酶反应器的认知与操作-酶反应器概述

酶反应器的分类（1）酶反应器的分类酶反应器通常技化学反应工程的分类方法，从不同的角度进行分类：（1）按反应器操作方式分批式或间歇式反应器：一次投料，反应结束后将酶灭活或是分离，一次收获产物，清洗反应器，再做下一批。连续式反应器：连续流加料，连续流出产物，物料在反应器中的流动可有两种理想状态：呈全混式流动或呈平推式流动。半连续式反应器：通常是分批投料，等整个反应结束后一次收取产物。（2）按反应器几何构型和结构特征罐式反应器：主要特征是，外形为圆柱体，高度和直径之比（简称高径比，常用H／D表示）大约在l～3。管式反应器：与罐式相比，相对细长，长和直径比（L／D）大于30。塔式反应器：外形不限于圆柱形，竖立高和直径之比大于10。膜式反应器：主要特点是，反应器内部有各种不同类型的薄板或滤膜构成的膜件。（3）按反应器中的物相均相反应器：通常用溶液酶为催化剂，底物也是溶液态的反应器，反应系统只有均一的液相。非均相反应器；通常以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器，即使底物是溶液态，也有固、液两相。还有其他的分类，如微生物反应器、植物细胞反应器、动物细胞反应器是按培养对象来分类的。酶反应器的特点（1）酶反应器的特点酶反应器是酶（生物催化剂）催化反应装置，酶不仅有高效专一的特性，还有反应条件温和、容易受各种不利因素影响造成催化活性下降等特性，这是在酶反应器设计和操作时都必须重视的。具体地说，酶反应器与一般化学反应器相比，有以下特点；（1）酶反应器对材质的要求一般不高酶反应器一船都在常压或保持适当的正压下运转，不需要特别耐压的构件；在接近中性或pH大于4、小于10的条件下操作，不需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的温度（很少超过90℃）下反应、不需要特别耐高温的材料。（2）酶反应器的专一性较强无论是细胞或是离体的酶催化剂、所催化的反应系统、都因酶的专一性而使产品单一，这有利于产品回收，提高产品质量。（3）酶反应器要尽量保护生物催化剂的催化活性酶催化剂与一船化学催化剂不同、引起催化效率下降或是失活的因素很多．例如，酶的流失、搅拌或液体高流速剪切力引起的酶变性、反应过程酸碱度变化使反应环境pH变得不适、反应底物原料中可能带来的蛋白酶对酶催化剂的降解或是酶的抑制剂(如重金属高子)对酶的抑制、底物抑制、产物抑制等等，在反应器设汁时都要考虑周到，要求尽量保护酶的催化活性，维持反应器运行过程催化活性稳定。（4）酶反应器反应条件调控设施较为复杂酶反应器，尤其是以活细胞为催化剂的反应器，常伴随有细胞的增殖，因而必须有调节诸如温度、PH、离子强度、底物浓度、溶氧等等反应条件的系统，这就不像化学反应那么单一。（5）酶反应器必须考虑便于清洗和消毒灭菌酶反应器催化的反应系统很容易受微生物污染．因此反应器内部结构应尽量简单，少有死角；尽量少用法兰(flange)，多用焊接连接；取样口等用蒸气封口；保持器内一定的正压；外部设施亦应方便清洗，整个系统常要设置灭菌系统等等。酶反应器的选型（1）酶反应器的选型酶反应器多种多样．选择反应器时要考虑以下因素。（1）酶的应用形式酶的应用形式不外乎二种：溶液酶、同定化酶和同定化细胞，而固定化酶义有各种不同形态，如，颗粒状、粉状、计状、板状、螺旋卷状、微管状、微囊膜状、小空纤维膜状等。固定化细胞主要是颗粒状、块状、板状竿。固定化随和固定化细胞还有一个机械强度问题，凝胶包埋曲和微囊包理酶，机械强度较差，在搅拌罐反应器中，会被搅拌桨的的切作用而遭到破坏；凝胶包埋酶在PFR中，若床层太厚、会因其自身的质量而使凝败坏缩变形。以致破损，因而，应选用或设计有分层筛板的填充床。总的来说。搅拌型酶反应器远比其他类型曲反血器更易造成酶的切变损失；而超滤膜型反应器的操作半定期，比其他类型的酶反应器长。（（2）底物的物理性态反应器的底物存在的物态，不外乎三种；溶液态、不溶的悬浊液态或乳浊液态、胶体态；在物性上主要是考虑粘稠度不同，会影响反成器的效率。可溶性底物，显然可以选择任何类型的反应器；底物颗粒较粗的悬浊性底物，或是胶态站稠的底物，因为底物液容易使床层堵塞，则不适于选用填充床反应器，一般选用CSTR，FBR或是循环流反应器(RCR)为宜、这几种类型的反应器，或可采用较高的搅拌速度，或可采用高流速运行。以减少颗粒的集结沉淀和堵塞，使底物处于悬浮状态。但是，高的搅拌速度或是高的流速，都会造成固定化酶的破损流失和酶的切变失活，所以，这又要考虑到固定化酶的固定化方法的选择，例如，选用机械强度高的离子交换树脂吸附的固定化酶，或选用多孔玻璃共价结合的固定化酶。（3）酶促反应动力学从酶促反应速度来看，一般的说，搅拌型反应器的反应速度随搅拌速度加快而增大；流加型反应器的反应速度，随流速加大而增大。从三种典型反应器的操作方程比较可知，当[S]》Km时，三者趋同；割[S]《Km，时，为了达到相同的转化率，若选用CSTR就必须增加用酶量，或是在用酶量相同的条件下，就要加大反应器的体积，这就提示，在这种情况下，似乎选用PFR更好—些。如果反应存在产物抑制的情况下，由于在相同转化率的前提下，底物在PFR内的停留时间比在CSTR内的停留时间短，故选用PFR更显优越；但存在底物抑制情况下，由于搅拌可以降低固定化酶的扩散限制，因而．选用BSTR硬和CSTR受到的影响小于PBR。（4）操作要求酶反应器在运行过程中，常需补充底物、调节pH、补充催化剂或更新催化剂等，有时还要供氧，这些操作，对BSTR和CSTR来说，是不成问题的，其他类型的酶反应器，要满足这些操作要求，就必须由特殊的设计来解决，例如，鼓泡塔类型的酶反应器，就提供了需氧或产气反应的一种选择；近年来，PBR也有一些特殊设计，可以解决酶的更新问题。（5）反应器应用的可塑性和制造、运行成本

—般而言，BSTR和CSTR应用的可塑性较大，而且结构简单，制造成本较低，但这类反应器运行时的用酶量比其他类型反应器多，因此，当酶成本低廉时，不失为—种有益的选择；当存在底物抑制时更是如此。对于溶液酶而言，用BSTR更为方便。目前工业上常用的酶反应器主要是三类：溶液酶用BSTR，固定化两用CSTR和