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1、三、固定化酶（细胞）的反三、固定化酶（细胞）的反应器及应用应器及应用Immobilized Enzyme （ Cell） Reactor techniques and Its Applications三、固定化酶（细胞）的反应器三、固定化酶（细胞）的反应器l1. 固定化酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点l2. 固定化酶反应器的选择依据固定化酶反应器的选择依据l3. 固定化酶反应器的性能评价固定化酶反应器的性能评价l4. 固定化酶反应器的操作固定化酶反应器的操作1. 固定化酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点l反反应应器器的的形形式式很很多多，根根据据进进料料和和出出料料的
2、的方方式式，可可概概括括分分为为间间歇歇式式和和连连续续式式两两大大类类，连连续续式式又又有有两两种种基基本本形形式式：连连续续流流动动搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器和和填填充充床床反反应应器器；还还有有一一些些衍衍生生形形式式：连连续续流流动动搅搅拌拌罐罐超超滤滤膜膜反反应应器器、循循环环反反应应器器和和流流化化床床反应器反应器等。等。各种反应器的示意图各种反应器的示意图间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器BSTRBSTR连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器CSTRCSTR连续流动搅拌罐连续流动搅拌罐连续流动搅拌罐
3、连续流动搅拌罐超超超超滤膜反应器滤膜反应器滤膜反应器滤膜反应器CSTR/UFCSTR/UF填充床反应填充床反应填充床反应填充床反应循环反应器循环反应器循环反应器循环反应器流化床反应器流化床反应器流化床反应器流化床反应器PBRPBRRCRRCRFBRFBR平推流平推流平推流平推流反应器反应器反应器反应器PFRPFR(S为底为底物、物、P为为产物产物)l(a) 间间歇歇式式搅搅拌拌罐罐反反应应器器(batch stirred tank reactor，BSTR)l(b) 连连续续流流动动搅搅拌拌罐罐反反应应器器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR)l
4、(c) 连连续续流流动动搅搅拌拌罐罐超超滤滤膜膜反反应应器器(combined CSTR/UF reactor，CSTR/UF)l(d) 填填充充床床反反应应器器或或平平推推流流反反应应器器(packed bed reactor，PBR或或plug-flow reactor，PFR)l(e) 循环反应器循环反应器(recycle reactor，RCR)l(f) 流化床反应器流化床反应器(fluidized bed reactor，FBR)间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器(BSTR)l间间歇歇式式搅搅拌拌罐罐反反应应器器也也称称为为分分批批搅搅拌拌反反应应器器，这这类类反反应应器器的的结结
5、构构简简单单，主主要要设设有有夹夹套套或或盘盘管管装装置置，以以便便加加热热或或冷冷却却罐罐内内物物料料，控控制制反反应应温温度度。这这类类反反应应器器主主要要用用于于游游离离酶酶(enzyme reactor)反应。反应。l将将酶酶与与底底物物一一起起加加入入反反应应器器内内，控控制制反反应应条条件件，待待达达到到预预期期转转化化率率后后，随随即即放放料料。在在这这种种情情况况下下，一一般般不不回回收收游游离离酶酶。当当前前在在食食品品和和饮饮料料工工业中常用这种反应器。业中常用这种反应器。 l如如果果把把固固定定化化酶酶用用于于间间歇歇反反应应器器，则则每每批批反反应应都都要要从从流流出出
