生化触媒反应器.doc

生化觸媒反應器利用固定化酵素或固定化菌體反應器的工業生產，主要是以連續程序來進行，亦即在反應器內填充定量的酵素或菌體，將反應液(原料)連續地送入反應器內進行反應，再將生成物輸出的連續式固定化酵素或固定化菌體生化反應器。廣義定義：將不經過化學處理的活菌體填充於反應器內形成所謂的固定化活菌體反應器。狹義定義：若經過化學處理造福人群而成粒狀、膜狀，或纖維狀的固定化酵素，或固定化菌體(又稱固定化生化觸媒)填充於反應器內進行反應。固定化酵素或菌體之生化反應器(bioreactor of immobilized enzymes-cells)日本田邊製藥於1970開發出固定在DEAE-Sephadex擔體上的胺基醯酵素(amino-acylase)，在填充床反應器內利用胺基酸消旋體的光學分割，進行L-amino acid之工業化連續生產；高崎等人將含有高活性葡萄糖異構化酵素的放線菌菌體，只施以加熱處理，所得之菌體凝塊成功地應用於果糖糖漿的連續生產。普通工業化生產反應系統：液固兩相系統的填充床生化反應器。固定化活菌體生化反應器則為：液固氣相所組成的三相反應系統。固定化除費用低廉外，亦可視為傳統反應工程學之多樣化應用與進展。固定化活菌體生化反應器(在不使用擔體的情況)利用固定化活菌體生化反應器來進行連續生產的代表例子為酒精及食用醋的速釀法，如下圖為工業化生產啤酒連續發酵程序使用的塔型固定化活菌體生化反應器：菌種：Saccharomyces cerevisiae，固定成0.21.2 cm之集結菌體，填充於圓筒形反應器內。麥芽汁惰性氣體從底部送入；CO2及含有剩餘酵母菌之鮮啤氣從塔頂流出。另外，葡萄酒速釀法之生化反應器如下圖：(a)為向上並流三相流動層反應器(b)為氣體向上流動，液體平流之填充塔反應器(c)為氣體與液體並行向上之螺旋型反應器 下例為荷蘭及丹麥進行糖蜜連續發酵生產酒精之工業規模實例：進料：滅過菌的糖蜜，以硫酸胺調整pH。酵母菌：上層懸浮菌體則迴流進入反應槽以上菌體未經化學處理，可謂廣義的固定化生化觸媒反應器。若經polyacrylamide(聚丙醯胺)或k-carrageenan(鹿角菜膠)固定菌體的話，則為一般所謂的狹義的固定化生化觸媒反應器。利用酵素或菌體的作用將高分子量基質分解成低分子量的產物的情況，如下圖所示的薄膜或固體膜反應器，將低分子量生成物輸出系統外，而原基質、酵素或菌體則留在反應器內循環使用的方法，例如澱粉糖化程序，在Zymomonas mobilis的酒精發酵上(如下圖)，不用一般攪拌翼而改以氣體進行攪拌的環狀生化反應器，在好氣性發酵之應用頗受注目。固定化活菌體生化反應器(使用擔體情況)1930已利用繁殖於擔體表面的活菌體，在塔型生化反應器進行從酒精生產食用醋的連續釀造製程，此乃利用美人蕉木(canna)碎片填充於圓筒型反應槽內，讓醋酸菌懸浮液循環，使菌體充分增殖於碎片上，再把含有酒精的酒醪液從頂部向下注入，而讓空氣從底部向上流動，成為對流填充床反應器。擔體目的在減少活菌體的流失。往後亦有學者曾嚐試將不銹鋼的金屬絲，以種種方法製備成直徑0.6mm之緻密擔體，使凝集性酵母、細菌、黴菌繁殖於其上，再填充於塔型反應器來開發三相流動層生化反應器。反應器解析(reactor analysis)利用化學處理(化學修飾)的固定化方法中，工業應用上最常採用為聚丙醯胺，藻脂酸鹽類(alginic acid)、鹿角菜膠(k-carrageenan)、纖維三醋酸酯(cellulose-triacetate)等材料來製備固定化酵素或固定化菌體。