第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用

第七章酶反应器 • 酶反应器的特点与类型 • 酶反应器的选择和使用

第一节酶反应器的特点与类型 • 定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶反应器(Enzyme reactor)。 • 作用：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的产物。 • 与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。 • 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。

一、酶反应器的类型 • 搅拌罐型反应器 • 固定床型反应器 • 流化床型反应器 • 膜式反应器 • 鼓泡塔型反应器

（一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR） 有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。 1. 分类： 1）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR) 适用的酶：游离酶、固定化酶 2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶

2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式 3.优点：结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。 4. 缺点: 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易损失。 5. 改进：在反应器出口装上滤器,或用尼龙网罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。

（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。

优点：可使用高浓度的催化剂。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高）。缺点：①温度和pH难以控制； ②底物和产物会产生轴向浓度分布； ③清洗和更换部分固定化酶较麻烦。 床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。

（三）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR) 装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。适用于：固定化酶。

优点：具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体的供给比较容易；优点：具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体的供给比较容易；不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体；能处理粉末状底物；即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大；由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损；流化床的空隙体积大，酶的浓度不高；底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。改进：使底物进行循环，避免催化剂。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）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器

2. 固定化酶膜反应器 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器。分类： 1）平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器 3）空心酶管反应器 4）中空纤维膜反应器

1）平板状或螺旋状反应器 • 特点： • 压力降小； • 膜面积清晰； • 放大容易。 • 单位体积催化剂有效面积小。

2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物有挥发性物，广泛应用于水处理装置。

3）空心酶管反应器 酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。管内径1mm，管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在一起，用于定量分析。

4）中空纤维膜反应器 由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径200μm -500μm，外径300μm -900μm)。组成。内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中。反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。

反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。

（五）鼓泡塔型反应器 利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。适用于：游离酶、固定化酶在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床反应器。

二、酶反应器的发展 • 含有辅助因子再生的酶反应器 • 问题由来 • 许多酶反应都需要辅因子的协助，如辅酶、辅基、能量供给体等。这些辅因子价格昂贵，需再生循环使用才能降低成本，因而发展了辅因子再生酶反应器。 • 例 • 利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依靠半透膜能将固定化NAD保留在反应器内，实现了NAD的再生于循环使用。

2.两相或多相反应器 问题由来许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。解决办法：使酶反应在有机相中进行，可增加反应物浓度，还可减少底物，特别使产物对酶的抑制作用。

3. 固定化多酶反应器 将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细胞的多酶系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物，目前次技术还处于实验阶段，但发展前景良好。 1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。 2）构建全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存在的物质。 3）代替微生物发酵，用小型柱式反应器取代庞大的微生物发酵罐。 4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液将由简单巧妙的生物反应器取代。

第二节酶反应器的设计与选择 • 一、酶反应器的设计 • 设计目的： • 设计一个既能充分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。 • 2.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) 反应器的形式和反应器内流体流动状态及传热特性； • (3) 产物的产量和生产工艺流程。

生物反应器设计最基本的思想是减少成本，其主要衡量标准是产物浓度。生物反应器设计最基本的思想是减少成本，其主要衡量标准是产物浓度。

二、酶反应器的选择 • （一）酶的应用形式 • 游离酶：回收困难，除了BSTR 外，其它反应器不适用。 • 连续搅拌罐式反应器 • 超滤反应器 • 2.固定化酶 • 颗粒状或片状——CSTR、PBR • 膜状和纤维状——PBR • 小颗粒状——FBR

（二）底物的物理性质 溶解性物质——任何类型反应器底物颗粒物质胶体物质 CSTR、PBR和RCR

（三）反应操作要求 1.若酶受高浓度底物抑制需要不断调整pH ——搅拌罐型反应器。 2.若反应耗氧 ——鼓泡塔型反应器。

（四）酶的稳定性 固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下三种原因：酶本身失效；酶从载体上脱落；载体肢解。在各种类型的反应器中，CSTR最易引起这类损失。

（五）应用的可塑性及成本 CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，结构简单，成本也较低；综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行全面的分析和衡量。

三、酶反应器的操作 （一）反应温度的确定与调节控制（二）pH值的确定与调控（三）底物浓度（四）酶浓度（五）搅拌速度（六）流动速度

思考题：

第七章 酶反应器 酶反应器的特点与类型 酶反应器的选择和使用