固定化酶反应器课件

1、1 三、固定化酶（细胞）的反 应器及应用 Immobilized Enzyme Immobilized Enzyme （CellCell）Reactor Reactor techniquestechniques and Its Applicationsand Its Applications 2 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 3 1. 固定化

2、酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点 l反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，反应器的形式很多，根据进料和出料的方式， 可概括分为可概括分为间歇式间歇式和和连续式连续式两大类，两大类，连续式连续式又又 有两种基本形式：有两种基本形式：连续流动搅拌罐式反应器连续流动搅拌罐式反应器和和 填充床反应器填充床反应器；还有一些衍生形式：；还有一些衍生形式：连续流动连续流动 搅拌罐搅拌罐超滤膜反应器超滤膜反应器、循环反应器循环反应器和和流化床流化床 反应器反应器等。等。 4 各种反应器的示意图各种反应器的示意图 (S为底为底 物、物、P为为 产物产物) 5 l(a) 间歇式搅拌罐反应器间歇式搅

3、拌罐反应器(batch stirred tank reactor， BSTR) l(b) 连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR) l(c) 连续流动搅拌罐连续流动搅拌罐超滤膜反应器超滤膜反应器(combined CSTR/UF reactor，CSTR/UF) l(d) 填充床反应器或平推流反应器填充床反应器或平推流反应器(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

4、应器流化床反应器(fluidized bed reactor，FBR) 6 间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器(BSTR) l间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器也称为也称为分批搅拌反应器分批搅拌反应器， 这类反应器的结构简单，主要设有夹套或盘管这类反应器的结构简单，主要设有夹套或盘管 装置，以便加热或冷却罐内物料，控制反应温装置，以便加热或冷却罐内物料，控制反应温 度。这类反应器主要用于度。这类反应器主要用于游离酶游离酶(enzyme reactor)反应。反应。 7 l将酶与底物一起加入反应器内，控制反应条件，将酶与底物一起加入反应器内，控制反应条件， 待达到预期转化率后，随即放料。在这

5、种情况待达到预期转化率后，随即放料。在这种情况 下，一般不回收下，一般不回收游离酶游离酶。当前在食品和饮料工。当前在食品和饮料工 业中常用这种反应器。业中常用这种反应器。 8 l如果把固定化酶用于如果把固定化酶用于间歇反应器间歇反应器，则每批反应，则每批反应 都要从流出液中分离出产物和固定化酶，可以都要从流出液中分离出产物和固定化酶，可以 采用过滤或离心法分开。由于酶经过反复循环采用过滤或离心法分开。由于酶经过反复循环 回收，会失去活性，所以在工业生产中的回收，会失去活性，所以在工业生产中的固定固定 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。 9 连续流动搅拌罐反应器（连

6、续流动搅拌罐反应器（CSTR ） l连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应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。 10 l其缺点是，由于其缺点是，由于搅拌浆产生的剪切力较大，容搅拌浆产生的剪切力较大，容 易引起固定化酶的破坏易引起固定化酶的破坏。近来有一种。近来有一种改良改良的的 CSTR，是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌，是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌 轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐 内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不

7、致损内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不致损 坏固定化酶。坏固定化酶。 11 填充床反应器填充床反应器(PBR) lPBR（Packed bed reactor）这种反应器的这种反应器的 使用最普遍，到目前为止，已发表的固定化酶使用最普遍，到目前为止，已发表的固定化酶 反应器的研究工作主要集中在填充床反应器。反应器的研究工作主要集中在填充床反应器。 固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎片、固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎片、 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。 12 l它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子交换它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子交换 树脂、聚丙

8、烯酰胺凝胶、二乙胺乙基葡聚糖凝树脂、聚丙烯酰胺凝胶、二乙胺乙基葡聚糖凝 胶、胶原蛋白薄膜片等。近年来，球形微囊体胶、胶原蛋白薄膜片等。近年来，球形微囊体 也用于填充床。也用于填充床。 13 l在填充床反应器内在填充床反应器内流体的流动型态流体的流动型态接近于平推接近于平推 流流(又称活塞流又称活塞流)流型，所以填充床反应器可近流型，所以填充床反应器可近 似认为是一种似认为是一种平推（活塞）流反应器平推（活塞）流反应器(Plug- flow reactor，PFR)。这种反应器运转时，底。这种反应器运转时，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。 14 l

