第三章

酶反應器

酶反應器：用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備稱為酶反應器。

酶反應器基本上是游離酶、固定化酶或固定化細胞催化反應的容器（附加混合、取樣和檢測設備）。本章主要講解酶反應器的特點與類型，酶反應器的設計與選型，酶反應器的操作。第一節(jié)酶反應器的特點和類型一、酶反應器的特點①酶反應器不同于化學反應器，它是在低溫、低壓下發(fā)揮作用，反應時的耗能和產能也比較少。②酶反應器也不同于發(fā)酵反應器，因為它不表現(xiàn)自催化方式，即細胞的連續(xù)再生。③酶反應器和其他反應器一樣，都是根據(jù)它的產率和專一性來進行評論的。二、酶反應器的類型

酶反應器的類型很多，其分類方法也不同。①根據(jù)結構來分：可分為攪拌罐式反應器（STR）、鼓泡式反應器（BCR）、填充床式反應器（PCR）、流化床式反應器（FBR）和膜反應器（MR）等。②按進料和出料的方式可分為：批式、半批式(即流加分批式）與連續(xù)式反應器。③按其功能結構可分為：膜反應器、液固反應器及氣液固三相反應器3大類。（一）、反應器的類型1、攪拌式反應器

在酶催化反應中最常用的反應器，由反應罐、攪拌器和保溫裝置組成。可用于游離酶的催化反應，也可用于固定化酶的催化反應。攪拌式反應器的操作方式可以根據(jù)需要采用分批式（batch）、流加分批式（feedingbatch）和連續(xù)式（continuous）3種。與之對應的有分批攪拌罐式反應器和連續(xù)攪拌罐式反應器。1）分批攪拌罐式反應器

定義：

將酶（固定化酶）和底物溶液一次性加到反應器中，在一定條件下反應一段時間，然后將反應液全部取出。優(yōu)點：設備簡單，操作容易，酶與底物混合較均勻，傳質阻力小，反應比較安全，反應條件容易控制。

缺點：①游離酶與底物混合在一起，酶難于回收。②固定化酶易被破壞，且利用效率低。③易出現(xiàn)底物的抑制作用。2）連續(xù)攪拌罐式反應器連續(xù)攪拌罐式反應器只適用于固定化酶的催化反應。

特點：連續(xù)攪拌反應器結構簡單、操作簡便，反應條件的調節(jié)和控制較容易，底物與固定化酶接觸較好、傳質阻力較低、反應器的利用率較高，是一種常用的固定化酶反應器。2、填充床式反應器填充床式反應器是一種用于固定化酶進行催化反應的反應器。定義：把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床（也稱填充床，床可直立或平放）內，底物按一定方向以恒定速度通過反應床。

優(yōu)點：設備簡單，操作方便，單位體積反應床的固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業(yè)生產中普遍使用。

缺點：①溫度和pH難以控制。②底物和產物會產生軸向濃度分布。③清洗和更換部分固定化酶較麻煩。④固定化酶顆粒所受的壓力較大，易引起酶顆粒的變形或破碎。3、流化床式反應器流化床反應器是一種適用于固定化酶進行連續(xù)催化反應的反應器。流化床反應器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應器。底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態(tài)下進行反應。

優(yōu)點：具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和pH值的調節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對黏度較大的反應液也可進行催化反應等特點。

缺點：①需一定的流速，運轉成本高，難于放大。②由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導致粒子的機械破損。③由于流化床的空隙體積大，酶的濃度不高。④由于底物高速流動使酶沖出，降低了轉化率。4、鼓泡式反應器

鼓泡式反應器是利用反應器底部通入的氣體產生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用的一類反應器，也是一種無攪拌裝置的反應器。

特點：①可用于游離酶的催化反應，也可用于固定化酶的催化反應。②催化反應時，反應系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床式反應器。③可用于連續(xù)反應，也可用于分批反應。④結構簡單，操作容易，剪切力小，物質與熱量的傳遞效率高，是有氣體參與的酶催化反應中常用的一種反應器。5、膜反應器

膜反應器是將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應器?？捎糜谟坞x酶的催化反應，也可以用于固定化酶的催化反應。⑴固定化酶膜反應器

①中空纖維反應器結構緊湊，集反應與分離于一體，利于連續(xù)化生產。

②經過較長時間使用，酶或其他雜質會被吸附在膜上，造成膜的透過性降低，而且清洗比較困難。

⑵游離酶反應器中進行催化反應時，底物溶液連續(xù)進入反應器，酶在反應器的溶液中與底物反應，反應后，酶與產物一起進入膜分離器進行分離，小分子的產物透過超濾膜而排除，大分子的酶分子被截留，可以再循環(huán)使用。

