固定化酶反應(yīng)器課件

三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器及應(yīng)用ImmobilizedEnzyme（Cell）Reactor

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andItsApplications三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器及應(yīng)用ImmobilizedE1三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)4.固定化酶反應(yīng)器的操作三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特21.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)反應(yīng)器的形式很多，根據(jù)進(jìn)料和出料的方式，可概括分為間歇式和連續(xù)式兩大類，連續(xù)式又有兩種基本形式：連續(xù)流動(dòng)攪拌罐式反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器；還有衍生形式：連續(xù)流動(dòng)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器、循環(huán)反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等。1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)反應(yīng)器的形式很多，根據(jù)進(jìn)料3各種反應(yīng)器的示意圖間歇式攪拌罐反應(yīng)器BSTR連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器CSTR連續(xù)流動(dòng)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器CSTR/UF填充床反應(yīng)循環(huán)反應(yīng)器流化床反應(yīng)器PBRRCRFBR平推流反應(yīng)器PFRS為底物、P為產(chǎn)物各種反應(yīng)器的示意圖間歇式攪拌罐反應(yīng)器BSTR連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反4(a)間歇式攪拌罐反應(yīng)器(batchstirredtankreactor，BSTR)(b)

連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器(continuousflowstirredtankreactor，CSTR)(c)連續(xù)流動(dòng)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器(combinedCSTR/UFreactor，CSTR/UF)(d)填充床反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器(packedbedreactor，PBR或plug-flowreactor，PFR)(e)循環(huán)反應(yīng)器(recyclereactor，RCR)(f)流化床反應(yīng)器(fluidizedbedreactor，F(xiàn)BR)(a)間歇式攪拌罐反應(yīng)器(batchstirredta5間歇式攪拌罐反應(yīng)器(BSTR)間歇式攪拌罐反應(yīng)器也稱為分批攪拌反應(yīng)器這類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要設(shè)有夾套或盤(pán)管裝置，以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。這類反應(yīng)器主要用于游離酶(enzymereactor)反應(yīng)。間歇式攪拌罐反應(yīng)器(BSTR)間歇式攪拌罐反應(yīng)器也稱為分批攪6將酶與底物一起加入反應(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)條件，待達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)化率后，隨即放料。在這種情況下，一般不回收游離酶。當(dāng)前在食品和飲料工業(yè)中常用這種反應(yīng)器。將酶與底物一起加入反應(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)條件，待達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)化率后7如果把固定化酶用于間歇反應(yīng)器，則每批反應(yīng)都要從流出液中分離出產(chǎn)物和固定化酶，可以采用過(guò)濾或離心法將固液分開(kāi)。由于酶經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán)回收，會(huì)失去活性，所以在工業(yè)生產(chǎn)中的固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應(yīng)器。如果把固定化酶用于間歇反應(yīng)器，則每批反應(yīng)都要從流出液中分離出8連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器(CSTR)

連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上與間歇式反應(yīng)器基本相同，只不過(guò)是連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料。由于它具有攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。

連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器(CSTR)連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)9其缺點(diǎn)是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞。近來(lái)有一種改良的連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）。其缺點(diǎn)是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞10改良的CSTR是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，這樣既能保證反應(yīng)液攪拌均勻，又不致?lián)p壞固定化酶。改良的CSTR是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在11填充床反應(yīng)器(PBR)

PBR（Packedbedreactor）這種反應(yīng)器的使用最普遍，到目前為止，已發(fā)表的固定化酶反應(yīng)器的研究工作主要集中在填充床反應(yīng)器。固定化酶通常可以各種形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內(nèi)。填充床反應(yīng)器(PBR)PBR（Packedbedrea12它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹(shù)脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。近年來(lái)，球形微囊體也用于填充床。它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹(shù)脂、聚丙烯酰胺凝膠13在填充床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)型態(tài)接近于平推流(又稱活塞流)流型，所以填充床反應(yīng)器可近似認(rèn)為是一種平推（活塞）流反應(yīng)器(Plug-flowreactor，PFR)。這種反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，底物按照一定的方向以恒定流速通過(guò)反應(yīng)床。在填充床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)型態(tài)接近于平推流(又稱活塞流)流型14根據(jù)底物的流動(dòng)方式，又有下向流動(dòng)、上向流動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)之分。工業(yè)生產(chǎn)中，液流方向常用上向方式，這樣可以避免下向流動(dòng)的液壓對(duì)柱床的影響，尤其對(duì)生產(chǎn)氣體的反應(yīng)更為重要。根據(jù)底物的流動(dòng)方式，又有下向流動(dòng)、上向流動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)之分。工15PBR或PFRpackedbedreactor，PBRplug-flowreactor，PFRPBR或PFRpackedbedreactor，PBR16在填充床式反應(yīng)器使用過(guò)程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底層固定化酶顆粒所受到的壓力，可以在反應(yīng)器中間用托板分隔。在填充床式反應(yīng)器使用過(guò)程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較17填充床式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，單位體積反應(yīng)床的固定化酶密度大。在工業(yè)生產(chǎn)中普通使用。填充床式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，單位體積反應(yīng)床的固18流化床反應(yīng)器(FBR)

在流化床反應(yīng)器（FBR）內(nèi)，底物溶液以足夠大的流速向上通過(guò)固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態(tài)，達(dá)到混合的目的。流速應(yīng)以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應(yīng)床為宜。在FBR中，由于混合程度高，故傳熱、傳質(zhì)情況良好。

流化床反應(yīng)器(FBR)在流化床反應(yīng)器（FBR）內(nèi)，底物溶液19FBRFBR可用于處理粘性強(qiáng)和含有固體顆粒的底物，也可用于需要供應(yīng)氣體或排放氣體的反應(yīng)。對(duì)于停留時(shí)間較短的反應(yīng)也可用FBR。流化床反應(yīng)器FBRFBR可用于處理粘性強(qiáng)和含有固體顆粒的底物，也可用于需20FBR在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動(dòng)速度。流動(dòng)速度過(guò)低時(shí)，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動(dòng)狀態(tài)；流動(dòng)速度過(guò)高時(shí)，則催化反應(yīng)不完全，甚至?xí)构潭ɑ傅慕Y(jié)構(gòu)受到損壞。FBR在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動(dòng)速21FBR為了保證一定的流動(dòng)速度，并使催化反應(yīng)更為完全，必要時(shí)流出的反應(yīng)液可以部分循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器。FBR為了保證一定的流動(dòng)速度，并使催化反應(yīng)更為完全，必要時(shí)流22FBR流化床式反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對(duì)粘度較大的反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)等特點(diǎn)。FBR流化床式反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和p23FBR然而，在這種反應(yīng)器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動(dòng)狀態(tài)，流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力以及固定化酶的碰撞會(huì)使固定化酶顆粒受到破壞。此外，流體動(dòng)力學(xué)變化較大，參數(shù)復(fù)雜，故放大反應(yīng)較為困難。FBR然而，在這種反應(yīng)器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動(dòng)狀態(tài)24循環(huán)反應(yīng)器(RCR)

RCR這種反應(yīng)器是讓部分反應(yīng)液流出，和新加入的底物流入液混合，再進(jìn)入反應(yīng)床進(jìn)行循環(huán)。其特點(diǎn)是可以提高液體的流速和減少底物向固定化酶表面?zhèn)鬟f的阻力，可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)反應(yīng)底物是不溶性物質(zhì)時(shí)，不可以采用循環(huán)反應(yīng)器。循環(huán)反應(yīng)器(RCR)RCR這種反應(yīng)器是讓部分反應(yīng)液流出，和25RCRRCR26連續(xù)流動(dòng)攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器

CSTR/UF是由連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器和超濾裝置組合而成的反應(yīng)器。它在連續(xù)攪拌反應(yīng)罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許產(chǎn)物和未曾反應(yīng)的底物通過(guò)，相對(duì)分子質(zhì)量大的酶被截留，可以使酶反復(fù)使用。連續(xù)流動(dòng)攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器CSTR/UF是由連續(xù)流27CSTR/UF此外這種反應(yīng)器還可以使相對(duì)分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相對(duì)分子質(zhì)量大的底物分開(kāi)，使底物徹底轉(zhuǎn)化。CSTR/UF此外這種反應(yīng)器還可以使相對(duì)分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相28其他反應(yīng)器除上述反應(yīng)器外，還有淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、氣栓式流動(dòng)反應(yīng)器、轉(zhuǎn)盤(pán)式反應(yīng)器、篩板反應(yīng)器及不同類型反應(yīng)器的結(jié)合等。其他反應(yīng)器除上述反應(yīng)器外，還有淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、氣栓291.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)4.固定化酶反應(yīng)器的操作1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)302.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)根據(jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇根據(jù)底物的物理性質(zhì)來(lái)選擇根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇根據(jù)外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的影響來(lái)選擇根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來(lái)選擇