9、根据底物的流动方式，又有根据底物的流动方式，又有下向流动下向流动、上向流上向流 动和循环流动之分动和循环流动之分。工业生产中，液流方向。工业生产中，液流方向常常 用上向方式用上向方式，这样可以避免下向流动的液压对，这样可以避免下向流动的液压对 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。 15 PBR或PFR packed bed reactor， PBR plug-flow reactor， PFR 16 l在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，可以

10、在反应器中间用托板分可以在反应器中间用托板分 隔。隔。 17 l填充床式反应器的优点是设备简单，操作方便，填充床式反应器的优点是设备简单，操作方便， 单位体积反应床的固定化酶密度大。在工业生单位体积反应床的固定化酶密度大。在工业生 产中普通使用产中普通使用。 18 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。流速应以能流速应以能 使酶颗粒不下沉，又不致使颗粒溢出反应床为使酶颗粒不下沉，又不致使颗粒溢出反应床为 宜宜。在FBR中，由于混合程度高，故传热、传 质情况良好。 19 FBR l

11、FBR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 20 l在实际应用过程中，要注意控制好底物溶液和控制好底物溶液和 反应液的流动速度反应液的流动速度。流动速度过低速度过低时，难于保 持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；流动速度流动速度过 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。 21 l为了保证一定的流动速度，并使催化反应更为 完全，必要时流出的反应液可以部分循环进入流出的反应液可以部分循环进入 反应器。反应器。 l流化床式反应流化床式反应器具有混合均匀，传质和传热效 果好，温度和

12、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。 22 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，流体动力学变化较大，参数复杂，故放流体动力学变化较大，参数复杂，故放 大反应较为困难大反应较为困难。 23 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。 其特点是可以提高液体的流速和减少底物向固可以提高液体的流速和减少底物向固 定化酶表面传递的阻力，可以达到较高的转化定化酶表面传递的阻力，可以达到较高

13、的转化 率率。当反应底物是不溶性物质时，可以采用循 环反应器。 24 RCR 25 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 许产物和未曾反应的底物通过，相对分子质量产物和未曾反应的底物通过，相对分子质量 大的酶被截留大的酶被截留，可以使酶反复使用。 26 CSTR/UF l此外这种反应器还可以使相对分子质量小的产相对分子质量小的产 物和相对分子质量大的底物分开物和相对分子质量大的底物分开，使底物彻底 转化。 27 其他反应器其他反应器 l除上述反应

14、器外，还有淤浆反应器、滴流床反 应器、气栓式流动反应器、转盘式反应器、筛 板反应器及不同类型反应器的结合等。 28 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 29 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 30 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

15、，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，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。 31 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。 32 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溶解性或浊液性底物溶解性或浊液性底物，对任何类型的反应器都 适用；颗粒状和胶状底物颗粒状和胶状底物，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

16、集结、沉积和堵塞，使底物保 持悬浮状态。 33 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切下来， 所以搅拌速度不能太高。 34 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，它适合于产物产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，特别是当产物产物对反应有抑制作用时， PFR的优越性更显突出。 35 l若底物底物表现出对酶的活性有抑制作用时， CSTR所受的影响要比PFR

17、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。 36 根据外界环境对酶的稳定性的影根据外界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。 37 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。 38 根据操作要求及反应器费用来选择根据操作要求及反

18、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，需要由特殊设计来解决。 39 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。 40 lPFR最突出的优越性在于它有较高的转化效率， 尤其是当产物产物抑制酶反应时，其转化效率明显 优于BSTR和CSTR。PFR的缺点是用小

19、颗粒 固定化酶时，可能产生压密现象压密现象；如果底物是 不溶性的或粘性的，这类反应器不适用。 41 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，不易直接模仿放 大。 42 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。 43 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

