第六章 酶反应器

3．流化床式反应器 流化床式反应器(fluidized reactor，FBR)是一种装 流化床式反应器(fluidized bed reactor，FBR)是一种装 有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等) 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， 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。 如图所示： 态下进行反应。 如图所示：
Section 2 酶反应器的发展
一、含有辅助因子再生的酶反应器 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、能量供给体 的协助，而这些辅因子的价格较贵。 等）的协助，而这些辅因子的价格较贵。如采用简单的添加 方法，经济上很不合算。因此， 方法，经济上很不合算。因此，发展了含有辅因子再生的酶 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 例如：①利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 例如： 利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 化NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等 再生酶反应器等。 ②美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等。
2．填充床式反应器 填充床式反应器(packed reactor，PCR)是把颗 填充床式反应器(packed column reactor，PCR)是把颗 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床， 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床，床可直立 或平放) 底物按一定方向以恒定速度通过反应床。 或平放)内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。是一 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。当前工业 上多数采用此类反应器。如图所示： 上多数采用此类反应器。如图所示：
Chapter 6 酶反应器
Section 1
一、游离酶反应器 一、游离酶反应器
酶反应器的类型与特点
1．搅拌罐式反应器(stirred tank reactor，STR) ：其基 搅拌罐式反应器(stirred reactor， 本结构由容器、搅拌器及保温装置组成。 本结构由容器、搅拌器及保温装置组成。有时也可在容器 壁上装上挡板，以促进反应物的混合。其结构如下： 壁上装上挡板，以促进反应物的混合。其结构如下：
式中：Sa(t)为单位时间内每克酶能作用的底物质量 ， 为单位时间内每克酶能作用的底物质量(g) 式中：Sa(t)为单位时间内每克酶能作用的底物质量(g)，tc 是酶的有效时间，一般以酶的半衰期t 表示。可见， 是酶的有效时间，一般以酶的半衰期t l／2表示。可见，提高 催化率R 必须使用高的S 的酶并且要增大酶的稳定性。 催化率Rp/e必须使用高的Sa的酶并且要增大酶的稳定性。 ④ 产物浓度ρP是一个影响到分离提纯，也就是回收成本高 是一个影响到分离提纯， 低的关键问题。在连续工艺中，降低稀释率或增加酶浓度 低的关键问题。在连续工艺中， 可使产物浓度升高，但会使Q 减小。 可使产物浓度升高，但会使Qp减小。 ⑤底物在反应器中的停留时间t ：
其中： 其中： 酶反应器的生产强度Q ①酶反应器的生产强度Qp表示每小时每升反应体积所生 产的产品的质量（ ），即 产的产品的质量（g），即：
②产品转化率X是指每克底物中有多少克转化为产物。即 ： 产品转化率X是指每克底物中有多少克转化为产物。
③酶的催化率Rp/e表示单位量的酶催化产物形成的克数，它 酶的催化率Rp/e表示单位量的酶催化产物形成的克数 表示单位量的酶催化产物形成的克数， 和操作条件有如下关系： 和操作条件有如下关系：
t也被定义为空时，其倒数1／t 称为空速，又常称为稀释率。 也被定义为空时，其倒数1 称为空速，又常称为稀释率。 空时、转化率和生产强度是表示酶反应器性能的重要参数，它们都和酶 空时、转化率和生产强度是表示酶反应器性能的重要参数， 浓度、比活力以及反应条件密切相关， 浓度、比活力以及反应条件密切相关，其中反应条件决定着酶催化活性 的表现。 的表现。
一、酶反应器中流动状态的控制 １．外壅塞 ２．内壅塞 二、酶反应器恒定生产能力的控制 1． 控制反应器流速 2． 增加温度 3． 将若干使用不同时间和处于不同阶段 的柱反应器串联， 的柱反应器串联，并与上述方法之一相结合
4．采用错开启动，掌握好换柱时间 采用错开启动， 5．并联反应器 三、酶反应器的稳定性 1．防止酶的变性失活 2．防止固定化酶自溶或从载体上脱落 四、酶反应器的微生物污染 主要措施有： 主要措施有： 1．保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要 保证生产环境的清洁、卫生， 的卫生条件。 的卫生条件。 2．酶反应器在使用前后，都要进行清洗和适当 酶反应器在使用前后， 的消毒处理。 的消毒处理。 3．必要时，在反应液中添加适当的对酶催化反 必要时， 应和产品质量没有不良影响的物质， 应和产品质量没有不良影响的物质，如用过氧化氢 50％甘油水溶液处理酶反应器， 或50％甘油水溶液处理酶反应器，以抑制微生物的 生长，防止微生物的污染等。 生长，防止微生物的污染等。