2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)根據(jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇31根據(jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇

溶液酶由于回收困難，一般只適用于BSTR。帶有超濾器的CSTR/UF，雖然可以解決反復(fù)使用的問(wèn)題，但是常因超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還可能因?yàn)榧羟辛Υ蠖斐擅傅氖Щ?。根?jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇溶液酶由于回收困難，一般只適用于B32顆粒狀和片狀的固定化酶對(duì)CSTR和PBR類型的反應(yīng)器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于PBR。如果固定化酶容易變形、易粘結(jié)或顆粒細(xì)小時(shí)，采用FBR較為適宜。顆粒狀和片狀的固定化酶對(duì)CSTR和PBR類型的反應(yīng)器均可適用33根據(jù)底物的物理性質(zhì)來(lái)選擇溶解性或濁液性底物，對(duì)任何類型的反應(yīng)器都適用；顆粒狀和膠狀底物，往往會(huì)堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和RCR以減少底物顆粒的集結(jié)、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。根據(jù)底物的物理性質(zhì)來(lái)選擇溶解性或濁液性底物，對(duì)任何類型的反應(yīng)34對(duì)于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過(guò)高又會(huì)使固定化酶從載體上被剪切下來(lái)，所以攪拌速度不能太高。

對(duì)于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過(guò)高又會(huì)使固定化酶從載35根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇

選擇反應(yīng)器，必須考慮酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性。接近平推流特性的填充床反應(yīng)器(PFR/PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位，它適合于產(chǎn)物對(duì)酶活性具有抑制作用的反應(yīng)。根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇選擇反應(yīng)器，必須考慮酶反應(yīng)的動(dòng)36PFR（平推流反應(yīng)器）和CSTR相比，總效率PFR優(yōu)于CSTR，特別是當(dāng)產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)有抑制作用時(shí)，PFR的優(yōu)越性更顯突出。PFR（平推流反應(yīng)器）和CSTR相比，總效率PFR優(yōu)于CST37若底物表現(xiàn)出對(duì)酶的活性有抑制作用時(shí)，CSTR所受的影響要比PFR少一些。酶反應(yīng)器的催化反應(yīng)速度，一般是CSTR型隨攪拌速度加快而增加，PFR型隨流速增加而加快。PFR：平推流反應(yīng)器若底物表現(xiàn)出對(duì)酶的活性有抑制作用時(shí)，CSTR所受的影響要比P38根據(jù)外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的影響來(lái)選擇

在反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于在高速攪拌時(shí)，高速液流的沖擊，常常會(huì)使固定化酶從載體上脫落下來(lái)，或由于磨損，引起粒度的減小而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性，其中以CSTR最為嚴(yán)重。根據(jù)外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的影響來(lái)選擇在反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，39為解決這一問(wèn)題可以改進(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)如把酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)籃內(nèi)。這些措施均可使酶免遭剪切，減少了外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的不利影響。

為解決這一問(wèn)題可以改進(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)40根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來(lái)選擇

有些酶反應(yīng)需要不斷調(diào)整pH，有的需供氧，有的需補(bǔ)充反應(yīng)物或補(bǔ)充酶。所有這些操作，在CSTR中可無(wú)需中斷而連續(xù)進(jìn)行；在其他反應(yīng)器中則比較困難，需要由特殊設(shè)計(jì)來(lái)解決。根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來(lái)選擇有些酶反應(yīng)需要不斷調(diào)整pH，41BSTR和CSTR的共同特征：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用面廣(可用于粘性或不溶性底物的轉(zhuǎn)化加工)，在底物表現(xiàn)出抑制作用時(shí)可獲得較高的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率；但是在產(chǎn)物表現(xiàn)出抑制作用時(shí)底物的轉(zhuǎn)化率就會(huì)降低。BSTR可用于溶液酶的催化反應(yīng)，它的操作也比CSTR簡(jiǎn)便。BSTR和CSTR的共同特征：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用面廣(42平推流反應(yīng)器（plug-flowreactor）PFR最突出的優(yōu)越性在于它有較高的轉(zhuǎn)化效率，尤其是當(dāng)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率明顯優(yōu)于BSTR和CSTR。PFR的缺點(diǎn)是用小顆粒固定化酶時(shí)，可能產(chǎn)生壓密現(xiàn)象；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應(yīng)器不適用。平推流反應(yīng)器（plug-flowreactor）PFR最突43流化床反應(yīng)器FBR的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉(zhuǎn)化，低壓降。但是它消耗動(dòng)力大，不易直接模仿放大。流化床反應(yīng)器FBR的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵44CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使酶的穩(wěn)定性降低，也容易被超濾膜吸附，并產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。RCR的轉(zhuǎn)化率高，可以采用高速液流克服外擴(kuò)散的限制；但是它的設(shè)備成本高。CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；45若考慮反應(yīng)器的價(jià)格，CSTR最便宜，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又具有良好的操作性，適應(yīng)性強(qiáng)。此外還應(yīng)考慮固定化酶本身的費(fèi)用以及在各種反應(yīng)器中的穩(wěn)定性。若考慮反應(yīng)器的價(jià)格，CSTR最便宜，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又具有良好的46綜上所述，在反應(yīng)器的選擇上并無(wú)固定模式可循，必須根據(jù)上述各項(xiàng)條件綜合權(quán)衡，才能做出正確的決定。綜上所述，在反應(yīng)器的選擇上并無(wú)固定模式可循，必須根據(jù)上述各項(xiàng)473.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)影響酶反應(yīng)器性能的因素很多，一般可以從以下幾個(gè)方面考慮：固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)固定化酶的穩(wěn)定性酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性3.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)影響酶反應(yīng)器性能的因素很多，48固定化酶的形狀

通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均適用于CSTR。膜狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應(yīng)器。固定化酶的形狀通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可49粉狀固定化酶或者易變形、易粘結(jié)的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產(chǎn)生高壓力降，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高流速，此時(shí)，可采用流化床反應(yīng)器(FBR)。FBR---流化床反應(yīng)器粉狀固定化酶或者易變形、易粘結(jié)的固定化酶，由于它們易造成堵塞50底物的物理性質(zhì)

底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應(yīng)器的重要因素?？扇苄缘孜镞m用于各類反應(yīng)器。難溶底物或者呈膠體溶液底物，易堵塞柱床，可選用FBR。底物的物理性質(zhì)底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應(yīng)器的重要因素。51只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護(hù)顆粒狀底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態(tài)，所以顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護(hù)顆粒狀底物和固定化酶在溶液52但是，攪拌速度過(guò)高易打碎固定化酶，因此，應(yīng)適當(dāng)控制攪拌速度。當(dāng)反應(yīng)過(guò)程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時(shí)，選用CSTR更為方便。但是，攪拌速度過(guò)高易打碎固定化酶，因此，應(yīng)適當(dāng)控制攪拌速度。53固定化酶穩(wěn)定性

在反應(yīng)器操作過(guò)程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會(huì)使酶從載體上脫落下來(lái)；或者由于磨損而使粒皮變細(xì)，從而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性。其中，尤以CSTR最為嚴(yán)重。固定化酶穩(wěn)定性在反應(yīng)器操作過(guò)程中，由于攪拌或液流的剪切作用54解決這一問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)特殊的CSTR反應(yīng)器。如把酶直接粘結(jié)在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)筐內(nèi)。這些措施均可減弱對(duì)酶的剪切作用，有利于提高酶的穩(wěn)定性。解決這一問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)特殊的CSTR反應(yīng)器。55酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性

酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性亦是選擇反應(yīng)器的一個(gè)重要依據(jù)。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應(yīng)器(PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位。酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性亦是選擇反應(yīng)器的一個(gè)重要依56固定床反應(yīng)器（PBR）適用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，但在有底物抑制的反應(yīng)系統(tǒng)中，CSTR的性能優(yōu)于固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器（PBR）適用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，但在有底物57PBR的流動(dòng)特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。循環(huán)反應(yīng)器的回流溶液中含有產(chǎn)物，所以不宜用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。PBR的流動(dòng)特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉(zhuǎn)化58反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)應(yīng)盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進(jìn)行，通過(guò)測(cè)定活性、穩(wěn)定性、選擇性、達(dá)到的產(chǎn)物產(chǎn)量、底物轉(zhuǎn)化率等，來(lái)衡量其加工制造質(zhì)量。測(cè)定的主要參數(shù)有空時(shí)、空速、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)強(qiáng)度。反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)應(yīng)盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進(jìn)行，通過(guò)測(cè)定活性59空時(shí)是指底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，數(shù)值上等于反應(yīng)器體積與底物體積流速之比，又常稱為稀釋率。當(dāng)?shù)孜锘虍a(chǎn)物不穩(wěn)定或容易產(chǎn)生副產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)使用高活性酶，并盡可能縮短反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間?？諘r(shí)是指底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，數(shù)值上等于反應(yīng)器體積與底物60空速定義為空時(shí)的倒數(shù)?？諘r(shí)、空速這兩個(gè)指標(biāo)一般用于連續(xù)反應(yīng)器。空速定義為空時(shí)的倒數(shù)。61轉(zhuǎn)化率是指每克底物中有多少被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮盡可能利用最少的原料得到最多的產(chǎn)物。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應(yīng)器內(nèi)的非理想流動(dòng)，均有利于選擇性反應(yīng)。轉(zhuǎn)化率是指每克底物中有多少被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。62使用高濃度的反應(yīng)物對(duì)產(chǎn)物的分離也是有利的，特別是當(dāng)生物催化劑選擇性高而反應(yīng)不可逆時(shí)更加有利，同時(shí)也可以使需分離的溶劑量大大降低。

