酶工程原理及应用

第七章 酶反应器 1、什么是酶反应器 2、理想的酶反应器的要求 3、各种酶反应器的特点 4、酶反应器的选择和使用 5、酶反应器的设计 Go

7.1 什么是酶反应器 酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都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。 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。

生物催化剂制备 过程调控 能量 原料 预处理 消毒 产品 产物分离提纯 生物反应器 空气 除菌 热量 酶催化反应过程示意图 回本章目录

7.2 理想的酶反应器的要求 生物反应器设计的主要目标： 使产品的质量最高，生产成本最低。 评价生物反应器的主要标准： 反应器生产能力的大小和产品质量的高低。 (1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 (3) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。 (4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。

常见的酶反应器类型 按结构区分 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反应器(packed column reactor, PCR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR) 按操作方式区分 分批式反应(batch ) 连续式反应(continuous ) 流加分批式反应(feeding batch ) 混合形式 连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） 回本章目录

7.3 各种酶反应器的特点 反应器类型 适用的操作方式 适用的酶 特点 搅拌罐式反应器 分批式, 流加分批式 连续式, 游离酶 固定化酶 反应比较完全，反应条件容易调节控制。 填充床式反应器 连续式 密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。 流化床反应器 分批式 流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。

反应器类型 适用的操作方式 适用的酶 特点 鼓泡式反应器 分批式 流加分批式 连续式 游离酶 固定化酶 鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。 膜反应器 清洗比较困难 喷射式反应器 通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应

(1)间歇式酶反应器 又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。 缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。

(2) 连续式酶反应器 又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。 优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。 缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。 反应液出口 底物溶液进口

(3) 填充床反应器 填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。 优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。 缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。

(4) 流化床反应器 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。 特点是：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。

(5) 鼓泡式反应器 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，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。也是一种无搅拌装置的反应器。 鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在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、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。 鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。

(6) 膜反应器 膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。 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。

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。

连续搅拌罐—超滤膜反应器 简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。 游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续地进入反应器，酶在反应容器的溶液中与底物反应，反应后，酶与反应产物一起，进入膜分离器进行分离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。 回本章目录

7.4 酶反应器的选择和使用 影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑： 酶的形式(游离/固定化..) 固定化酶的形状 底物的物理性质 酶反应动力学性质 酶的稳定性 操作要求 反应器制造、控制成本

在应用游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，通过互相作用，进行催化反应。可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。 通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用填充床反应器（PBR），而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均可使用于连续式搅拌罐（CSTR），膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。 可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可选用FBR。颗粒状底物溶液可适用于CSTR。当反应过程需要控制温度、调节pH时，选用CSTR更为方便。 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度变细，从而影响了固定化酶的操作稳定性。

酶反应器使用中应注意的问题 酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要用酸或碱来调节反应液PH。如果局部的pH过高或过低，就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这时，可用加快搅拌已促使混合均匀。 如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。 防止微生物污染 酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或损失。造成固定化酶活性损失的原因： （1）酶本身的失活； （2）酶从载体上脱落； （3）载体的破碎或溶解。 回本章目录

7.5 酶反应器的设计 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算 4、进行物料衡算 酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。 2、确定反应器的制造材料 由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。 3、进行热量衡算 酶催化反应一般在30～70℃的常温条件下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温度的调节控制，热量衡算是根据热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。 4、进行物料衡算 酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量 回本章目录

7.6 酶反应器的发展 1、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。 可组成高效率，巧妙的多酶反应器。 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。 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。 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。