特點：①集反應與分離于一體，②分離膜在使用一段時間后，酶和雜質易吸附在膜上，易造成酶的損失，而且會由于濃差極化而影響分離速度和分離效果。6、噴射式反應器

噴射式反應器是利用高壓蒸氣的噴射作用，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應的一種反應器。

特點：噴射式反應器結構簡單、體積小，混合均勻，由于溫度高，催化反應速度快，催化效率高，可在短時間內完成催化反應。噴射式反應器適用于游離酶的連續(xù)催化反應。但是只適用于某些耐高溫酶的反應?！?/p>

在實際應用時，應當根據(jù)酶、底物和產物的特性，以及操作條件和操作要求的不同而進行設計和選擇。

選擇酶反應器：①從酶的應用形式、酶的反應動力學性質、底物和產物的理化性質等幾個方面進行考慮。②反應器應當盡可能具有結構簡單、操作簡便、易于維護和清洗、可以適用于多種酶的催化反應、制造成本和運行成本較低等特點。第二節(jié)酶反應器的類型選擇一、根據(jù)酶的應用形式選擇反應器1、游離酶反應器的選擇⑴游離酶催化反應最常用的反應器是攪拌罐式反應器。⑵對于有氣體參與的酶催化反應，通常采用鼓泡式反應器。⑶對于某些價格較高的酶，由于游離酶與反應產物混在一起，為了使酶能夠回收，可以采用游離酶膜反應器。⑷對于某些耐高溫的酶，可以采用噴射式反應器，進行連續(xù)式的高溫短時反應。2、固定化酶反應器的選擇

應用固定化酶進行催化反應，可以選擇攪拌罐式反應器、填充床式反應器、鼓泡式反應器、流化床式反應器、膜反應器等。①顆粒狀固定化酶的反應器攪拌罐式反應器、填充床式反應器、鼓泡式反應器、流化床式反應器。②其他平板狀、直管狀、螺旋狀的反應器一般作為膜反應器使用。二、根據(jù)酶反應動力學性質選擇反應器1、從酶與底物的混合程度：可以采用攪拌罐式反應器、流化床式反應器。2、從底物濃度的高低對酶反應速度：具有高濃度底物抑制作用的游離酶，可以采用游離酶膜反應器；對具有高濃度底物抑制作用的固定化酶，可以采用連續(xù)攪拌罐式反應器、填充床式反應器、流化床式反應器、膜反應器等。3、從產物對酶反饋抑制作用：最好選用膜反應器；對固定化酶而言，也可以采用填充床式反應器。4、從酶催化作用溫度條件：能耐受100℃以上高溫的，最好選用噴射式反應器。三、根據(jù)底物或產物的理化性質選擇反應器1、反應底物或產物的分子質量較大時，由于底物或產物難于透過超濾膜的膜孔，所以一般不采用膜反應器。2、反應底物或者產物的溶解度較低、黏度較高時，應當選擇攪拌罐式反應器或者流化床式反應器，而不采用填充式反應器和膜反應器，以免造成阻塞現(xiàn)象。3、反應底物為氣體時，通常選擇鼓泡式反應器。4、有些需要小分子物質作為輔酶（輔酶可以看作一種底物）的酶催化反應，通常不采用膜反應器，以免輔酶的流失而影響催化反應的進行。5、所選擇的反應器應當能夠適用于多種酶的催化反應，并能滿足酶催化反應所需的各種條件，并可進行適當?shù)恼{節(jié)控制。6、所選擇的反應器應當盡可能結構簡單、操作簡便、易于維護和清洗。7、所選擇的反應器應當具有較低的制造成本和運行成本。第三節(jié)酶反應器的設計

反應器的設計首先要了解酶催化反應的動力學特性及其各種參數(shù)，再根據(jù)生產的要求進行反應器設計。目的是設計出生產成本最低、產品的質量最高的酶反應器。酶反應器的設計主要包括反應器類型的選擇，反應器制造材料的選擇、熱量衡算、物料衡算等。一、確定酶反應器的類型酶反應器的設計，首先要根據(jù)酶、底物和產物的性質。按照上一節(jié)所述的選擇原則，選擇并確定反應器的類型。二、確定酶反應器的制造材料酶催化反應通常是在常溫、常壓、pH近乎中性的環(huán)境中進行反應，所以反應器的設計對制造材料沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼制造反應器即可。三、進行熱量衡算①常溫催化：通常采用一定溫度的熱水（通過夾套或列管）進行溫度的調節(jié)控制。熱量衡算是根據(jù)熱水的溫度和使用量計算。②高溫催化：采用噴射式反應器。熱量衡算時，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進行計算。四、進行物料衡算1、酶反應動力學參數(shù)的確定酶反應動力學參數(shù)是反應器設計的主要依據(jù)。在反應器設計之前，就應當根據(jù)酶反應動力學特性，確定反應所需的底物濃度、酶濃度、最適溫度、最適pH值、激活劑濃度等參數(shù)。2、計算底物用量