20、 器中的稳定性。综上所述，在反应器的选择上在反应器的选择上 并无固定模式可循，必须根据上述各项条件综并无固定模式可循，必须根据上述各项条件综 合权衡，才能做出正确的决定合权衡，才能做出正确的决定。 44 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 45 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CST

21、R。其中，膜状固定化酶 要用螺旋卷膜式反应器。 46 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)。 47 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 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。 48 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

22、更为方便。 49 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。 50 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 措施均可减弱对酶的剪切作用，有利于提高酶 的稳定性。 51 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。它适用于有产物抑制

23、产物抑制的转化反应，但在 有底物抑制底物抑制的反应系统中，CSTR的性能优于 固定床反应器。 52 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。循环反应器循环反应器的回流溶 液中含有产物，所以不宜用于有产物抑制的转 化反应。 53 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。测定的主要参数有空时、空速、转 化率、生产强度。 54 l空时空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 为稀释率稀释率。当底物或产物不稳定或容易产生副 产物时，应

24、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。空速空速定义为定义为空时空时的的 倒数。空时、空速这两个指标一般用于连续反倒数。空时、空速这两个指标一般用于连续反 应器。应器。 55 l转化率转化率是指每克底物中有多少被转化为产物。 在设计时，应考虑尽可能利用最少的原料得到利用最少的原料得到 最多的产物最多的产物。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。 56 l使用高浓度的反应物对产物的分离也是有利的， 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。 57 l酶反应器的生产强度生产强度以每小时每

25、升反应器体积以每小时每升反应器体积 所生产的产物克数表示所生产的产物克数表示，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。 58 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与热质与热 的传递的传递，最佳的传质与传热的转移可获得最大 的产率。 59 4. 固定化酶反应器的操作固定化酶反应器的操作 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，除了选用高质量的酶选用高质量

26、的酶、 选择适宜的酶应用形式、选择或设计适宜的酶选择适宜的酶应用形式、选择或设计适宜的酶 反应器反应器以外，还要在酶反应器的应用过程中， 确定适宜的操作条件适宜的操作条件并根据变化的情况进行适 当的调节控制。 60 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 61 l酶反应器的操作条件主要包括底物浓度、酶浓底物浓度、酶浓 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。 62 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

27、因素。 63 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。 64 l在酶催化反应过程中，要确定一个适宜的底物 浓度范围。底物浓度过低，反应速度慢；底物底物浓度过低，反应速度慢；底物 浓度过高，反应液的粘度增加浓度过高，反应液的粘度增加。有些酶还会受 到高底物浓度的抑制作用。 65 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。 66 l为了防止高浓度底物引起的抑制作用，可以采 用逐步

28、流加底物逐步流加底物的方法，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。 67 l通过分批流加的操作方式分批流加的操作方式，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。 68 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。 69 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

29、，酶催化反应速度与酶浓度成正比， 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。 70 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。 71 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

30、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。 72 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，通过热交换作用，保持通过热交换作用，保持 反应器中反应液的温度恒定在一定的范围内反应器中反应液的温度恒定在一定的范围内。 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。 73 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

31、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维持在适宜的范围内。 74 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的底物溶液的底物溶液(必要时采用缓冲溶采用缓冲溶 液配制液配制)连续加到反应器中。 75 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。 76 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

32、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。 77 lpH的调节通常采用稀酸溶液或稀碱溶液稀酸溶液或稀碱溶液进行， 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 用缓冲溶液配制底物溶液缓冲溶液配制底物溶液，以维持反应液的 pH。 78 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。 79

33、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定适确定适 宜的搅拌速度宜的搅拌速度，并根据情况的变化进行搅拌速 度的调节。 80 l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。 81 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在连续式酶反应器连续式酶反应器中，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

34、匀，并且不会影响酶的催化作用。 82 l对于流化床反应器流化床反应器（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，影响底物溶液顺利进入反应器。 83 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。 84 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体流速流体流速和流量流量，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。 85 l填充床式反应器填

