浮状态，又不溢出反应器为度，因而，达不到CSTR的全混状态，但混合程度高，传质、传热良好，可适用于处理高粘度和粉末状不溶性底物，亦可用于有气体参与反应或反应过程产生气体的酶反应操作。由于流化床液流的冲击作用，固定化酶颗粒容易破损，反应器中的酶浓度不高，运转成本较高．也不适用于存在产物抑制的酶反应，这些都是其缺点。改进的办法，一是使底物进行循环，二是将几个流化床串联成反应器组，三是将反应器做成分区进口底物液的结构，四是设计锥形体反应器。还有从改进固定化酶制备方面着手的办法，如磁性化等。图9.2-1各种不同类型酶酶反应器a—间隙式反应器；b—连续流搅拌罐反应器；c—填充床反应器；d—循环流填充床反应器；e—流化床反应器；f—连续流搅拌罐超滤膜反应器；g—螺旋卷膜式反应器膜型酶反应器（1）膜型酶反应器膜型反应器是由膜状（包括半透性膜）或薄板状固定化酶（细胞）组装的酶反应器的总称。反应器结构有多种形式。一种简单的利用方式，即是用超滤膜装置与CSTR联合，组成连续搅拌罐一超滤膜反应器。超滤膜起到阻留酶的作用，无论游离酶或是固定化酶（或细胞），都可用这种酶反应器生产有用物质。现巳用于由纤维素酶、a-淀粉酶、糖化酶生产葡萄糖，由青霉素酰化酶生产8-氨基青霉烷酸等。超滤膜的另一类利用力式，是用超滤膜制备固定化酶（或细胞），然后装填于柱形反应器中而成超滤膜反应器（UFR）。又有各种不同的形式，将酶固定化于中空纤维超滤膜的腔内或是外面的基质层上，集束装于管式反应器中，构成中空纤维膜式反应器。底物液可以压入中空纤维膜内腔，向膜外流动，与外同定化酶反应后流出（反循环式）；也可以从中空纤维外壁压入腔内，与内固定化酶反应后、从膜内流出(反冲式)；还有在中空纤维上半部由腔内外流，下半部又由外向内流，冉梳出反应器的。将酶固定化于膜状惰性支持物上，将其卷成螺旋卷状，填充于柱中，称为螺旋卷膜式反应器（图9.2-1）。以包埋法为主制备的凝胶成型薄片固定化酶圆盘，叠装在旋转轴上，把整个装置浸泡在底物液中，即成转盘型酶膜反应器。此型反应器，结构较简单，容易放大，但反应器中单位体积的催化剂的有效面积较小。空心酶管反应器（图9.2-2），是将酶固定化于内径约1mm的细管的内壁，组装而成，底物流经管内与酶接触进行反应，这类反应器在自动分析仪中应用较多。膜型反应器，特别是中空纤维膜反应器，结构复杂，制作麻烦，成本高，传质阻力大，不适宜于黏稠和不溶性底物应用。但反应器的酶损失小，反应器的清洗、消毒及反应条件控制，都较容易，一般不存在酶的底物抑制和产物抑制(转盘型反应器除外)，因此，有的已用于工业化生产，例如，用双酶膜反应器生产L-丙氨酸等。图9.2-2几种膜型固定化酶反应器a—立型平板式；b—螺旋卷式；c—转盘式；d—空心管式；f—中空纤维式喷射式反应器（1）喷射式反应器喷射式反应器是利用高压蒸气的射流作用原理，当蒸气喷射流经管道狭窄部位时，所生产的负压将酶和底物溶液吸入反应器，在高温下短时(几秒钟)完成反应，并喷出反应器。结构简单，体积小，转化效率高。这是新近为耐热的高温a-淀粉酶液化淀粉而设计的—种新型反应器。填充床反应器（1）填充床反应器填充床反应器(packedreactor)也称活塞流反应器（p1ugflowreactor），两个名称各反映了这种反应器的一个侧面，填充床，表明通常是将固定化酶或固定化细胞装填于反应器的柱管中，而形成反应柱床；活塞流，表明反应器运行过程中，底物和产物液连续流动是呈平推流即活塞梳的状态（图9.2-1）。填充床所用的面定化酶(或细脑)，可以是颗粒状或片状或膜状的，分层装填，还可用半透性中空纤维固定化酶，竖直平行装填反应器柱管（图9.2-1）。PFR液体流动的方式，有下向流、上向流或是循环流之分，工业上通常多用上向流，可以避免下向流动的液压对柱床的影响，对反应产生气体的，尤应注意。

PFR的优点是：结构简单，容易操作，效率高、易于实现白动化，对于存在产物抑制的反