S＝────（kg）

S——所需的底物用量（kg，g）；

P——反應產物的產量（kg，g）；

YP/S——產物轉化率（％）；

R——產物收得率（％）；YP/S=───＝───＝────R=────────Δ[S]——反應前后底物濃度的變化；[S0]——反應前的底物濃度（g/L）；[St]——反應后的底物濃度（g/L）。PYP/S·RPSΔ[S][S0][S0]-[St][S0]分離得到的產物量反應生成的產物量3、計算反應液總體積

根據(jù)所需的底物用量和底物濃度，就可以計算得到反應液的總體積。

Vt＝──（L）Vt——反應液總體積（L）；S——底物用量（g）；[S]——反應前的底物濃度（g/L）。4、計算酶用量根據(jù)催化反應所需的酶濃度和反應液體積，就可以計算所需的酶量。

E=[E]·Vt（U）E——所需的酶量（U）；[E]——酶濃度（U/L）；Vt——反應液體積（L）。S[S]5、計算反應器數(shù)目

反應器的有效體積是指酶在反應器中進行催化反應時，單個反應器可以容納反應液的最大體積，一般反應液體積為反應器總體積的70％～80％。⑴分批反應器

N=───N——反應器數(shù)目（個）；Vd——每天獲得的反應液總體積（L/d）；V0——單個反應器的有效體積（L）；t——底物在反應器中的停留時間（h）24——24小時Vd·tV0·24⑵連續(xù)反應器

N=───（個）

N——反應器數(shù)目（個）；

Vh——每小時獲得的反應液總體積（L/h）；

V0——單個反應器的有效體積（L）；

t——底物在反應器中的停留時間（h）⑶根據(jù)反應強度計算反應器數(shù)目

N＝──（個）QP——反應器的生產強度

QP＝──＝───（g/L·h）Vh·tV0V0Vh·[P]V0QP·t[P]Ph第四節(jié)酶反應器的操作一、酶反應器的確定及其調控1、反應溫度的確定與調節(jié)控制控制在最適宜的溫度范圍內。熱交換裝置或水蒸氣控制溫度。2、pH值的確定選擇最適宜的pH值。采用稀酸或稀堿進行，必要時可以采用緩沖溶液以維持反應液的pH值。3、底物濃度的確定確定一個適宜的底物濃度。通常底物濃度應達到5～10Km。4、酶濃度的確定和調節(jié)控制

確定一個適宜的酶濃度。適時對酶進行補充或更換，以保持一定的酶濃度。5、攪拌速度的確定與調節(jié)控制確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況的變化進行攪拌速度的調節(jié)。6、流動速度的確定與調節(jié)控制確定適宜的流動速度和流動狀態(tài)。并根據(jù)情況進行適當?shù)恼{節(jié)控制。二、酶反應器操作的注意事項1、保證酶反應器的操作穩(wěn)定性盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應條件的激烈波動。①保持攪拌速度的穩(wěn)定；②保持流速的穩(wěn)定；③此外，反應溫度、反應液pH值等盡量保持穩(wěn)定，以保持反應器恒定的生產能力。2、防止酶的變性失活①溫度：酶反應器的操作溫度一般不宜過高，通常在等于或者低于最適溫度的條件下進行。②pH值：嚴格控制在酶催化反應的適宜pH值范圍內。③重金屬：要盡量避免重金屬離子的進入，必要時添加適量的EDTA等金屬鰲合離子，以除去重金屬離子對酶的危害。④剪切力：防止過高的攪拌速度，控制流體的流速。⑤此外，可以添加某些保護劑，以提高酶的穩(wěn)定性。3、防止微生物的污染

不同酶的催化反應，由于底物、產物和催化條件各不相同，在催化過程中受到微生物污染的可能性有很大差別。①一些酶催化反應的底物或產物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，其受微生物污染的情況較少。例如青霉素?；复呋嗝顾鼗蝾^孢霉素反應。②有些酶的催化反應溫度較高，微生物無法生長。例：α－淀粉酶、Taq－DNA聚合酶的反應溫度在50℃。③有些酶催化的pH值較高或較低，對微生物有抑制作用。例：胃蛋白酶在pH2的條件下催化。④有些酶在有機介質中進行催化，受微生物污染的可能性甚微。⑤有些催化反應的底物或產物是微生物生長、繁殖的營養(yǎng)物質，必須注意防止微生物污染。例如：淀粉、蛋白質、葡萄糖、氨基酸等。