固定化的設計上，不但要考量擔體內酵素及菌體活性劣化，基質及產物之擴散，材料的物理化學性質等問題；還要顧及擔體之壓縮性，機械強度及其尺寸、形狀及酵素或菌體之負載容量等因素；此外，在反應器的設計上對於不同流體之間，流體與固定化酵素或菌體之間的物質傳送及流體流動特性等，皆為必須考慮而不可忽略之要項。故而，固定化生化反應器之開發與固定化擔體材質及其固定方法之開發應同步進行，相輔相成。生化反應器大致分成：1. 液固系統2. 氣液固系統液固系統：如下圖所示，當固定化酵素或菌體為固體顆粒的場合時，適用的反應器大概分成固定化合物粒子於反應器內部，只有基質液流動的填充床反應器，與粒子亦隨流體流動的移動床型或流動床 型反應器兩種類型。填充在操作上可分為基質液向上與向下流動兩種方式。流動床亦有多段及上寬下狹之不同類型。氣液固系統：可分為a) 填充塔型三相生化反應器：固定化的酵素或菌體固定不動，只有液體和氣體，以並流方向或對流方向流動(如下圖)。一般而言，不被溶液濡濕之乾燥狀膠體顆粒較易劣化，而流速較大之顆粒也較易變形。下向流之氣體為連續相，液體則以液膜流過顆粒表面形成所謂的液膜流(trickle flow)。但是，上向流中氣體則在連續相的液體中形成氣泡，而且，氣泡間彼此獨立存在，與液體同一方向流動而形成所謂的氣泡流(bubble flow)。b) 流動床型三相生化反應器：如下圖所示，氣體及液體從反應器底部送入，內部則為固定化酵素或菌體懸浮而成三相流動床型式。上圖可避免膠體顆粒脫離飛出或破損，又可使顆粒、氣泡、流體流動得以圓滑運轉，設計而成的上下圓錐三相流動床型生化反應器，其中央部份為圓筒型，上下兩端則為逐漸縮小之圓錐形。此種反應器之流體流動狀態及樣式如下圖所示：左圖：大氣泡直接脫出反應器，小氣泡則伴隨顆粒翻轉，沿著器壁往下流動。右圖：反應品底部送入之氣體隨同氣泡群、膠粒、液體向上翻轉流動。下圖之三段圓錐反應器已被應用在利用固定化酵母生產酒精之程序上：c) 回轉板型生化反應器：以不銹鋼絲為骨幹製成板狀容器，並將菌體固定於其內而成膠體板，再安置於可回轉的水平轉軸上(如下圖)。當軸回轉時，膠體板下半部則浸漬於反應器內之基質溶液中獲取液體基質，而上半部膠體板則暴露於氣相中獲取氣體基質，而且可讓氣體產物直接輸送至氣相中。中空纖維反應器(hollow fiber reactor)為了超過濾(ultrafiltration)，透析及人工臟器透析器之應用而開發出來的中空纖維膜，除了具有高分子物質之不可穿透性外，單位體積之穿透面積甚大亦為其主要特徵。此類薄膜通常是由醋酸纖維素等材料所製成，內徑200500m，外徑300900m之中空纖維。一般是將一束(含數千支薄膜纖維)插入於圓管中或槽型容器中，而形成的中空纖維反應器。酵素或菌體則填充於中空纖維膜之管內或滯留於管外(可視為固定於反應器內)，基質溶液則從管的另一側透過管膜而傳道到酵素或菌體區域內進行反應，生成物則再透過管膜而與酵素或菌體分離。此種反應器特點在無須任何特殊處理即可達成酵素或菌體之固定化，操作、洗淨、滅菌、再生亦非常容易。主要用於Co-enzyme之再生系統 等酵素反應之解析應用上、棉子糖(raffinose)之加水分解、果糖之生產、柳醇(salicin)之加水分解、葡萄柚果汁中柚甘(naringin)之加水分解、利用微生物細胞生產尿刊寧(urocanin)以及食品應用工業上的基礎實驗等等。