使用高濃度的反應(yīng)物對(duì)產(chǎn)物的分離也是有利的，特別是當(dāng)生物催化劑63酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度以每小時(shí)每升反應(yīng)器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示，主要取決于酶的特性、濃度及反應(yīng)器特性、操作方法等。酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度以每小時(shí)每升反應(yīng)器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示64使用高酶濃度及減小停留時(shí)間有利于生產(chǎn)強(qiáng)度的提高，但并不是酶濃度越高、停留時(shí)間越短越好，這樣會(huì)造成浪費(fèi)，在經(jīng)濟(jì)上不合算。使用高酶濃度及減小停留時(shí)間有利于生產(chǎn)強(qiáng)度的提高，但并不是酶濃65總體而言，酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)強(qiáng)度。由于酶對(duì)熱是相對(duì)不穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)特別注意質(zhì)與熱的傳遞，最佳的傳質(zhì)與傳熱的轉(zhuǎn)移可獲得最大的產(chǎn)率?？傮w而言，酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)強(qiáng)664.固定化酶反應(yīng)器的操作在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)的過(guò)程中，要充分發(fā)揮酶的催化功能，除了選用高質(zhì)量的酶、選擇適宜的酶應(yīng)用形式、選擇或設(shè)計(jì)適宜的酶反應(yīng)器以外，還要在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，確定適宜的操作條件并根據(jù)變化的情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。4.固定化酶反應(yīng)器的操作在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)的過(guò)程67酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)酶反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降的原因及對(duì)策

酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制68酶反應(yīng)器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應(yīng)液的混合與流動(dòng)等。酶反應(yīng)器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應(yīng)69底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶的催化作用是底物在酶的作用下轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的過(guò)程。底物濃度是決定酶催化反應(yīng)速度的主要因素。底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制酶的催化作用是底物在酶的作用下轉(zhuǎn)化70在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度與底物濃度成正比，反應(yīng)速度隨著底物濃度的增加而升高。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，反應(yīng)速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向平衡。在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度與底物濃度成正比，反應(yīng)71底物濃度過(guò)低，反應(yīng)速度慢；底物濃度過(guò)高，反應(yīng)液的粘度增加。有些酶還會(huì)受到高底物濃度的抑制作用。因此，在酶催化反應(yīng)過(guò)程中，要確定一個(gè)適宜的底物濃度范圍。底物濃度過(guò)低，反應(yīng)速度慢；底物濃度過(guò)高，反應(yīng)液的粘度增加。有72對(duì)于分批式反應(yīng)器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進(jìn)反應(yīng)器，調(diào)節(jié)pH，將溫度調(diào)節(jié)到適宜的溫度，然后加進(jìn)適量的酶液進(jìn)行反應(yīng)。對(duì)于分批式反應(yīng)器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進(jìn)反73為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法，即先將一部分底物和酶加到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度逐步降低以后，再連續(xù)或分次地將一定濃度的底物溶液添加到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法74通過(guò)分批流加的操作方式，反應(yīng)體系中底物濃度保持在較低的水平，可以避免或減少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反應(yīng)的速率。通過(guò)分批流加的操作方式，反應(yīng)體系中底物濃度保持在較低的水平，75對(duì)于連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液連續(xù)地加進(jìn)反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)器中底物濃度保持恒定，反應(yīng)液連續(xù)地排出。對(duì)于連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液76酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應(yīng)速度與酶濃度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反應(yīng)的速度。酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，在底物濃度77然而，酶濃度的提高必然會(huì)增加費(fèi)用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對(duì)于價(jià)格高的酶，必須綜合考慮反應(yīng)速度和成本，確定一個(gè)適宜的酶濃度。然而，酶濃度的提高必然會(huì)增加費(fèi)用，所以酶濃度不是越高越好，特78在酶使用過(guò)程中，特別是連續(xù)使用較長(zhǎng)的一段時(shí)間以后，必然會(huì)有一部分酶失活，所以需要進(jìn)行補(bǔ)充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，連續(xù)式固定化酶反應(yīng)器應(yīng)具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易。在酶使用過(guò)程中，特別是連續(xù)使用較長(zhǎng)的一段時(shí)間以后，必然會(huì)有一79反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶的催化反應(yīng)有一個(gè)最適溫度，溫度過(guò)低，反應(yīng)速度減慢；溫度過(guò)高，會(huì)引起酶的變性失活。因此，在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)酶的動(dòng)力學(xué)特性，確定酶催化反應(yīng)的最適溫度，并將反應(yīng)溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)。反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶80在溫度發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般酶反應(yīng)器中均安裝有夾套或列管等換熱裝置，里面通入一定溫度的水，通過(guò)熱交換作用，保持反應(yīng)器中反應(yīng)液的溫度恒定在一定的范圍內(nèi)。如果采用噴射式反應(yīng)器，則通過(guò)控制水蒸氣的壓力，以達(dá)到控制溫度的目的。在溫度發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般酶反應(yīng)器中均安裝有夾套81pH的確定與調(diào)節(jié)控制

反應(yīng)液的pH對(duì)酶催化反應(yīng)有明顯影響，由于酶催化反應(yīng)都有一個(gè)最適pH值，pH過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使反應(yīng)速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，在酶催化反應(yīng)過(guò)程中，要根據(jù)酶的動(dòng)力學(xué)特性確定酶催化反應(yīng)的最適pH，并將反應(yīng)液的pH維持在適宜的范圍內(nèi)。pH的確定與調(diào)節(jié)控制反應(yīng)液的pH對(duì)酶催化反應(yīng)有明顯影響，由82采用分批式反應(yīng)器進(jìn)行酶催化反應(yīng)時(shí)，通常在加入酶液之前，先用稀酸或稀堿將底物溶液調(diào)節(jié)到酶的最適pH，然后加酶進(jìn)行催化反應(yīng)；對(duì)于在連續(xù)式反應(yīng)器中進(jìn)行的酶催化反應(yīng)，一般將調(diào)節(jié)好pH的底物溶液(必要時(shí)采用緩沖溶液配制)連續(xù)加到反應(yīng)器中。采用分批式反應(yīng)器進(jìn)行酶催化反應(yīng)時(shí)，通常在加入酶液之前，先用稀83有些酶催化反應(yīng)前后的pH變化不大，如α-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反應(yīng)過(guò)程中，pH基本恒定，在反應(yīng)過(guò)程中不需進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)。有些酶催化反應(yīng)前后的pH變化不大，如α-淀粉酶催化淀粉水解生84而有些酶的底物或者產(chǎn)物是一種酸或堿，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖與氧氣反應(yīng)生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反應(yīng)前后pH的變化較大，在反應(yīng)過(guò)程中需進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。而有些酶的底物或者產(chǎn)物是一種酸或堿，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄85pH的調(diào)節(jié)通常采用稀酸溶液或稀堿溶液進(jìn)行，加入稀酸或稀堿溶液時(shí)，要一邊攪拌一邊緩慢添加，以防止局部過(guò)酸或過(guò)堿，必要時(shí)可以采用緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應(yīng)液的pH。pH的調(diào)節(jié)通常采用稀酸溶液或稀堿溶液進(jìn)行，加入稀酸或稀堿溶液86攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶在進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，首先要與底物結(jié)合，然后才能進(jìn)行催化反應(yīng)。要使酶能夠與底物結(jié)合，就必須保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分子能夠進(jìn)行有效碰撞，進(jìn)而互相結(jié)合進(jìn)行催化反應(yīng)。攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制酶在進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，首先要與底物結(jié)87在攪拌罐式反應(yīng)器和游離酶膜反應(yīng)器中，都設(shè)計(jì)安裝有攪拌裝置，通過(guò)適當(dāng)?shù)臄嚢鑼?shí)現(xiàn)均勻的混合。因此，首先要在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況的變化進(jìn)行攪拌速度的調(diào)節(jié)。在攪拌罐式反應(yīng)器和游離酶膜反應(yīng)器中，都設(shè)計(jì)安裝有攪拌裝置，通88攪拌速度過(guò)慢，會(huì)影響混合的均勻性；攪拌過(guò)快，產(chǎn)生的剪切力會(huì)使酶的結(jié)構(gòu)受到影響，尤其是會(huì)使固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞，而影響催化反應(yīng)的進(jìn)行。攪拌速度過(guò)慢，會(huì)影響混合的均勻性；攪拌過(guò)快，產(chǎn)生的剪切力會(huì)使89流動(dòng)速度的確定與調(diào)節(jié)控制