6、液液中中分分离离出出产产物物和和固固定定化化酶酶，可可以以采采用用过过滤滤或或离离心心法法分分开开。由由于于酶酶经经过过反反复复循循环环回回收收，会会失失去去活活性性，所所以以在在工工业业生生产产中中的的固固定定化酶很少采用间歇式搅拌罐反应器。化酶很少采用间歇式搅拌罐反应器。连续流动搅拌罐反应器（连续流动搅拌罐反应器（CSTR ） l连连续续流流动动搅搅拌拌罐罐反反应应器器在结构上与间歇式反应器基本相同，只不过是连续进料、连续出料。由于它具有搅拌系统，反应器内的各组成成分能得到充分混合，分布均一，并与流出液的组成相一致。 l其其缺缺点点是是，由由于于搅搅拌拌浆浆产产生生的的剪剪切切力力较较大大
7、，容容易易引引起起固固定定化化酶酶的的破破坏坏。近近来来有有一一种种改改良良的的CSTR，是是将将载载有有酶酶的的圆圆片片聚聚合合物物固固定定在在搅搅拌拌轴轴上上或或者者放放置置在在与与搅搅拌拌轴轴一一起起转转动动的的金金属属网网筐筐内内，这这样样既既能能保保证证反反应应液液搅搅拌拌均均匀匀，又又不不致致损损坏固定化酶。坏固定化酶。填充床反应器填充床反应器(PBR) lPBR（Packed bed reactor）这这种种反反应应器器的的使使用用最最普普遍遍，到到目目前前为为止止，已已发发表表的的固固定定化化酶酶反反应应器器的的研研究究工工作作主主要要集集中中在在填填充充床床反反应应器器。固固
8、定定化化酶酶通通常常可可以以各各种种形形状状，如如球球形形、碎碎片片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。l它它所所使使用用的的载载体体有有多多孔孔玻玻璃璃珠珠、珠珠状状离离子子交交换换树树脂脂、聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺凝凝胶胶、二二乙乙胺胺乙乙基基葡葡聚聚糖糖凝凝胶胶、胶胶原原蛋蛋白白薄薄膜膜片片等等。近近年年来来，球球形形微微囊囊体体也用于填充床。也用于填充床。 l在在填填充充床床反反应应器器内内流流体体的的流流动动型型态态接接近近于于平平推推流流(又又称称活活塞塞流流)流流型型，所所以以填填充充床床反反应应器器可可近近似似认认为为是是一一种种平平推推（活活塞塞）流
9、流反反应应器器(Plug-flow reactor，PFR)。这这种种反反应应器器运运转转时时，底底物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。 l根根据据底底物物的的流流动动方方式式，又又有有下下向向流流动动、上上向向流流动动和和循循环环流流动动之之分分。工工业业生生产产中中，液液流流方方向向常常用用上上向向方方式式，这这样样可可以以避避免免下下向向流流动动的的液液压压对对柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。 PBR或PFRpacked bed reactor，PBRplug-flow reactor，PFRl在
10、填充床式反应器使用过程中，底层的固定化酶颗粒所受到的压力较大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎，为了减少底层固定化酶颗粒所受到的压力，可可以以在在反反应应器器中中间间用用托托板板分分隔。隔。l填填充充床床式式反反应应器器的的优优点点是是设设备备简简单单，操操作作方方便便，单单位位体体积积反反应应床床的的固固定定化化酶酶密密度度大大。在在工工业业生生产中普通使用产中普通使用。流化床反应器流化床反应器(FBR) l在流化床反应器（FBR）内，底物溶液以足够大的流速向上通过固定化酶床层，使固体颗粒处于流化状态，达到混合的目的。流流速速应应以以能能使使酶酶颗颗粒粒不不下下沉沉，又又不不致致使使颗颗粒粒
11、溢溢出出反反应应床床为为宜宜。在FBR中，由于混合程度高，故传热、传质情况良好。 FBRlFBR可用于处理粘性强和含有固体颗粒的底物，也可用于需要供应气体或排放气体的反应。对于停留时间较短的反应也可用FBR。流化床流化床反应器反应器l在实际应用过程中，要注意控控制制好好底底物物溶溶液液和和反反应应液液的的流流动动速速度度。流动速速度度过过低低时，难于保持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；流流动动速速度度过高时，则催化反应不完全，甚至会使固定化酶的结构受到损坏。l为了保证一定的流动速度，并使催化反应更为完全，必要时流流出出的的反反应应液液可可以以部部分分循循环环进进入入反应器。反应器。l流流化化床床式