5．鼓泡式反应器 使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时， 使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统 中存在固、 气三相，故又称为三相流化床式反应器。 中存在固、液、气三相，故又称为三相流化床式反应器。鼓 泡式反应器的高径比一般较大，高径比大的反应器习惯上称 泡式反应器的高径比一般较大， 为塔，也称鼓泡塔反应器。如图所示： 为塔，也称鼓泡塔反应器。如图所示：
2．超滤膜酶反应器 超滤膜(UF)的孔径尺寸为 lOOnm， 超滤膜(UF)的孔径尺寸为l～lOOnm，可截留的相对分 的孔径尺寸为l 子质量范围为500～10000，它对游离酶和固定化酶( 子质量范围为500～10000，它对游离酶和固定化酶(相对 分子质量10000～100000)都有较高的截流能力 都有较高的截流能力。 分子质量10000～100000)都有较高的截流能力。 常用的超滤膜酶反应器的结构如图所示
二、两相或多相反应器 因为许多底物不溶或微溶于水，如脂肪、 因为许多底物不溶或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极 性较低的物质，在进行酶转化时，在水相中有浓度低、 性较低的物质，在进行酶转化时，在水相中有浓度低、反 应体积大、分离困难、能耗大等缺点。 应体积大、分离困难、能耗大等缺点。若使酶反应能在水 一有机相中进行，则可大大增加反应时的底物浓度。 一有机相中进行，则可大大增加反应时的底物浓度。而且 在两相或多相体系中反应，还常可减少底物、 在两相或多相体系中反应，还常可减少底物、特别是产物 对酶的抑制作用， 对酶的抑制作用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延 长。 一般两相反应常常是将酶或固定化酶置于水相中， 一般两相反应常常是将酶或固定化酶置于水相中，而 底物溶于有机相中，然后在搅拌或乳化条件下反应。 底物溶于有机相中，然后在搅拌或乳化条件下反应。有机 相一般使用碳氧化合物及芳香族化合物， 相一般使用碳氧化合物及芳香族化合物，让有机相对酶活 的影响减少到最小。 的影响减少到最小。
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3．喷射式反应器 喷射式反应器是利用高压蒸汽的喷射作用， 喷射式反应器是利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物 的混合，是进行高温短时催化反应的一种反应器。 的混合，是进行高温短时催化反应的一种反应器。如图所 示：
4．鼓泡式反应器 鼓鼓泡式反应器(bubble column reactor，BCR)是利用从 反应器底部通入的气体产生的大量气泡， 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合两种作用的一类反应器，它也是一 到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器， 种无搅拌装置的反应器。如图所示： 种无搅拌装置的反应器。如图所示：
二、固定化酶反应器 1．搅拌罐型反应器 搅拌罐型反应器可分为分批搅拌罐式反应器(batch 搅拌罐型反应器可分为分批搅拌罐式反应器(batch stirred tank reactor，BSTR)和连续流搅拌罐式反应器(continuous reactor，BSTR)和连续流搅拌罐式反应器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR)。如图所示： reactor，CSTR)。如图所示：
4．膜型反应器 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器， 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器，称 为膜型反应器(membrane reactor，MR)。 为膜型反应器(membrane reactor，MR)。 根据膜组件型 式的不同，可将酶膜反应器分为平板式、螺旋卷式、转盘式、 式的不同，可将酶膜反应器分为平板式、螺旋卷式、转盘式、 空心管式和中空纤维式酶膜反应器五种。如图所示： 空心管式和中空纤维式酶膜反应器五种。如图所示：
三、固定化多酶反应器 随着科学技术的发展，使得人们有可能将 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。目前此技术还处于实 验室阶段，还未见有工业化的报道。
Section 3
酶反应器的设计与选型
一、酶反应器的设计 1．酶反应器的设计原理 为了设计反应器以及决定反应操作条件， 为了设计反应器以及决定反应操作条件，理论上必须了 解下列事项： 解下列事项： 底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参 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； 数对此特性的影响； 反应器的形式和反应器内流体流动状态及传热特性； ② 反应器的形式和反应器内流体流动状态及传热特性； 需要的生产量及生产工艺流程。 ③ 需要的生产量及生产工艺流程。 2．与设计有关的参数 ① 酶反应器生产强度 Qp： 产品转化率X ② 产品转化率X及酶的催化率 Rp／e： 产物浓度ρ 及底物停留时间t ③ 产物浓度ρP 及底物停留时间t：