在連續(xù)式酶反應(yīng)器中，底物溶液連續(xù)地進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)反應(yīng)液連續(xù)地排出，通過(guò)溶液的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合和催化。為了使催化反應(yīng)高效進(jìn)行，要控制好液體的流速和流動(dòng)狀態(tài)，以保證混合均勻，并且不會(huì)影響酶的催化作用。流動(dòng)速度的確定與調(diào)節(jié)控制在連續(xù)式酶反應(yīng)器中，底物溶液連續(xù)地90對(duì)于流化床反應(yīng)器（FBE），如果流體流速過(guò)慢，固定化酶顆粒就不能很好飄浮翻動(dòng)，甚至沉積在反應(yīng)器底部，從而影響酶與底物的均勻接觸和催化反應(yīng)的順利進(jìn)行，乃至產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，影響底物溶液順利進(jìn)入反應(yīng)器。對(duì)于流化床反應(yīng)器（FBE），如果流體流速過(guò)慢，固定化酶顆粒就91如果流體流速過(guò)高或流動(dòng)狀態(tài)混亂，則固定化酶顆粒在反應(yīng)器中激烈翻動(dòng)、碰撞，會(huì)使固定化酶的結(jié)構(gòu)受到破壞，以致使酶脫落、流失，從而影響催化反應(yīng)的進(jìn)行。如果流體流速過(guò)高或流動(dòng)狀態(tài)混亂，則固定化酶顆粒在反應(yīng)器中激烈92流體在流化床反應(yīng)器中的流動(dòng)速度和流動(dòng)狀態(tài)可以通過(guò)控制進(jìn)液口的流體流速和流量，以及進(jìn)液管的方向和排布等方法，加以調(diào)節(jié)。流體在流化床反應(yīng)器中的流動(dòng)速度和流動(dòng)狀態(tài)可以通過(guò)控制進(jìn)液口的93填充床式反應(yīng)器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過(guò)固定化酶層，其流動(dòng)速度決定酶與底物的接觸時(shí)間和反應(yīng)的進(jìn)行程度。填充床式反應(yīng)器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過(guò)固定94在反應(yīng)器的直徑和高度確定的情況下(高徑比)，流速越慢，酶與底物接觸時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)越完全，但是生產(chǎn)效率越低，因此需要選擇好適宜流速；在反應(yīng)器的直徑和高度確定的情況下(高徑比)，流速越慢，酶與底95流速過(guò)慢，則催化反應(yīng)速度降低，而降低生產(chǎn)效率，流速過(guò)快，則反應(yīng)不完全，有一部分底物未轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物就被排出，影響轉(zhuǎn)化效率。流速過(guò)慢，則催化反應(yīng)速度降低，而降低生產(chǎn)效率，流速過(guò)快，則反96在理想的操作情況下，填充床式反應(yīng)器任何一個(gè)橫截面上的流體流動(dòng)速度是相同的，在同一個(gè)橫截面上底物濃度和產(chǎn)物濃度也是一致的。這種反應(yīng)器又稱為活塞流反應(yīng)器(plugflowreactor，PFR)。在理想的操作情況下，填充床式反應(yīng)器任何一個(gè)橫截面上的流體流動(dòng)97酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，除了控制各種反應(yīng)條件，還須注意下列問(wèn)題：(1)保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性(2)保持反應(yīng)器中流體的流動(dòng)方式和狀態(tài)(3)防止酶的變性失活(4)防止微生物的污染

酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，除了控98保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應(yīng)條件的激烈波動(dòng)。保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)盡量保持99在酶的催化反應(yīng)過(guò)程中，酶是反應(yīng)的主體，必須保證所使用的酶的質(zhì)量穩(wěn)定，此外在游離酶反應(yīng)中，要盡量保持酶的濃度穩(wěn)定在一定的范圍，在固定化酶反應(yīng)中，每隔一段時(shí)間要檢測(cè)酶的活力，并根據(jù)變化情況及時(shí)進(jìn)行更換或補(bǔ)充。在酶的催化反應(yīng)過(guò)程中，酶是反應(yīng)的主體，必須保證所使用的酶的質(zhì)100在攪拌罐式反應(yīng)器中，應(yīng)盡量保持?jǐn)嚢杷俣鹊姆€(wěn)定，不要斷斷續(xù)續(xù)、時(shí)快時(shí)慢，否則剪切力的反復(fù)變化，會(huì)加快酶特別是固定化酶結(jié)構(gòu)的破壞。在攪拌罐式反應(yīng)器中，應(yīng)盡量保持?jǐn)嚢杷俣鹊姆€(wěn)定，不要斷斷續(xù)續(xù)、101在連續(xù)式反應(yīng)器的操作中，應(yīng)盡量保持流速的穩(wěn)定，并保持流進(jìn)的底物濃度和流出的產(chǎn)物濃度不要變化太大，以保證反應(yīng)液中底物濃度的穩(wěn)定。在連續(xù)式反應(yīng)器的操作中，應(yīng)盡量保持流速的穩(wěn)定，并保持流進(jìn)的底102在填充床反應(yīng)器中要防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象，在膜反應(yīng)器中要防止由于濃差極化而產(chǎn)生的膜孔阻塞現(xiàn)象。此外，在反應(yīng)過(guò)程中，要盡量保持反應(yīng)溫度、反應(yīng)液pH等的穩(wěn)定，不要波動(dòng)太大，以保持反應(yīng)器恒定的生產(chǎn)能力。

在填充床反應(yīng)器中要防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)103保持反應(yīng)器中流體的流動(dòng)方式和狀態(tài)

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)盡量保持液體和氣體的流動(dòng)方式和狀態(tài)，因?yàn)榱鲃?dòng)方式和狀態(tài)的改變，會(huì)影響底物、產(chǎn)物與酶的接觸狀態(tài)，從而影響催化反應(yīng)的速度。保持反應(yīng)器中流體的流動(dòng)方式和狀態(tài)在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)104防止酶的變性失活

在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)特別注意防止酶的變性失活。引起酶變性失活的因素主要有：溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。防止酶的變性失活在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)特別注意防止酶105溫度酶反應(yīng)器操作時(shí)的溫度是影響酶催化作用的重要因素，較高的溫度可以提高酶催化反應(yīng)速度，從而增加產(chǎn)物的產(chǎn)率。溫度酶反應(yīng)器操作時(shí)的溫度是影響酶催化作用的重要因素，較高的溫106然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐高溫的酶以外，通常酶催化反應(yīng)在60℃以下進(jìn)行，溫度過(guò)高會(huì)加速酶的變性失活，縮短酶的半衰期和使用時(shí)間。然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐高溫的酶以外，通常酶催化107因此，酶反應(yīng)器的操作溫度一般不宜過(guò)高，通常在等于或者低于酶催化最適溫度的條件下進(jìn)行。因此，酶反應(yīng)器的操作溫度一般不宜過(guò)高，通常在等于或者低于酶催108pH在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，反應(yīng)液的pH應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在酶催化反應(yīng)的適宜pH范圍內(nèi)，除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH4～9的條件下進(jìn)行催化反應(yīng)，pH過(guò)高或過(guò)低都對(duì)催化不利，甚至引起酶的變性失活。pH在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，反應(yīng)液的pH應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在酶催化109在操作過(guò)程中進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)時(shí)，一定要一邊攪拌一邊慢慢加入稀酸或稀堿溶液，以防止局部過(guò)酸或過(guò)堿而引起酶的變性失活。在操作過(guò)程中進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)時(shí)，一定要一邊攪拌一邊慢慢加入稀酸110重金屬離子重金屬離子例如鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+)等會(huì)與酶分子結(jié)合而引起酶的不可逆變性。因此，在酶反應(yīng)器的操作過(guò)程中，要盡量避免重金屬離子的存在。重金屬離子重金屬離子例如鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+111為了避免從原料或者反應(yīng)器系統(tǒng)帶進(jìn)某些重金屬離子給酶分子造成不利影響，必要時(shí)可以添加適量的EDTA等金屬螯合劑，以除去重金屬離子對(duì)酶的危害。為了避免從原料或者反應(yīng)器系統(tǒng)帶進(jìn)某些重金屬離子給酶分子造成不112剪切力在酶反應(yīng)器的操作過(guò)程中，剪切力是引起酶變性失活的一個(gè)重要因素。所以在攪拌式反應(yīng)器的操作過(guò)程中，要防止過(guò)高的攪拌速度對(duì)酶特別是固定化酶結(jié)構(gòu)的破壞；剪切力在酶反應(yīng)器的操作過(guò)程中，剪切力是引起酶變性失活的一個(gè)重113在流化床式反應(yīng)器和鼓泡式反應(yīng)器的操作過(guò)程中，要控制流體的流速，防止固定化酶顆粒的過(guò)度翻動(dòng)和碰撞而引起固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞。在流化床式反應(yīng)器和鼓泡式反應(yīng)器的操作過(guò)程中，要控制流體的流速114保護(hù)劑為了防止酶的變性失活，在操作過(guò)程中，可以添加某些保護(hù)劑，以提高酶的穩(wěn)定性，例如在淀粉酶的催化過(guò)程中添加鈣離子等。保護(hù)劑為了防止酶的變性失活，在操作過(guò)程中，可以添加某些保護(hù)劑115酶作用底物的存在往往對(duì)酶有保護(hù)作用，所以在操作時(shí)一般先將底物溶液加進(jìn)反應(yīng)器中，然后再將酶加到底物溶液中進(jìn)行催化反應(yīng)。酶作用底物的存在往往對(duì)酶有保護(hù)作用，所以在操作時(shí)一般先將底物116防止微生物的污染