12、式反反应应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大的反应液也可进行催化反应等特点。l然而，在这种反应器中，由于固定化酶不断处于悬浮翻动状态，流体流动产生的剪切力以及固定化酶的碰撞会使固定化酶颗粒受到破坏。此外，流流体体动动力力学学变变化化较较大大，参参数数复复杂杂，故故放放大反应较为困难大反应较为困难。循环反应器循环反应器(RCR) lRCR这种反应器是让部分反应液流出，和新加入的底物流入液混合，再进入反应床进行循环。其特点是可可以以提提高高液液体体的的流流速速和和减减少少底底物物向向固固定定化化酶酶表表面面传传递递的的阻阻力力，可可以以达达到到较较
13、高高的的转转化化率率。当反应底物是不溶性物质时，可以采用循环反应器。RCR连续流动搅拌罐一超滤膜反应器连续流动搅拌罐一超滤膜反应器 CSTR/UF是由连续流动搅拌罐反应器和超滤装置组合而成的反应器。它在连续搅拌反应罐的出口处装有一半透性的超滤膜，这种膜只允许产产物物和和未未曾曾反反应应的的底底物物通通过过，相相对对分分子子质质量量大的酶被截留大的酶被截留，可以使酶反复使用。CSTR/UFl此外这种反应器还可以使相相对对分分子子质质量量小小的的产产物物和和相相对对分分子子质质量量大大的的底底物物分分开开，使底物彻底转化。其他反应器其他反应器l除上述反应器外，还有淤浆反应器、滴流床反应器、气栓式流
14、动反应器、转盘式反应器、筛板反应器及不同类型反应器的结合等。 l1. 固定化酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点l2. 固定化酶反应器的选择依据固定化酶反应器的选择依据l3. 固定化酶反应器的性能评价l4. 固定化酶反应器的操作2. 固定化酶反应器的选择依据固定化酶反应器的选择依据l根据固定化酶的形状来选择 l根据底物的物理性质来选择 l根据酶反应的动力学特性来选择 l根据外界环境对酶的稳定性的影响来选择l根据操作要求及反应器费用来选择 根据固定化酶的形状来选择根据固定化酶的形状来选择 l溶液酶由于回收困难，一般只适用于BSTR。带有超滤器的CSTR/UF，虽然可以解决反复使用的问题
15、，但是常因超滤膜吸附和浓差极化而造成酶的损失，高流速的超滤还可能因为剪切力大而造成酶的失活。 l颗粒状和片状的固定化酶对CSTR和PBR类型的反应器均可适用，但膜状和纤维状的固定化酶仅适用于PBR。如果固定化酶容易变形、易粘结或颗粒细小时，采用FBR较为适宜。根据底物的物理性质来选择根据底物的物理性质来选择l溶溶解解性性或或浊浊液液性性底底物物，对任何类型的反应器都适用；颗颗粒粒状状和和胶胶状状底底物物，往往会堵塞填充床，需要采用高流速搅拌的CSTR、FBR和RCR以减少底物颗粒的集结、沉积和堵塞，使底物保持悬浮状态。l但是，对于高流速搅拌的CSTR，如果搅拌速度过高又会使固定化酶从载体上被剪
16、切下来，所以搅拌速度不能太高。 根据酶反应的动力学特性来选择根据酶反应的动力学特性来选择 l选择反应器，必须考虑酶反应的动力学特性。一般来说，接近平推流特性的填充床反应器(PFR/PBR)，在固定化酶反应器中占有主导地位，它适合于产产物物对酶活性具有抑制作用的反应 。 PFR和 CSTR相 比 ， 总 效 率 PFR优 于CSTR，特别是当产产物物对反应有抑制作用时，PFR的优越性更显突出。 l若底底物物表现出对酶的活性有抑制作用时，CSTR所受的影响要比PFR少一些。酶反应器的催化反应速度，一般是CSTR型随搅拌速度加快而增加，PFR型随流速增加而加快。 根据外界环境对酶的稳定性的影根据外界
17、环境对酶的稳定性的影响来选择响来选择 l在反应器的运转过程中，由于在高速搅拌时，高速液流的冲击，常常会使固定化酶从载体上脱落下来，或由于磨损，引起粒度的减小而影响固定化酶的操作稳定性，其中以CSTR最为严重。 l为解决这一问题而改进设计的反应器，如把酶直接粘接在搅拌轴上，或者把固定化酶放置在与轴相连的金属网篮内。这些措施均可使酶免遭剪切，减少了外界环境对酶的稳定性的不利影响。 根据操作要求及反应器费用来选择根据操作要求及反应器费用来选择 l有些酶反应需要不断调整pH，有的需供氧，有的需补充反应物或补充酶。所有这些操作，在CSTR中可无需中断而连续进行，但在其他反应器中则比较困难，需要由特殊设计