35、充床式反应器中，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。 86 l在反应器的直径和高度确定的情况下(高径比高径比)， 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，流速过慢，则催化反应速度降低，而降流速过慢，则催化反应速度降低，而降 低生产效率，低生产效率，流速过快流速过快，则反应不完全，有一，则反应不完全，有一 部分底物未转化成产物就被排出，影响转化效部分底物未转化成产物就被排出，影响转化效 率率。 87 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

36、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)。 88 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) 防止酶的变性失活 l(4) 防止微生物的污染 89 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。 90 l在酶的催化反应过程中，酶是反应的主体，必 须保证所使用的酶的质量稳定酶的质

37、量稳定，此外在游离酶 反应中，要尽量保持酶的浓度稳定在一定的范酶的浓度稳定在一定的范 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。 91 l在搅拌罐式反应器中，应尽量保持搅拌速度的保持搅拌速度的 稳定稳定，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。 92 l在连续式反应器的操作中，应尽量保持流速的 稳定，并保持流进的底物浓度和流出的产物浓流进的底物浓度和流出的产物浓 度度不要变化太大，以保证反应液中底物浓度的 稳定。 93 l在填充床反应器中要防止由于固定化酶的破碎、防止由于固定化酶的破碎、 挤压而产生的阻

38、塞现象挤压而产生的阻塞现象，在膜反应器中要防止 由于浓差极化而产生的膜孔阻塞现象产生的膜孔阻塞现象。此外， 在反应过程中，要尽量保持反应温度反应温度、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。 94 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，因为流动方式和状态流动方式和状态 的改变，会影响底物、产物与酶的接触状态，的改变，会影响底物、产物与酶的接触状态， 从而影响催化反应的速度。从而影响催化反应的速度。 95 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，应当特别注意

39、防止特别注意防止 酶的变性失活酶的变性失活。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。 96 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。 97 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。 98 l因此，酶反应器的操作温度一般不宜过高，通 常在等于或者低于酶催化最适温度的条件下进 行。 99 pH l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

40、pH范围内，除 了某些特别耐酸碱的酶以外，通常酶在pH4 9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。 100 l在操作过程中进行pH的调节时，一定要一边一定要一边 搅拌一边慢慢加入稀酸或稀碱溶液，以防止局搅拌一边慢慢加入稀酸或稀碱溶液，以防止局 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。 101 重金属离子重金属离子 l重金属离子例如铅离子铅离子(Pb2+)、汞离子、汞离子(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 金属离子的存在。 102 l为了避免从原料或者反应器系统带进某些重金

41、属离子给酶分子造成不利影响，必要时可以添添 加适量的加适量的EDTA等金属螯合剂，等金属螯合剂，以除去重金属 离子对酶的危害。 103 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，要防止过高的搅拌速度对酶特要防止过高的搅拌速度对酶特 别是固定化酶结构的破坏别是固定化酶结构的破坏； 104 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，防止固定化酶颗粒的固定化酶颗粒的 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。 105 保护剂保护剂 l为了防止酶的变性失活，在操作过程中，

42、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。 106 l酶作用底物的存在往往对酶有保护作用底物的存在往往对酶有保护作用，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。 107 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； 108 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

43、操作过程不必防止微生物 污染。 109 l不同酶的催化反应，由于底物、产物和催化条由于底物、产物和催化条 件各不相同，在催化过程中受到微生物污染的件各不相同，在催化过程中受到微生物污染的 可能性存在很大差别可能性存在很大差别。 110 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。 111 l有些酶的催化反应温度较高酶的催化反应温度较高，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。 112 l有些酶催化反应的pH较高或较低较高或较低，

44、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，对微 生物有抑制作用。 113 l有些酶可以在非水介质中进行催化反应在非水介质中进行催化反应，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。 114 l而有些酶催化反应的底物或产物是微生物生长、有些酶催化反应的底物或产物是微生物生长、 繁殖的营养物质繁殖的营养物质，例如淀粉酶类淀粉酶类催化淀粉水解 生成糊精、麦芽糖、葡萄糖等，蛋白酶类蛋白酶类催化 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