在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)過(guò)程中，由于酶的作用底物或反應(yīng)產(chǎn)物往往只有一、二種，一般情況下不具備微生物生長(zhǎng)、繁殖的基本條件；防止微生物的污染在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)過(guò)程中，由于酶的117在酶反應(yīng)器進(jìn)行操作時(shí)，與微生物發(fā)酵和動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)所使用的反應(yīng)器有所不同，一般不必在嚴(yán)格的無(wú)菌條件下進(jìn)行操作，然而這并不意味著酶反應(yīng)器的操作過(guò)程不必防止微生物污染。

在酶反應(yīng)器進(jìn)行操作時(shí)，與微生物發(fā)酵和動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)所使用的118不同酶的催化反應(yīng)，由于底物、產(chǎn)物和催化條件各不相同，在催化過(guò)程中受到微生物污染的可能性存在很大差別。不同酶的催化反應(yīng)，由于底物、產(chǎn)物和催化條件各不相同，在催化過(guò)119一些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖有抑制作用，例如，乙醇氧化酶催化乙醇氧化反應(yīng)，青霉素?；复呋嗝顾鼗蝾^孢菌素反應(yīng)等，其受微生物污染的情況較少。一些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖有抑制作用，例120有些酶的催化反應(yīng)溫度較高，例如，α-淀粉酶，TaqDNA聚合酶等的反應(yīng)溫度在50℃以上，一般微生物無(wú)法生長(zhǎng)。有些酶的催化反應(yīng)溫度較高，例如，α-淀粉酶，TaqDNA聚121有些酶催化反應(yīng)的pH較高或較低，例如，胃蛋白酶在pH2.0的條件下進(jìn)行催化，堿性蛋白酶在pH9.0以上催化蛋白質(zhì)水解反應(yīng)等，對(duì)微生物有抑制作用。有些酶催化反應(yīng)的pH較高或較低，例如，胃蛋白酶在pH2.0122有些酶可以在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)，例如脂肪酶在有機(jī)介質(zhì)中催化轉(zhuǎn)酯反應(yīng)等，在有機(jī)介質(zhì)中，微生物難以生長(zhǎng)繁殖，微生物污染的可能性甚微。有些酶可以在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)，例如脂肪酶在有機(jī)介質(zhì)中催123而有些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物是微生物生長(zhǎng)、繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如淀粉酶類催化淀粉水解生成糊精、麥芽糖、葡萄糖等，蛋白酶類催化蛋白質(zhì)水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等，在反應(yīng)過(guò)程中或者在反應(yīng)結(jié)束后，在適合微生物生長(zhǎng)繁殖的情況下，必須注意防止微生物的污染。而有些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物是微生物生長(zhǎng)、繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例124酶反應(yīng)器的操作必須符合必要的衛(wèi)生條件，尤其是在生產(chǎn)藥用或食用產(chǎn)品時(shí)，衛(wèi)生條件要求較高，應(yīng)盡量避免微生物的污染。因?yàn)槲⑸锏奈廴静粌H影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且微生物的孳生，還會(huì)消耗一部分底物或產(chǎn)物，產(chǎn)生無(wú)用甚至有害的副產(chǎn)物，還會(huì)增加產(chǎn)物分離純化的困難。酶反應(yīng)器的操作必須符合必要的衛(wèi)生條件，尤其是在生產(chǎn)藥用或食用125在酶反應(yīng)器的操作進(jìn)程中，防止微生物污染的主要措施有：①保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔、衛(wèi)生，要求符合必要的衛(wèi)生條件；②反應(yīng)器在使用前后，都要進(jìn)行清洗和適當(dāng)?shù)南咎幚?；在酶反?yīng)器的操作進(jìn)程中，防止微生物污染的主要措施有：126③在反應(yīng)器的操作過(guò)程中，要嚴(yán)格管理，經(jīng)常檢測(cè)，避免微生物污染；④必要時(shí)，在反應(yīng)液中適當(dāng)添加對(duì)酶催化反應(yīng)和產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有不良影響而又可以殺火或抑制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)，以防止微生物的污染；③在反應(yīng)器的操作過(guò)程中，要嚴(yán)格管理，經(jīng)常檢測(cè)，避免微生物污染127⑤在不影響酶催化活性的前提下，選擇在較高的溫度(如45℃以上)，較高或較低的pH條件下進(jìn)行操作，以防止微生物污染。⑤在不影響酶催化活性的前提下，選擇在較高的溫度(如45℃以上128酶反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降的原因及對(duì)策

在酶反應(yīng)器操作過(guò)程中，其生產(chǎn)能力是逐漸下降的。其原因是多方面的，但是，主要原因是固定化酶活性的下降或損失。造成固定化酶活性的損失可能有下列原因：①酶本身的失活；②酶從載體上脫落；③載體的破碎或溶解。

酶反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降的原因及對(duì)策在酶反應(yīng)器操作過(guò)程中，其生129在反應(yīng)器中，酶活力可因變性而失活。酶變性一般是由于受到熱、快速攪拌所產(chǎn)生的高剪切力和泡沫表面張力所引起的。在反應(yīng)器中，酶活力可因變性而失活。酶變性一般是由于受到熱、快130為了防止變性，操作溫度不宜過(guò)高，攪拌速度不宜過(guò)快。酶活力還可能由于中毒而喪失。這是由于底物溶液中的重金屬離子等毒物所引起的。為了防止中毒，要求所用試劑和水不含毒物。為了防止變性，操作溫度不宜過(guò)高，攪拌速度不宜過(guò)快。酶活力還可131反應(yīng)器容易被微生物污染，而微生物所產(chǎn)生的蛋白酶能使酶活力喪失。為了防止微生物污染，可以提高操作溫度(>45℃)，并使反應(yīng)液的pH盡量偏離中性。也可以將底物溶液進(jìn)行過(guò)濾除菌，或者用甲苯或甲醛進(jìn)行處理。反應(yīng)器容易被微生物污染，而微生物所產(chǎn)生的蛋白酶能使酶活力喪失132顆粒狀固定化酶，特別是微膠囊包埋的固定化酶，如果將它放在攪拌式反應(yīng)罐中，由于攪拌所產(chǎn)生的剪切力的作用，可以使它破碎。顆粒狀固定化酶，特別是微膠囊包埋的固定化酶，如果將它放在攪拌133如果將它裝進(jìn)固定床反應(yīng)器，由于高流速的底物溶液所產(chǎn)生的摩擦力的作用，可以使固定化酶的載體變成小顆粒。這些小顆粒難以停留在反應(yīng)器中繼續(xù)使用。