18、来解决。lBSTR和CSTR的共同特征是：结构简单、操作方便、适用面广(可用于粘性或不溶性底物的转化加工)，在底物表现出抑制作用时可获得较高的转化产率；但是在产物表现出抑制作用时底物的转化率就会降低。BSTR可用于溶液酶的催化反应，它的操作也比CSTR简便。 lPFR最突出的优越性在于它有较高的转化效率，尤其是当产产物物抑制酶反应时，其转化效率明显优于BSTR和CSTR。PFR的缺点是用小颗粒固定化酶时，可能产生压压密密现现象象；如果底物是不溶性的或粘性的，这类反应器不适用。 lFBR的优点是物质交换与热交换特性较好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的转化，低压降。但是它消耗动力大，不易直接
19、模仿放大。lCSTR/UFR既适用于水溶性酶，也适用于不溶性或粘性底物；如果长时间运转，会使酶的稳定性降低，也容易被超滤膜吸附，并产生浓差极化现象。lRCR的转化率高，可以采用高速液流克服外扩散的限制；但是它的设备成本高。l若考虑反应器的价格，CSTR最便宜，它结构简单，又具有良好的操作性，适应性强。此外还应考虑固定化酶本身的费用以及在各种反应器中的稳定性。综上所述，在在反反应应器器的的选选择择上上并并无无固固定定模模式式可可循循，必必须须根根据据上上述述各各项项条条件件综综合权衡，才能做出正确的决定合权衡，才能做出正确的决定。3. 固定化酶反应器的性能评价固定化酶反应器的性能评价l影响酶反应
20、器性能的因素很多，一般可以从以下几个方面考虑：l固定化酶的形状固定化酶的形状l底物的物理性质l固定化酶的稳定性l酶反应动力学特性 固定化酶的形状固定化酶的形状 l通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用PBR，而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均适用于CSTR，但是，膜状、纤维状固定化酶不适用于CSTR。其中，膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。 l粉状固定化酶或者易变形、易粘结的固定化酶，由于它们易造成堵塞，并产生高压力降，而无法实现高流速，此时，可采用流化床反应器(FBR)。底物的物理性质底物的物理性质 l底物的物理性质是影响选择反应器的重要因素。可溶性底物适用于各类反应器。难溶底物或者
21、呈胶体溶液底物，易堵塞柱床，可选用FBR。只要搅拌速度足够高，CSTR能维护颗粒状底物和固定化酶在溶液中呈悬浮状态，所以颗粒状底物溶液可适用于CSTR。 l但是，搅拌速度过高易打碎固定化酶，因此，应适当控制搅拌速度。当反应过程需要控制温度、调节pH时，选用CSTR更为方便。 固定化酶稳定性固定化酶稳定性 l在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上脱落下来，或者由于磨损而使粒皮变细，从而影响固定化酶的操作稳定性。其中，尤以CSTR最为严重。l解决这一问题的方法是改进CSTR反应器的设计，例如：把酶直接粘结在搅拌轴上，或者把固定化酶放置在与轴相连的金属网筐内。这些措施均可减弱
22、对酶的剪切作用，有利于提高酶的稳定性。酶反应动力学特性酶反应动力学特性 l酶反应动力学特性亦是选择反应器的一个重要依据。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反应器(PBR)，在固定化酶反应器中占有主导地位。它适用于有产产物物抑抑制制的转化反应，但在有底底物物抑抑制制的反应系统中，CSTR的性能优于固定床反应器。 lPBR的流动特性接近于CSTR，因此也适用于有底物抑制的转化反应。循循环环反反应应器器的回流溶液中含有产物，所以不宜用于有产物抑制的转化反应。l反应器的性能评价应尽可能在模拟原生产条件下进行，通过测定活性、稳定性、选择性、达到的产物产量、底物转化率等，来衡量其加工制造质量。测定的主要参
23、数有空时、空速、转化率、生产强度。l空空时时是指底物在反应器中的停留时间，数值上等于反应器体积与底物体积流速之比，又常称为稀稀释释率率。当底物或产物不稳定或容易产生副产物时，应使用高活性酶，并尽可能缩短反应物在反应器内的停留时间。空空速速定定义义为为空空时时的的倒倒数数。空空时时、空空速速这这两两个个指指标标一一般般用用于于连连续续反反应器。应器。 l转转化化率率是指每克底物中有多少被转化为产物。在设计时，应考虑尽可能利利用用最最少少的的原原料料得得到到最最多多的的产产物物。只要有可能，使用纯酶和纯的底物，以及减少反应器内的非理想流动，均有利于选择性反应。l使用高浓度的反应物对产物的分离也是有