吸附分離法：於反應出口連接分離器，將未反應之基質分離後再輸入反應器入口，讓其能再再度參與反應，使能充分反應，特別是在可逆反應之情況，更有採用此種循環操作方式之必要性。在各類分離法中，吸附分離法是相當有效率的一種(如下圖所示)。以glucose isomerase為例，諸多方法中以採用吸附分離法者為多(如色層分離法(chromatography)或固液對流接觸操作法。果糖比起葡萄糖具有較優越之甜度，且在低溫下的溶解度也較高的特點，一般商品果糖含量大抵為55%，欲提高糖漿中果糖含量，在製程附加分離程序是有其必要的。固定化葡萄糖異構化酵素之反應裝置大都採用固定床或脈衝床反應器：a) 固定床吸附分離法：此法與液體層析法(liquid chromatography)相同，設備卻最為簡單(如下圖)，以葡萄糖與果糖混合物為原料，水作為脫附劑，以一定時間間隔交互送入固定床吸附塔，由於葡萄糖與果糖在吸附塔內以不同的速度移動，使得兩者得以分離，只要在分離塔出口裝設一個開關，再以週期性之開閉轉向操作即可分別回收果糖及葡萄糖。從塔中央位置供給原料，並以兩成份移動速度之中間速度，逆著液體流動方向移動吸附劑的話，則不易被吸附的葡萄糖將隨液體方向流動，而易被吸附的果糖則隨著吸附劑之流動方向跟著移動，故兩成份將朝不同方向移動而達成分離目的。但亦有缺點：1.吸附劑之使用效率不高。2.脫附劑之使用量過高。3.兩種成份之間的相對選擇性非達到某一程度不可。4.不能連續操作。5.分離液中含有大量的脫附劑(水)，須利用蒸發操作予以濃縮，提高能源成本。b) 擬似移動床吸附分離法：如下圖所示，脫附劑(水)從左向右移動，液體從右向左移動，形成固液對流接觸，原料液從塔中央供給而向左移動。區域上便有大部份的果糖及小部份的葡萄糖被吸附劑吸附，且隨著吸附劑的流動向區域傳送。在區域，則脫附回收被吸附的葡萄糖不使其輸送至精萃液之取出口回收。從區域流出之液體中幾乎不含任何一種糖分，如此，區域之流出液便可當 作脫附劑再度被循環利用而減少脫附劑之使用量。c) 組合酵素反應器之擬似移動床吸附分離法：如下圖，若從原料口供給葡萄糖及果糖之等量混合液，則葡萄糖即為區域右端之吸附塔選擇性地被吸附，這些液體再流經下一階段的啶化酵素反應器時，葡萄糖即被轉換成果糖，生成的果糖便在下一位置的吸附塔中被吸附。如此反覆操作，直至區域之流出液變成幾乎不含糖分的程度。些一方法的特徵為：在分離操作下組合了固定化酵素反應之補助機能，故不須讓未反應之葡萄糖溶液迴流循環送入反應器內，在製作5075%之較低果糖含有率之糖漿製程上，具有很好的經濟效益。薄膜反應器(membrane reactor)就酵素反應之工程應用觀點而論，只要巧妙利用固定化酵素之形態，即可反覆地使用酵素。薄膜反應器如下圖所示，基質與酵素在反應器內混合而進行反應，透過超過濾膜將產物分離。如此，因薄膜之阻擋，酵素因而不會流出反應器外而得以反覆使用。然而，反應器及薄膜表面極易累積膠狀物或其他固形物，故必須格外注意原料之品質並去除雜質。以上右圖而言，反應器劃分成兩器室，器室裝酵素緩衝液，器室則為基質緩衝液，兩器室間以超過濾膜隔開，酵素與基質透過薄膜從器室向器室移動而進行反應，產物則朝反方向移動排出系統之外。其優點為：1.酵素較不易受基質阻害。2.受微生物污染之機會亦較少。3.酵素置換相當簡便容易。由於高分子基質不能透過薄膜，故此類反應器不適用於纖維素或澱粉等高分子量基質之反應系統。若要提升物質透過薄