如果將它裝進(jìn)固定床反應(yīng)器，由于高流速的底物溶液所產(chǎn)生的摩擦力134用吸附法制備的固定化酶在反應(yīng)器中與反應(yīng)液長(zhǎng)時(shí)間接觸時(shí)，常發(fā)生解吸，即酶從載體上脫落下來(lái)。如果固定化酶的載體是親水性聚合物，在酶促反應(yīng)過(guò)程中，載體逐漸被溶解。載體的化學(xué)結(jié)構(gòu)力求均一，可以避免溶解。用吸附法制備的固定化酶在反應(yīng)器中與反應(yīng)液長(zhǎng)時(shí)間接觸時(shí)，常發(fā)生135在反應(yīng)器中，酶的表觀活力可因反應(yīng)器中液體流動(dòng)狀態(tài)不規(guī)則，或者在反應(yīng)器中分布情況變壞而下降。例如：當(dāng)反應(yīng)器中有超濾膜截留大分子物質(zhì)時(shí)，酶或固定化酶可能在出口處積累；如果底物溶液中有油脂、多糖等物質(zhì)將固定化酶包裹時(shí)，酶活力會(huì)因此而下降。在反應(yīng)器中，酶的表觀活力可因反應(yīng)器中液體流動(dòng)狀態(tài)不規(guī)則，或者136四、酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用1.固定化細(xì)胞法生產(chǎn)6-氨基青霉烷酸2.固定化酶法生產(chǎn)5’-復(fù)合單核苷酸3.固定化酶法生產(chǎn)L-氨基酸四、酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用1.固定化細(xì)胞法生產(chǎn)6-氨基青137謝謝！謝謝！138三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器及應(yīng)用ImmobilizedEnzyme（Cell）Reactor

techniques

andItsApplications三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器及應(yīng)用ImmobilizedE139三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)4.固定化酶反應(yīng)器的操作三、固定化酶（細(xì)胞）的反應(yīng)器1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特1401.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)反應(yīng)器的形式很多，根據(jù)進(jìn)料和出料的方式，可概括分為間歇式和連續(xù)式兩大類，連續(xù)式又有兩種基本形式：連續(xù)流動(dòng)攪拌罐式反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器；還有衍生形式：連續(xù)流動(dòng)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器、循環(huán)反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等。1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)反應(yīng)器的形式很多，根據(jù)進(jìn)料141各種反應(yīng)器的示意圖間歇式攪拌罐反應(yīng)器BSTR連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器CSTR連續(xù)流動(dòng)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器CSTR/UF填充床反應(yīng)循環(huán)反應(yīng)器流化床反應(yīng)器PBRRCRFBR平推流反應(yīng)器PFRS為底物、P為產(chǎn)物各種反應(yīng)器的示意圖間歇式攪拌罐反應(yīng)器BSTR連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反142(a)間歇式攪拌罐反應(yīng)器(batchstirredtankreactor，BSTR)(b)

連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器(continuousflowstirredtankreactor，CSTR)(c)連續(xù)流動(dòng)攪拌罐—超濾膜反應(yīng)器(combinedCSTR/UFreactor，CSTR/UF)(d)填充床反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器(packedbedreactor，PBR或plug-flowreactor，PFR)(e)循環(huán)反應(yīng)器(recyclereactor，RCR)(f)流化床反應(yīng)器(fluidizedbedreactor，F(xiàn)BR)(a)間歇式攪拌罐反應(yīng)器(batchstirredta143間歇式攪拌罐反應(yīng)器(BSTR)間歇式攪拌罐反應(yīng)器也稱為分批攪拌反應(yīng)器這類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要設(shè)有夾套或盤(pán)管裝置，以便加熱或冷卻罐內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。這類反應(yīng)器主要用于游離酶(enzymereactor)反應(yīng)。間歇式攪拌罐反應(yīng)器(BSTR)間歇式攪拌罐反應(yīng)器也稱為分批攪144將酶與底物一起加入反應(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)條件，待達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)化率后，隨即放料。在這種情況下，一般不回收游離酶。當(dāng)前在食品和飲料工業(yè)中常用這種反應(yīng)器。將酶與底物一起加入反應(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)條件，待達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)化率后145如果把固定化酶用于間歇反應(yīng)器，則每批反應(yīng)都要從流出液中分離出產(chǎn)物和固定化酶，可以采用過(guò)濾或離心法將固液分開(kāi)。由于酶經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán)回收，會(huì)失去活性，所以在工業(yè)生產(chǎn)中的固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應(yīng)器。如果把固定化酶用于間歇反應(yīng)器，則每批反應(yīng)都要從流出液中分離出146連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器(CSTR)

連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上與間歇式反應(yīng)器基本相同，只不過(guò)是連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料。由于它具有攪拌系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。

連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器(CSTR)連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)147其缺點(diǎn)是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞。近來(lái)有一種改良的連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）。其缺點(diǎn)是，由于攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞148改良的CSTR是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，這樣既能保證反應(yīng)液攪拌均勻，又不致?lián)p壞固定化酶。改良的CSTR是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在149填充床反應(yīng)器(PBR)

PBR（Packedbedreactor）這種反應(yīng)器的使用最普遍，到目前為止，已發(fā)表的固定化酶反應(yīng)器的研究工作主要集中在填充床反應(yīng)器。固定化酶通?？梢愿鞣N形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內(nèi)。填充床反應(yīng)器(PBR)PBR（Packedbedrea150它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹(shù)脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。近年來(lái)，球形微囊體也用于填充床。它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹(shù)脂、聚丙烯酰胺凝膠151在填充床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)型態(tài)接近于平推流(又稱活塞流)流型，所以填充床反應(yīng)器可近似認(rèn)為是一種平推（活塞）流反應(yīng)器(Plug-flowreactor，PFR)。這種反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，底物按照一定的方向以恒定流速通過(guò)反應(yīng)床。在填充床反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)型態(tài)接近于平推流(又稱活塞流)流型152根據(jù)底物的流動(dòng)方式，又有下向流動(dòng)、上向流動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)之分。工業(yè)生產(chǎn)中，液流方向常用上向方式，這樣可以避免下向流動(dòng)的液壓對(duì)柱床的影響，尤其對(duì)生產(chǎn)氣體的反應(yīng)更為重要。根據(jù)底物的流動(dòng)方式，又有下向流動(dòng)、上向流動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)之分。工153PBR或PFRpackedbedreactor，PBRplug-flowreactor，PFRPBR或PFRpackedbedreactor，PBR154在填充床式反應(yīng)器使用過(guò)程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底層固定化酶顆粒所受到的壓力，可以在反應(yīng)器中間用托板分隔。在填充床式反應(yīng)器使用過(guò)程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較155填充床式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，單位體積反應(yīng)床的固定化酶密度大。在工業(yè)生產(chǎn)中普通使用。填充床式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，單位體積反應(yīng)床的固156流化床反應(yīng)器(FBR)

在流化床反應(yīng)器（FBR）內(nèi)，底物溶液以足夠大的流速向上通過(guò)固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態(tài)，達(dá)到混合的目的。流速應(yīng)以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應(yīng)床為宜。在FBR中，由于混合程度高，故傳熱、傳質(zhì)情況良好。

流化床反應(yīng)器(FBR)在流化床反應(yīng)器（FBR）內(nèi)，底物溶液157FBRFBR可用于處理粘性強(qiáng)和含有固體顆粒的底物，也可用于需要供應(yīng)氣體或排放氣體的反應(yīng)。對(duì)于停留時(shí)間較短的反應(yīng)也可用FBR。流化床反應(yīng)器FBRFBR可用于處理粘性強(qiáng)和含有固體顆粒的底物，也可用于需158FBR在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動(dòng)速度。流動(dòng)速度過(guò)低時(shí)，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動(dòng)狀態(tài)；流動(dòng)速度過(guò)高時(shí)，則催化反應(yīng)不完全，甚至?xí)构潭ɑ傅慕Y(jié)構(gòu)受到損壞。FBR在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動(dòng)速159FBR為了保證一定的流動(dòng)速度，并使催化反應(yīng)更為完全，必要時(shí)流出的反應(yīng)液可以部分循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器。FBR為了保證一定的流動(dòng)速度，并使催化反應(yīng)更為完全，必要時(shí)流160FBR流化床式反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對(duì)粘度較大的反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)等特點(diǎn)。FBR流化床式反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和p161FBR然而，在這種反應(yīng)器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動(dòng)狀態(tài)，流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力以及固定化酶的碰撞會(huì)使固定化酶顆粒受到破壞。此外，流體動(dòng)力學(xué)變化較大，參數(shù)復(fù)雜，故放大反應(yīng)較為困難。FBR然而，在這種反應(yīng)器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動(dòng)狀態(tài)162循環(huán)反應(yīng)器(RCR)

RCR這種反應(yīng)器是讓部分反應(yīng)液流出，和新加入的底物流入液混合，再進(jìn)入反應(yīng)床進(jìn)行循環(huán)。其特點(diǎn)是可以提高液體的流速和減少底物向固定化酶表面?zhèn)鬟f的阻力，可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)反應(yīng)底物是不溶性物質(zhì)時(shí)，不可以采用循環(huán)反應(yīng)器。循環(huán)反應(yīng)器(RCR)RCR這種反應(yīng)器是讓部分反應(yīng)液流出，和163RCRRCR164連續(xù)流動(dòng)攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器