24、利的，特别是当生物催化剂选择性高而反应不可逆时更加有利，同时也可以使需分离的溶剂量大大降低。 l酶反应器的生生产产强强度度以以每每小小时时每每升升反反应应器器体体积积所所生生产产的的产产物物克克数数表表示示，主要取决于酶的特性、浓度及反应器特性、操作方法等。使用高酶浓度及减小停留时间有利于生产强度的提高，但并不是酶浓度越高、停留时间越短越好，这样会造成浪费，在经济上不合算。 l总体而言，酶反应器的设计应该是在经济、合理的基础上提高生产强度。此外，由于酶对热是相对不稳定的，设计时还应特别注意质质与与热热的的传传递递，最佳的传质与传热的转移可获得最大的产率。 4. 固定化酶反应器的操作固定化酶反应
25、器的操作l在应用酶反应器进行催化反应的过程中，要充分发挥酶的催化功能，除了选选用用高高质质量量的的酶酶、选选择择适适宜宜的的酶酶应应用用形形式式、选选择择或或设设计计适适宜宜的的酶酶反反应应器器以外，还要在酶反应器的应用过程中，确定适适宜宜的的操操作作条条件件并根据变化的情况进行适当的调节控制。l1酶反应器操作条件的确定及其调节控制 l2酶反应器应用的注意事项 l3酶反应器生产能力下降的原因及对策 l酶反应器的操作条件主要包括底底物物浓浓度度、酶酶浓浓度、温度、度、温度、pH、反应液的混合与流动、反应液的混合与流动等。底物浓度的确定与调节控制底物浓度的确定与调节控制 l酶的催化作用是底物在酶的
26、作用下转化为产物的过程。底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。l在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反应速度随着底物浓度的增加而升高。当底物浓度达到一定的数值时，反应速度的上升不再与底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。 l在酶催化反应过程中，要确定一个适宜的底物浓度范围。底底物物浓浓度度过过低低，反反应应速速度度慢慢；底底物物浓浓度度过过高高，反反应应液液的的粘粘度度增增加加。有些酶还会受到高底物浓度的抑制作用。l对于分批式反应器，首先将一定浓度的底物溶液引进反应器，调节pH，将温度调节到适宜的温度，然后加进适量的酶液进行反应。 l为了防止高浓度底物引起的抑制作用，可以采用
27、逐逐步步流流加加底底物物的方法，即先将一部分底物和酶加到反应器中进行反应，随着反应的进行，底物浓度逐步降低以后，再连续或分次地将一定浓度的底物溶液添加到反应器中进行反应。反应结束后，将反应液一次全部取出。 l通过分分批批流流加加的的操操作作方方式式，反应体系中底物浓度保持在较低的水平，可以避免或减少高浓度底物的抑制作用，提高酶催化反应的速率。 l对于连续式反应器，则将配制好的一定浓度的底物溶液连续地加进反应器中进行反应，反应器中底物浓度保持恒定，反应液连续地排出。 酶浓度的确定与调节控制酶浓度的确定与调节控制 l根据酶反应动力学研究结果，在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比，
28、提高酶浓度，可以提高催化反应的速度。然而，酶浓度的提高必然会增加费用，所以酶浓度不是越高越好，特别是对于价格高的酶，必须综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。 l在酶使用过程中，特别是连续使用较长的一段时间以后，必然会有一部分酶失活，所以需要进行补充或更换，以保持一定的酶浓度。因此，连续式固定化酶反应器应具备添加或更换酶的装置，而且要求这些装置的结构简单，操作容易。反应温度的确定与调节控制反应温度的确定与调节控制 l酶催化作用受温度的影响非常显著，酶的催化反应有一个最适温度，温度过低，反应速度减慢；温度过高，会引起酶的变性失活。因此，在酶反应器的应用过程中，要根据酶的动力学特性，确定酶
29、催化反应的最适温度，并将反应温度控制在适宜的温度范围内。 l在温度发生变化时，要及时进行调节。一般酶反应器中均安装有夹套或列管等换热装置，里面通入一定温度的水，通通过过热热交交换换作作用用，保保持持反反应应器器中中反反应应液液的的温温度度恒恒定定在在一一定定的的范范围围内内。如果采用喷射式反应器，则通过控制水蒸气的压力，以达到控制温度的目的。pH的确定与调节控制的确定与调节控制 l反应液的pH对酶催化反应有明显影响，由于酶催化反应都有一个最适pH值，pH过高或过低都会使反应速度减慢，甚至使酶变性失活。因此，在酶催化反应过程中，要根据酶的动力学特性确定酶催化反应的最适pH，并将反应液的pH维持在