在酶反應器的操作過程中，防止微生物污染的主要措施有：①保證生產環(huán)境的清潔、衛(wèi)生，要求符合必要的衛(wèi)生條件。②反應器在使用前后，都要進行清洗和適當?shù)南咎幚?。③在反應器的操作過程中，要嚴格管理、經常檢測、避免微生物污染。④必要時，在反應液中添加適當?shù)膶γ复呋磻彤a品質量沒有不良影響的物質，以抑制微生物的生長，防止微生物的污染。分批攪拌罐式反應器連續(xù)攪拌罐式反應器反應液出口底物進口填充床式反應器反應產物出口底物溶液進口固定化酶流化床式反應器反應產物出口固定化酶底物溶液進口鼓泡式反應器反應液出口排氣口空氣分布器底物溶液進口進氣口中空纖維反應器反應產物出口外殼中空纖維底物溶液進口游離酶膜反應器反應容器膜分離器超濾膜反應產物出口底物溶液進口酶循環(huán)使用噴射式反應器高壓蒸汽進口至維持罐底物溶液進口反應液常用的酶反應器類型反應器類型操作方式適用的酶特點攪拌罐式反應器分批式、流加分批式游離酶、固定化酶設備簡單、操作方便填充床式反應器連續(xù)式固定化酶催化反應器效率高流化床式反應器分批式、流加分批式固定化酶混合均勻、傳質和傳熱好鼓泡式反應器分批式、流加分批式游離酶、固定化酶適合有氣體參與膜反應器連續(xù)式游離酶、固定化酶集反應與分離于一體，酶可回收噴射式反應器連續(xù)式游離酶高溫短時催化酶反應器的發(fā)展含有輔助因子再生的酶反應器許多酶反應都需要輔助因子的協(xié)助。如輔酶、輔基、能量供給體等，而這些輔因子的價格較貴。如采用簡單的添加方法，經濟上很不合算。因此，發(fā)展了含有輔因子再生的酶反應器，使輔因子能反復使用，降低生產成本。舉例：美國麻省理工學院有關人員設計ATP再生的酶反應器。反應器由3部分組成，第一部分固定兩個酶系組成一個反應器，底物（氨基酸）在此經過這兩個酶系催化合成短桿菌肽S。第二部分也固定兩個酶系，目的是使第一部分產生的AMP再生成ATP。第三部分是提供第二部分反應所需的乙酰磷酸（由第一部分反應產生的磷酸和乙烯酮反應得到）。氨基酸短桿菌肽10ATPI乙烯酮乙酰磷酸III乙酸II10Pi10AMP二、兩項或多項反應器許多底物不溶或微溶于水，如脂肪、類脂肪或極性較低的物質，在進行酶轉化時，在水相中有濃度低、反應體積大、分離困難、能耗大等缺點。若使酶反應能在水-有機相中進行，則可大大增加反應時的底物濃度。而且在兩項或多相體系中反應，還常可減少底物、特別是產物對酶的抑制作用，使酶反應進行到底及酶的操作穩(wěn)定性延長。舉例：兩相反應器將酶或固定化酶置于水相中，而底物溶于有機相中，然后在攪拌或乳化條件下反應。有機相一般使用碳氧化合物及芳香族化合物，讓有機相對酶活的影響減少到最小。三相反應器將酶或水溶性固定化酶溶于水中，然后與一個溶有載體的有機相在劇烈攪拌下形成穩(wěn)定的乳化液，再將此乳化液傾入緩緩攪拌的溶有底物的水相中，這樣就形成可內外是水相，而中間隔了一層有機相的反應系統(tǒng)。三、多酶反應器隨著科學技術的發(fā)展，使得人們有可能將多種酶固定化后，制成多酶反應器，模擬微生物細胞的多酶系統(tǒng)，進行多種酶的順序反應，來合成各種產物。它具有較好的發(fā)展前景，不但可組成高效率、巧妙的多酶反應器，而且還可構成全新的酶化學合成路線，生產人類所需的、自然界不存在的物質?？梢灶A言，今后將利用固定化酶反應器進行順序的連續(xù)反應，完全代替微生物的發(fā)酵來生產發(fā)酵產品，用小型的柱式反應器，取