CSTR/UF是由連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器和超濾裝置組合而成的反應(yīng)器。它在連續(xù)攪拌反應(yīng)罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許產(chǎn)物和未曾反應(yīng)的底物通過(guò)，相對(duì)分子質(zhì)量大的酶被截留，可以使酶反復(fù)使用。連續(xù)流動(dòng)攪拌罐一超濾膜反應(yīng)器CSTR/UF是由連續(xù)流165CSTR/UF此外這種反應(yīng)器還可以使相對(duì)分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相對(duì)分子質(zhì)量大的底物分開(kāi)，使底物徹底轉(zhuǎn)化。CSTR/UF此外這種反應(yīng)器還可以使相對(duì)分子質(zhì)量小的產(chǎn)物和相166其他反應(yīng)器除上述反應(yīng)器外，還有淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、氣栓式流動(dòng)反應(yīng)器、轉(zhuǎn)盤(pán)式反應(yīng)器、篩板反應(yīng)器及不同類型反應(yīng)器的結(jié)合等。其他反應(yīng)器除上述反應(yīng)器外，還有淤漿反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、氣栓1671.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)4.固定化酶反應(yīng)器的操作1.固定化酶反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)1682.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)根據(jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇根據(jù)底物的物理性質(zhì)來(lái)選擇根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇根據(jù)外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的影響來(lái)選擇根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來(lái)選擇

2.固定化酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)根據(jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇169根據(jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇

溶液酶由于回收困難，一般只適用于BSTR。帶有超濾器的CSTR/UF，雖然可以解決反復(fù)使用的問(wèn)題，但是常因超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還可能因?yàn)榧羟辛Υ蠖斐擅傅氖Щ?。根?jù)固定化酶的形狀來(lái)選擇溶液酶由于回收困難，一般只適用于B170顆粒狀和片狀的固定化酶對(duì)CSTR和PBR類型的反應(yīng)器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于PBR。如果固定化酶容易變形、易粘結(jié)或顆粒細(xì)小時(shí)，采用FBR較為適宜。顆粒狀和片狀的固定化酶對(duì)CSTR和PBR類型的反應(yīng)器均可適用171根據(jù)底物的物理性質(zhì)來(lái)選擇溶解性或濁液性底物，對(duì)任何類型的反應(yīng)器都適用；顆粒狀和膠狀底物，往往會(huì)堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和RCR以減少底物顆粒的集結(jié)、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。根據(jù)底物的物理性質(zhì)來(lái)選擇溶解性或濁液性底物，對(duì)任何類型的反應(yīng)172對(duì)于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過(guò)高又會(huì)使固定化酶從載體上被剪切下來(lái)，所以攪拌速度不能太高。

對(duì)于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過(guò)高又會(huì)使固定化酶從載173根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇

選擇反應(yīng)器，必須考慮酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性。接近平推流特性的填充床反應(yīng)器(PFR/PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位，它適合于產(chǎn)物對(duì)酶活性具有抑制作用的反應(yīng)。根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇選擇反應(yīng)器，必須考慮酶反應(yīng)的動(dòng)174PFR（平推流反應(yīng)器）和CSTR相比，總效率PFR優(yōu)于CSTR，特別是當(dāng)產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)有抑制作用時(shí)，PFR的優(yōu)越性更顯突出。PFR（平推流反應(yīng)器）和CSTR相比，總效率PFR優(yōu)于CST175若底物表現(xiàn)出對(duì)酶的活性有抑制作用時(shí)，CSTR所受的影響要比PFR少一些。酶反應(yīng)器的催化反應(yīng)速度，一般是CSTR型隨攪拌速度加快而增加，PFR型隨流速增加而加快。PFR：平推流反應(yīng)器若底物表現(xiàn)出對(duì)酶的活性有抑制作用時(shí)，CSTR所受的影響要比P176根據(jù)外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的影響來(lái)選擇

在反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于在高速攪拌時(shí)，高速液流的沖擊，常常會(huì)使固定化酶從載體上脫落下來(lái)，或由于磨損，引起粒度的減小而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性，其中以CSTR最為嚴(yán)重。根據(jù)外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的影響來(lái)選擇在反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，177為解決這一問(wèn)題可以改進(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)如把酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)籃內(nèi)。這些措施均可使酶免遭剪切，減少了外界環(huán)境對(duì)酶的穩(wěn)定性的不利影響。

為解決這一問(wèn)題可以改進(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)178根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來(lái)選擇

有些酶反應(yīng)需要不斷調(diào)整pH，有的需供氧，有的需補(bǔ)充反應(yīng)物或補(bǔ)充酶。所有這些操作，在CSTR中可無(wú)需中斷而連續(xù)進(jìn)行；在其他反應(yīng)器中則比較困難，需要由特殊設(shè)計(jì)來(lái)解決。根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來(lái)選擇有些酶反應(yīng)需要不斷調(diào)整pH，179BSTR和CSTR的共同特征：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用面廣(可用于粘性或不溶性底物的轉(zhuǎn)化加工)，在底物表現(xiàn)出抑制作用時(shí)可獲得較高的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率；但是在產(chǎn)物表現(xiàn)出抑制作用時(shí)底物的轉(zhuǎn)化率就會(huì)降低。BSTR可用于溶液酶的催化反應(yīng)，它的操作也比CSTR簡(jiǎn)便。BSTR和CSTR的共同特征：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用面廣(180平推流反應(yīng)器（plug-flowreactor）PFR最突出的優(yōu)越性在于它有較高的轉(zhuǎn)化效率，尤其是當(dāng)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率明顯優(yōu)于BSTR和CSTR。PFR的缺點(diǎn)是用小顆粒固定化酶時(shí)，可能產(chǎn)生壓密現(xiàn)象；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應(yīng)器不適用。平推流反應(yīng)器（plug-flowreactor）PFR最突181流化床反應(yīng)器FBR的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉(zhuǎn)化，低壓降。但是它消耗動(dòng)力大，不易直接模仿放大。流化床反應(yīng)器FBR的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)交換與熱交換特性較好，不引起堵182CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使酶的穩(wěn)定性降低，也容易被超濾膜吸附，并產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。RCR的轉(zhuǎn)化率高，可以采用高速液流克服外擴(kuò)散的限制；但是它的設(shè)備成本高。CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；183若考慮反應(yīng)器的價(jià)格，CSTR最便宜，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又具有良好的操作性，適應(yīng)性強(qiáng)。此外還應(yīng)考慮固定化酶本身的費(fèi)用以及在各種反應(yīng)器中的穩(wěn)定性。若考慮反應(yīng)器的價(jià)格，CSTR最便宜，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又具有良好的184綜上所述，在反應(yīng)器的選擇上并無(wú)固定模式可循，必須根據(jù)上述各項(xiàng)條件綜合權(quán)衡，才能做出正確的決定。綜上所述，在反應(yīng)器的選擇上并無(wú)固定模式可循，必須根據(jù)上述各項(xiàng)1853.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)影響酶反應(yīng)器性能的因素很多，一般可以從以下幾個(gè)方面考慮：固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)固定化酶的穩(wěn)定性酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性3.固定化酶反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)影響酶反應(yīng)器性能的因素很多，186固定化酶的形狀

通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均適用于CSTR。膜狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應(yīng)器。固定化酶的形狀通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可187粉狀固定化酶或者易變形、易粘結(jié)的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產(chǎn)生高壓力降，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高流速，此時(shí)，可采用流化床反應(yīng)器(FBR)。FBR---流化床反應(yīng)器粉狀固定化酶或者易變形、易粘結(jié)的固定化酶，由于它們易造成堵塞188底物的物理性質(zhì)

底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應(yīng)器的重要因素。可溶性底物適用于各類反應(yīng)器。難溶底物或者呈膠體溶液底物，易堵塞柱床，可選用FBR。底物的物理性質(zhì)底物的物理性質(zhì)是影響選擇反應(yīng)器的重要因素。189只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護(hù)顆粒狀底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態(tài)，所以顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護(hù)顆粒狀底物和固定化酶在溶液190但是，攪拌速度過(guò)高易打碎固定化酶，因此，應(yīng)適當(dāng)控制攪拌速度。當(dāng)反應(yīng)過(guò)程需要控制溫度、調(diào)節(jié)pH時(shí)，選用CSTR更為方便。但是，攪拌速度過(guò)高易打碎固定化酶，因此，應(yīng)適當(dāng)控制攪拌速度。191固定化酶穩(wěn)定性