30、适宜的范围内。 l采用分批式反应器进行酶催化反应时，通常在加入酶液之前，先用稀酸或稀碱将底物溶液调节到酶的最适pH，然后加酶进行催化反应；对于在连续式反应器中进行的酶催化反应，一般将调节好pH的的底底物物溶溶液液(必要时采采用用缓缓冲冲溶溶液配制液配制)连续加到反应器中。 l有些酶催化反应前后的pH变化不大，如-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反应过程中，pH基本恒定，在反应过程中不需进行pH的调节。 l而有些酶的底物或者产物是一种酸或碱，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖与氧气反应生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反应前后pH的变化较大，在反应过程中需进行必要的调节。lpH的调节通常采用稀
31、稀酸酸溶溶液液或或稀稀碱碱溶溶液液进行，加入稀酸或稀碱溶液时，要一边搅拌一边缓慢添加，以防止局部过酸或过碱，必要时可以采用缓缓冲冲溶溶液液配配制制底底物物溶溶液液，以维持反应液的pH。搅拌速度的确定与调节控制搅拌速度的确定与调节控制 l酶在进行催化反应时，首先要与底物结合，然后才能进行催化反应。要使酶能够与底物结合，就必须保证酶与底物混合均匀，使酶分子与底物分子能够进行有效碰撞，进而互相结合进行催化反应。l在搅拌罐式反应器和游离酶膜反应器中，都设计安装有搅拌装置，通过适当的搅拌实现均匀的混合。因此，首先要在实验的基础上确确定定适适宜宜的的搅搅拌拌速速度度，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。l
32、搅拌速度过慢，会影响混合的均匀性；搅拌过快，产生的剪切力会使酶的结构受到影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏，而影响催化反应的进行。 流动速度的确定与调节控制流动速度的确定与调节控制 l在连连续续式式酶酶反反应应器器中，底物溶液连续地进入反应器，同时反应液连续地排出，通过溶液的流动实现酶与底物的混合和催化。为了使催化反应高效进行，要控制好液体的流速和流动状态，以保证混合均匀，并且不会影响酶的催化作用。 l对于流流化化床床反反应应器器（FBE），如果流体流速过慢，固定化酶颗粒就不能很好飘浮翻动，甚至沉积在反应器底部，从而影响酶与底物的均匀接触和催化反应的顺利进行，乃至产生阻塞现象，影响底物溶液顺利
33、进入反应器。 l如果流体流速过高或流动状态混乱，则固定化酶颗粒在反应器中激烈翻动、碰撞，会使固定化酶的结构受到破坏，以致使酶脱落、流失，从而影响催化反应的进行。l流体在流化床反应器中的流动速度和流动状态可以通过控制进液口的流流体体流流速速和流流量量，以及进液管的方向和排布进液管的方向和排布等方法，加以调节。l填填充充床床式式反反应应器器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流过固定化酶层，其流动速度决定酶与底物的接触时间和反应的进行程度。 l在反应器的直径和高度确定的情况下(高高径径比比)，流速越慢，酶与底物接触时间越长，反应越完全，但是生产效率越低，因此需要选择好适宜流速，流流速速过过慢慢，
34、则则催催化化反反应应速速度度降降低低，而而降降低低生生产产效效率率，流流速速过过快快，则则反反应应不不完完全全，有有一一部部分分底底物物未未转转化化成成产产物物就就被被排排出出，影影响响转转化化效率效率。 l在理想的操作情况下，填充床式反应器任何一个横截面上的流体流动速度是相同的，在同一个横截面上底物浓度和产物浓度也是一致的。这种反应器又称为活塞流反应器(plug flow reactor，PFR)。酶反应器应用的注意事项酶反应器应用的注意事项 在酶反应器的应用过程中，除了控制各种反应条件，还须注意下列问题：l(1) 保持酶反应器的操作稳定性l(2) 保持反应器中流体的流动方式和状态l(3)
