第七章酶反应器简介

第七章酶反应器简介 Reactors for enzymatic catalysis

一、酶反应器概述 • 1、概念： • 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 • 酶和固定化酶在体外进行催化反应时，必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。 • 酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置,是连接原料和产物的桥梁.

3、酶反应器要求 2、酶反应过程组成（1）原材料预处理；（2）酶生物催化剂的制备；（3）酶生物反应器的选择及反应条件的调控；（4）产物的分离提纯。 (1) 具有较高的酶比活和酶浓度。 (2) 能方便检测和调控反应过程。 (3) 具有良好的传质和传热性能。 (4) 具有维持的无菌状态的条件。

二、反应器的类型和特点 1、间歇式搅拌反应罐（BSTR） 2、连续流动搅拌反应罐（CSTR） 3、填充式反应罐（PBR） 4、流化床反应器（FBR） 5、循环反应器（RCR） 6、连续流动搅拌—超滤膜反应器（CSTR/UF） 7、其它反应器

1、间歇式搅拌反应罐（BSTR） 结构简单、操作方便。主要用于游离酶反应。当前食品和饮料工业中常用这类反应器。

2、连续流动搅拌反应罐（CSTR） • 连续进料、连续出料的反应器。 • 结构上与间歇式搅拌反应器基本相同。

3、填充式反应罐（PBR） • 主要用于固定化酶生产的反应器。 • 固定化酶通常以各种形状如球形、碎片、薄片、丸粒填充于反应层内。 • 填充式反应罐系统运转时，底物按照向上流动的方向以恒定的速度通过反应床。

4、流化床反应器（FBR） • 在流化床反应器，底物溶液以足够大的流速向上通过反应床。使得固体颗粒处于流化状态，从而来增加反应效率。 • 由于流化床反应器具有混合程度高，传热性能良好等特点，因此可以用来处理粘性较强的底物、或者用来处理含有固体颗粒的底物。

5、循环反应器（RCR） • 让部分反应产物流出，流出物再与原始底物混合之后重新流入反应系统的方法。 • 提高液体的流速，并能减少底物在固定化酶表面沉积，从而达到较高的转化效率。当反应底物是不溶性物质时，可以采用循环反应器生产。

5、连续流动搅拌-超滤膜反应器（CSTR/UF） • 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。 • 用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。

三、酶反应器的选择原则 • 1、固定化酶的形状、大小及机械强度； • 2、反应底物的性质； • 3、反应操作条件的要求； • 4、反应动力学及传质传热特性； • 5、酶的稳定性、再生及更换； • 6、反应器的制造成本，运行成本及应用的可塑性。

1、酶的形状、大小及机械强度 • 粒状是最常用。 • 粒状酶：可采用搅拌罐、固定床、流化床和鼓泡塔。易变形，易凝集的，或是颗粒细小的，以采用流化床较为相宜。 • 膜状酶：宜采用螺旋式，转盘式、平板式，空心管等膜反应器。 • 包埋法和微胶囊法所制备的酶：一般不宜采用搅拌罐。（其机械强度较差，易被搅拌桨叶的剪切力所损伤） • 填充床反应器如柱身较长，须用多孔板等将塔身适当地隔开。（由于凝胶本身重量而产生的压缩和变形，压力损失会增加）

2、底物的性质 • 底物分为：溶解性物质(包括乳浊液)、颗粒物质与胶体物质三种。 • 溶解性底物：适合任何类型的反应器。 • 颗粒状和胶体状底物：会堵塞填充床，多用搅拌罐或流化床型反应器。

3、反应操作要求 • 温度和pH值控制的要求； • 补充反应物的要求； • 供氧或会产生气体要求； • 补充酶的要求。

4、反应动力学 • 应根据不同反应类型的酶反应动力学特征（如分批式和连续式等）选择最适宜的反应器。

5、酶的稳定性 • 固定化酶在反应器中催化活性的不稳定原因： • (1)酶的失效； • (2)酶从载体上脱落； • (3)载体的解体。 • 酶稳定性好，可采用能长效运行的反应器，如填充床反应器； • 稳定性差的则不宜采用，否则会带来拆装等麻烦。

6、应用的可塑性及成本 • 所选反应器应能用于多种用途，多种产品的生产，这样可降低成本。 • 一般来说CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，而且由于结构简单，制造成本也较低。

四、酶反应器的操作要点 • 1、控制酶反应器中流动状态； • 2、维持酶反应器的恒定生产能力； • 3、保持酶反应器的稳定及长期运转； • 4、防止酶反应器的污染．

1、酶反应器中流动状态的控制 • （1）流动方式的改变会使酶与底物的接触不良，造成反应器生产力减低以及造成返混程度的变化，增加副反应。 • （2）流动方式的改变会使填充床内出现沟流或部分堵塞，影响反应性能。 • （3）搅拌不均匀或搅拌速度过快，使固定化酶产生破碎、失活。 • （4）在填充床型反应器中，柱高及通过柱的液流流速会影响柱内压降。 • （5）固体或胶体物质沉积妨碍了底物与酶接触，引起酶活性损失；

2、酶反应器的操作中，应注意壅塞现象。 • 壅塞分为： • 外壅塞：酶颗粒之间的空隙填塞，使柱完全堵塞。 • 内壅塞：单个酶颗粒的孔内形成一薄层，影响底物与固定化酶接触。

3、酶反应器的恒定生产能力的控制 • 根据一定时间内形成产物的量决定物料流速从而保持转化率恒定。 • 对于填充床反应器，控制流速还应考虑流速对床的压力，以保证填充床型反应器维持恒定的生产能力。

4、酶反应器的稳定性 • 引起酶变性作用的最主要因素是温度、pH、氧化、离子强度及剪切力。 • 微生物或酶的作用也会造成酶的失活。

5、酶反应器的微生物污染 • 酶反应底物成分相对单一，不具备良好的营养条件，因而酶反应器不必在完全无菌的条件下。但要在具备必要的卫生条件下进行。要常常检测，避免微生物污染，最好尽量做到无菌条件下进行操作。

（1）微生物污染的危害 • 微生物污染会堵塞反应器； • 会消耗底物或产物； • 产生酶和代谢产物； • 进而使产物降解； • 产生副产物； • 使固定化酶载体降解。

（2）防止微生物污染的措施 • 当产物（如抗生素、酒精、有机酸等）具有抑制微生物生长时不易污染。 • 向底物加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂或将底物料液预先过滤等可防止污染。 • 在45℃以上或在酸性、碱性缓冲液中进行操作可减少的污染。 • 高浓度底物反应时可以提高渗透压、降低水活度、抑制微生物生长。 • 酶反应器在每次使用后进行适当消毒，可减少微生物污染。

第七章 酶反应器简介