在反應(yīng)器操作過(guò)程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會(huì)使酶從載體上脫落下來(lái)；或者由于磨損而使粒皮變細(xì)，從而影響固定化酶的操作穩(wěn)定性。其中，尤以CSTR最為嚴(yán)重。固定化酶穩(wěn)定性在反應(yīng)器操作過(guò)程中，由于攪拌或液流的剪切作用192解決這一問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)特殊的CSTR反應(yīng)器。如把酶直接粘結(jié)在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網(wǎng)筐內(nèi)。這些措施均可減弱對(duì)酶的剪切作用，有利于提高酶的穩(wěn)定性。解決這一問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)特殊的CSTR反應(yīng)器。193酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性

酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性亦是選擇反應(yīng)器的一個(gè)重要依據(jù)。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應(yīng)器(PBR)，在固定化酶反應(yīng)器中占有主導(dǎo)地位。酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性亦是選擇反應(yīng)器的一個(gè)重要依194固定床反應(yīng)器（PBR）適用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，但在有底物抑制的反應(yīng)系統(tǒng)中，CSTR的性能優(yōu)于固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器（PBR）適用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，但在有底物195PBR的流動(dòng)特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。循環(huán)反應(yīng)器的回流溶液中含有產(chǎn)物，所以不宜用于有產(chǎn)物抑制的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。PBR的流動(dòng)特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉(zhuǎn)化196反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)應(yīng)盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進(jìn)行，通過(guò)測(cè)定活性、穩(wěn)定性、選擇性、達(dá)到的產(chǎn)物產(chǎn)量、底物轉(zhuǎn)化率等，來(lái)衡量其加工制造質(zhì)量。測(cè)定的主要參數(shù)有空時(shí)、空速、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)強(qiáng)度。反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)應(yīng)盡可能在模擬原生產(chǎn)條件下進(jìn)行，通過(guò)測(cè)定活性197空時(shí)是指底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，數(shù)值上等于反應(yīng)器體積與底物體積流速之比，又常稱為稀釋率。當(dāng)?shù)孜锘虍a(chǎn)物不穩(wěn)定或容易產(chǎn)生副產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)使用高活性酶，并盡可能縮短反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間。空時(shí)是指底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，數(shù)值上等于反應(yīng)器體積與底物198空速定義為空時(shí)的倒數(shù)。空時(shí)、空速這兩個(gè)指標(biāo)一般用于連續(xù)反應(yīng)器。空速定義為空時(shí)的倒數(shù)。199轉(zhuǎn)化率是指每克底物中有多少被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮盡可能利用最少的原料得到最多的產(chǎn)物。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應(yīng)器內(nèi)的非理想流動(dòng)，均有利于選擇性反應(yīng)。轉(zhuǎn)化率是指每克底物中有多少被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。200使用高濃度的反應(yīng)物對(duì)產(chǎn)物的分離也是有利的，特別是當(dāng)生物催化劑選擇性高而反應(yīng)不可逆時(shí)更加有利，同時(shí)也可以使需分離的溶劑量大大降低。

使用高濃度的反應(yīng)物對(duì)產(chǎn)物的分離也是有利的，特別是當(dāng)生物催化劑201酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度以每小時(shí)每升反應(yīng)器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示，主要取決于酶的特性、濃度及反應(yīng)器特性、操作方法等。酶反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度以每小時(shí)每升反應(yīng)器體積所生產(chǎn)的產(chǎn)物克數(shù)表示202使用高酶濃度及減小停留時(shí)間有利于生產(chǎn)強(qiáng)度的提高，但并不是酶濃度越高、停留時(shí)間越短越好，這樣會(huì)造成浪費(fèi)，在經(jīng)濟(jì)上不合算。使用高酶濃度及減小停留時(shí)間有利于生產(chǎn)強(qiáng)度的提高，但并不是酶濃203總體而言，酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)強(qiáng)度。由于酶對(duì)熱是相對(duì)不穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)特別注意質(zhì)與熱的傳遞，最佳的傳質(zhì)與傳熱的轉(zhuǎn)移可獲得最大的產(chǎn)率?？傮w而言，酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)強(qiáng)2044.固定化酶反應(yīng)器的操作在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)的過(guò)程中，要充分發(fā)揮酶的催化功能，除了選用高質(zhì)量的酶、選擇適宜的酶應(yīng)用形式、選擇或設(shè)計(jì)適宜的酶反應(yīng)器以外，還要在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，確定適宜的操作條件并根據(jù)變化的情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。4.固定化酶反應(yīng)器的操作在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)的過(guò)程205酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)酶反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降的原因及對(duì)策

酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制206酶反應(yīng)器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應(yīng)液的混合與流動(dòng)等。酶反應(yīng)器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應(yīng)207底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶的催化作用是底物在酶的作用下轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的過(guò)程。底物濃度是決定酶催化反應(yīng)速度的主要因素。底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制酶的催化作用是底物在酶的作用下轉(zhuǎn)化208在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度與底物濃度成正比，反應(yīng)速度隨著底物濃度的增加而升高。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，反應(yīng)速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向平衡。在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度與底物濃度成正比，反應(yīng)209底物濃度過(guò)低，反應(yīng)速度慢；底物濃度過(guò)高，反應(yīng)液的粘度增加。有些酶還會(huì)受到高底物濃度的抑制作用。因此，在酶催化反應(yīng)過(guò)程中，要確定一個(gè)適宜的底物濃度范圍。底物濃度過(guò)低，反應(yīng)速度慢；底物濃度過(guò)高，反應(yīng)液的粘度增加。有210對(duì)于分批式反應(yīng)器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進(jìn)反應(yīng)器，調(diào)節(jié)pH，將溫度調(diào)節(jié)到適宜的溫度，然后加進(jìn)適量的酶液進(jìn)行反應(yīng)。對(duì)于分批式反應(yīng)器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進(jìn)反211為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法，即先將一部分底物和酶加到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度逐步降低以后，再連續(xù)或分次地將一定濃度的底物溶液添加到反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法212通過(guò)分批流加的操作方式，反應(yīng)體系中底物濃度保持在較低的水平，可以避免或減少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反應(yīng)的速率。通過(guò)分批流加的操作方式，反應(yīng)體系中底物濃度保持在較低的水平，213對(duì)于連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液連續(xù)地加進(jìn)反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)器中底物濃度保持恒定，反應(yīng)液連續(xù)地排出。對(duì)于連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液214酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制

根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應(yīng)速度與酶濃度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反應(yīng)的速度。酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，在底物濃度215然而，酶濃度的提高必然會(huì)增加費(fèi)用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對(duì)于價(jià)格高的酶，必須綜合考慮反應(yīng)速度和成本，確定一個(gè)適宜的酶濃度。然而，酶濃度的提高必然會(huì)增加費(fèi)用，所以酶濃度不是越高越好，特216在酶使用過(guò)程中，特別是連續(xù)使用較長(zhǎng)的一段時(shí)間以后，必然會(huì)有一部分酶失活，所以需要進(jìn)行補(bǔ)充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，連續(xù)式固定化酶反應(yīng)器應(yīng)具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易。在酶使用過(guò)程中，特別是連續(xù)使用較長(zhǎng)的一段時(shí)間以后，必然會(huì)有一217反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制

酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶的催化反應(yīng)有一個(gè)最適溫度，溫度過(guò)低，反應(yīng)速度減慢；溫度過(guò)高，會(huì)引起酶的變性失活。因此，在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)酶的動(dòng)力學(xué)特性，確定酶催化反應(yīng)的最適溫度，并將反應(yīng)溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)。反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶218在溫度發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般酶反應(yīng)器中均安裝有夾套或列管等換熱裝置，里面通入一定溫度的水，通過(guò)熱交換作用，保持反應(yīng)器中反應(yīng)液的溫度恒定在一定的范圍內(nèi)。如果采用噴射式反應(yīng)器，則通過(guò)控制水蒸氣的壓力，以達(dá)到控制溫度的目的。在溫度發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般酶反應(yīng)器中均安裝有夾套219pH的確定與調(diào)節(jié)控制

反應(yīng)液的pH對(duì)酶催化反應(yīng)有明顯影響，由于酶催化反應(yīng)都有一個(gè)最適pH值，pH過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使反應(yīng)速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，在酶催化反應(yīng)過(guò)程中，要根據(jù)酶的動(dòng)力學(xué)特性確定酶催化反應(yīng)的最適pH，并將反應(yīng)液的pH維持在適宜的范圍內(nèi)。pH的確定與調(diào)節(jié)控制反應(yīng)液的pH對(duì)酶催化反應(yīng)有明顯影響，由220采用分批式反應(yīng)器進(jìn)行酶催化反應(yīng)時(shí)