35、防止酶的变性失活l(4) 防止微生物的污染 保持酶反应器的操作稳定性保持酶反应器的操作稳定性 l在酶反应器的应用过程中，应尽量保持操作的稳定性，以避免反应条件的激烈波动。l在酶的催化反应过程中，酶是反应的主体，必须保证所使用的酶酶的的质质量量稳稳定定，此外在游离酶反应中，要尽量保持酶酶的的浓浓度度稳稳定定在在一一定定的的范范围围，在固定化酶反应中，每隔一段时间要检测酶的活力，并根据变化情况及时进行更换或补充。l在搅拌罐式反应器中，应尽量保保持持搅搅拌拌速速度度的的稳稳定定，不要断断续续、时快时慢，否则剪切力的反复变化，会加快酶特别是固定化酶结构的破坏。l在连续式反应器的操作中，应尽量保持流速的
36、稳定，并保持流流进进的的底底物物浓浓度度和和流流出出的的产产物物浓浓度度不要变化太大，以保证反应液中底物浓度的稳定。l在填充床反应器中要防防止止由由于于固固定定化化酶酶的的破破碎碎、挤挤压压而而产产生生的的阻阻塞塞现现象象，在膜反应器中要防止由于浓差极化而产产生生的的膜膜孔孔阻阻塞塞现现象象。此外，在反应过程中，要尽量保持反反应应温温度度、反应液pH等的稳定，不要波动太大，以保持反应器恒定的生产能力。 保持反应器中流体的流动方式和状态保持反应器中流体的流动方式和状态 l在酶反应器的应用过程中，应尽量保持液体和气体的流动方式和状态，因为流流动动方方式式和和状状态态的的改改变变，会会影影响响底底物
37、物、产产物物与与酶酶的的接接触触状状态态，从而影响催化反应的速度。从而影响催化反应的速度。防止酶的变性失活防止酶的变性失活 l在酶反应器的应用过程中，应当特特别别注注意意防防止止酶酶的的变变性性失失活活。引起酶变性失活的因素主要有：温度、温度、pH、重金属离子以及剪切力等。、重金属离子以及剪切力等。 温度温度l酶反应器操作时的温度是影响酶催化作用的重要因素，较高的温度可以提高酶催化反应速度，从而增加产物的产率。l然而，酶是一种生物大分子，除了某些耐高温的酶以外，通常酶催化反应在60以下进行，温度过高会加速酶的变性失活，缩短酶的半衰期和使用时间。l因此，酶反应器的操作温度一般不宜过高，通常在等于
38、或者低于酶催化最适温度的条件下进行。pHl在酶反应器的应用过程中，反应液的pH应当严格控制在酶催化反应的适宜pH范围内，除了某些特别耐酸碱的酶以外，通常酶在pH49的条件下进行催化反应，pH过高或过低都对催化不利，甚至引起酶的变性失活。l在操作过程中进行pH的调节时，一一定定要要一一边边搅搅拌拌一一边边慢慢慢慢加加入入稀稀酸酸或或稀稀碱碱溶溶液液，以以防防止止局局部过酸或过碱而引起酶的变性失活。部过酸或过碱而引起酶的变性失活。 重金属离子重金属离子l重金属离子例如铅铅离离子子(Pb2+)、汞汞离离子子(Hg2+)等会与酶分子结合而引起酶的不可逆变性。因此，在酶反应器的操作过程中，要尽量避免重金
39、属离子的存在。l为了避免从原料或者反应器系统带进某些重金属离子给酶分子造成不利影响，必要时可以添添加加适适量量的的EDTA等等金金属属螯螯合合剂剂，以除去重金属离子对酶的危害。剪切力剪切力l在酶反应器的操作过程中，剪切力是引起酶变性失活的一个重要因素。所以在搅拌式反应器的操作过程中，要要防防止止过过高高的的搅搅拌拌速速度度对对酶酶特特别是固定化酶结构的破坏别是固定化酶结构的破坏；l在流化床式反应器和鼓泡式反应器的操作过程中，要控制流体的流速，防止固固定定化化酶酶颗颗粒粒的的过度翻动和碰撞而引起固定化酶的结构破坏过度翻动和碰撞而引起固定化酶的结构破坏。保护剂保护剂l为了防止酶的变性失活，在操作过
40、程中，可以添加某些保护剂，以提高酶的稳定性，例如在淀粉酶的催化过程中添加钙钙离子等。l酶作用底底物物的的存存在在往往往往对对酶酶有有保保护护作作用用，所以在操作时一般先将底物溶液加进反应器中，然后再将酶加到底物溶液中进行催化反应。酶加到底物溶液中进行催化反应。防止微生物的污染防止微生物的污染 l在应用酶反应器进行催化反应过程中，由于酶的作用底物或反应产物往往只有一、二种，一般情况下不具备微生物生长、繁殖的基本条件；l在酶反应器进行操作时，与微生物发酵和动、植物细胞培养所使用的反应器有所不同，一般不必在严格的无菌条件下进行操作，然而这并不意味着酶反应器的操作过程不必防止微生物污染。 l不同酶的催
41、化反应，由由于于底底物物、产产物物和和催催化化条条件件各各不不相相同同，在在催催化化过过程程中中受受到到微微生生物物污污染染的的可能性存在很大差别可能性存在很大差别。l一些酶催化反应的底物或产物对微生物的生长、繁殖有抑制作用，例如，乙醇氧化酶催化乙醇氧化反应，青霉素酰化酶催化青霉素或头孢菌素反应等，其受微生物污染的情况较少。 l有些酶酶的的催催化化反反应应温温度度较较高高，例如，-淀粉酶，Taq DNA聚合酶等的反应温度在50 以上，一般微生物无法生长。l有些酶催化反应的pH较较高高或或较较低低，例如，胃蛋白酶在pH 2.0的条件下进行催化，碱性蛋白酶在pH 9.0以上催化蛋白质水解反应等，对
42、微生物有抑制作用。 l有些酶可以在在非非水水介介质质中中进进行行催催化化反反应应，例如脂肪酶在有机介质中催化转酯反应等，在有机介质中，微生物难以生长繁殖，微生物污染的可能性甚微。l而有有些些酶酶催催化化反反应应的的底底物物或或产产物物是是微微生生物物生生长长、繁繁殖殖的的营营养养物物质质，例如淀淀粉粉酶酶类类催化淀粉水解生成糊精、麦芽糖、葡萄糖等，蛋蛋白白酶酶类类催化蛋白质水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等，在反应过程中或者在反应结束后，在适合微生物生长繁殖的情况下，必须注意防止微生物的污染。l酶反应器的操作必须符合必要的卫生条件，尤其是在生产药用或食用产品时，卫生条件要求较高，应尽量避免微生物的
43、污染。因为微生物的污染不仅影响产品质量，而且微生物的孳生，还会消耗一部分底物或产物，产产生生无无用用甚甚至至有有害的副产物，还会增加产物分离纯化的困难。害的副产物，还会增加产物分离纯化的困难。l在酶反应器的操作进程中，防止微生物污染的主要措施有：l保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件；l反应器在使用前后，都要进行清洗和适当的消毒处理；l在反应器的操作过程中，要严格管理，经常检测，避免微生物污染；l必要时，在反应液中适当添加对酶催化反应和产品质量没有不良影响而又可以杀火或抑制微生物生长的物质，以防止微生物的污染；l在不影响酶催化活性的前提下，选择在较较高高的的温温度度(如45以上)，
44、较较高高或或较较低低的的pH条件下进行操作，以防止微生物污染。酶反应器生产能力下降的原因及对策酶反应器生产能力下降的原因及对策 l在酶反应器操作过程中，其生产能力是逐渐下降的。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损失。造成固定化酶活性的损失可能有下列原因：l酶本身的失活酶本身的失活；l酶从载体上脱落；酶从载体上脱落；l载体的破碎或溶解载体的破碎或溶解。 l在反应器中，酶活力可因变性而失活。酶变性一般是由于受受到到热热、快速搅拌所产生的高剪切力和泡沫表面张力所引起的。l为了防止变性，操操作作温温度度不不宜宜过过高高，搅搅拌拌速速度度不不宜宜过过快快。酶活力还可能由于中毒而丧失。
45、这是由于底物溶液中的重重金金属属离离子子等毒物所引起的。为了防止中毒，要求所用试剂和水不含毒物。 l反应器容易被微生物污染，而微生物所产生的蛋白酶能使酶活力丧失。为了防止微生物污染，可以提提高高操操作作温温度度(45)，并使使反反应应液液的的pH尽尽量量偏偏离离中中性性。也可以将底物溶液进行过滤除菌，或者用甲苯或甲醛进行处理。 l颗粒状固定化酶，特别是微胶囊包埋的固定化酶，如果将它放在搅搅拌拌式式反反应应罐罐中，由于搅拌所产生的剪切力的作用，可以使它破碎。l如果将它装进固固定定床床反反应应器器，由于高流速的底物溶液所产生的摩擦力的作用，可以使固定化酶的载体变成小颗粒。这些小颗粒难以停留在反应器
46、中继续使用。 l用吸吸附附法法制制备备的的固固定定化化酶酶在在反反应应器器中与反应液长时间接触时，常发生解吸，即酶从载体上脱落下来。如果固定化酶的载体是亲水性聚合物，在酶促反应过程中，载体逐渐被溶解。载体的化学结构力求均一，可以避免溶解。 l在反应器中，酶酶的的表表观观活活力力可因反应器中液体流动状态不规则，或者在反应器中分布情况变坏而下降。例如：当反应器中有超超滤滤膜膜截截留留大大分分子子物物质质时时，酶酶或或固固定定化化酶酶可可能能在在出出口口处处积积累累；如果底物溶液中有油油脂脂、多多糖糖等等物物质质将将固固定定化化酶包裹时，酶活力会因此而下降。酶包裹时，酶活力会因此而下降。 四、酶工程在医药工业中的应用四、酶工程在医药工业中的应用l1. 固定化细胞法生产6-氨基青霉烷酸 l2. 固定化酶法生产5-复合单核苷酸 l3. 固定化酶法生产L-氨基酸l谢谢！
