固定化酶和固定化细胞课件

固定化酶和固定化細胞

4.1固定化酶的定義與優點所謂固定化酶(immobilizedenzyme)，是指在一定的空間範圍內起催化作用，並能反復和連續使用的酶。固定化酶的優點：（1）同一批固定化酶能在工藝流程中重複多次地使用；（2）固定化後，和反應物分開，有利於控制生產過程，同時也省去了熱處理使酶失活的步驟；（3）穩定性顯著提高；（4）可長期使用，並可預測衰變的速度；（5）提供了研究酶動力學的良好模型。4.2酶固定化技術發展史

酶作為一種生物催化劑，因其催化作用具有高度專一性、催化條件溫和、無污染等特點，廣泛應用於食品加工、醫藥和精細化工等行業。但在使用過程中，人們也注意到酶的一些不足之處，如酶穩定性差、不能重複使用，並且反應後混入產品，純化困難，使其難以在工業中更為廣泛的應用。為適應工業化生產的需要，人們模仿人體酶的作用方式，通過固定化技術對酶加以固定改造，來克服游離酶在使用過程中的一些缺陷。將酶固定化以後，既保持了酶的催化特性，又克服了游離酶的不足之處，使其具有一般化學催化劑能回收反復使用的優點，並在生產工藝上可以實現連續化和自動化。事實上，早在1916年，Nelson和Griffin就用吸附的方法實現了酶的固定化，他們將蔗糖酶吸附在骨炭粉上，發現吸附以後酶不溶於水而且具有和液體酶同樣的活性，可惜這個重要的發現長期以來沒有得到酶學家的重視。系統地進行酶的固定化研究則是從20世紀50年代開始的。1953年Grubhofer和Schleith將聚氨基苯乙烯樹脂重氮化，然後將澱粉酶、羧肽酶、、胃蛋白酶和核糖核酸酶等酶與這種載體結合，製成了固定化酶。六十年代後期，酶固定化技術迅速發展，出現了很多新的酶固定化方法。1969年，日本的著名學者千畑一郎等將固定化氨基醯化酶應用於DL-氨基酸的光學拆分上，來生產L-氨基酸，開創了固定化酶應用於工業生產的先例。在20世紀60年代後期對酶的固定化研究主要是將酶與水不溶性載體結合起來，成為不溶於水的酶衍生物，所以最初曾稱為水不溶酶（waterinsolubleenzyme）和固相酶（solidphaseenzyme）。但是隨著理論與技術的發展，後來發現也可以將溶解狀態的酶固定在一個有限的空間使其不能自由移動，也能達到固定酶的作用。如把酶包埋在凝膠內，酶本身是可溶的，因此，用水不溶酶和固相酶的名稱就不恰當了。所以在1971年召開的第一屆國際酶工程會議上，建議採用統一的英文名稱ImmobilizedEnzyme。用於固定化的酶，起初都是採用經提取和分離純化後的酶，後來隨著固定化技術的發展，作為固定化的對象已不一定是酶，也可對含酶細胞或細胞器進行固定化。1973年，日本的千畑一郎等成功的使用固定化大腸桿菌菌體中的天冬氨酸酶，由反丁烯二酸連續生產L-天冬氨酸，將固定化微生物細胞首次應用於工業生產，使細胞固定化技術迅速發展1986年，我國科學家利用固定化原生質體發酵生產鹼性磷酸酶和葡萄糖氧化酶等相繼獲得成功。目前，固定化技術已經取得了許多重要成果，充分發揮了固定化酶和固定化細胞在改革工藝和降低成本方面的巨大潛力。但從目前的發展狀況來看，儘管酶種類繁多，但已經固定化的酶卻相對有限，採用固定化酶技術大規模生產的企業尚屬少數，真正在工業上使用的固定化酶還僅限於葡萄糖異構酶、葡萄糖氧化酶和青黴素醯化酶等為數不多的十幾個酶種，故仍需大力研究開發使更多的固定化酶和細胞能適用於工業規模生產。4.3固定化酶的製備方法固定化酶的製備方法、製備材料多種多樣，不同的製備方法和材料，固定化後酶的特性不同。對於特定的目標酶，要根據酶自身的性質、應用目的、應用環境來選擇固定化載體和方法。在具體選擇時，一般應遵循以下幾個原則。

（1）必須注意維持酶的構象，特別是活性中心的構象。酶的催化反應取決於酶本身蛋白質分子所特有的高級結構和活性中心，為了不損害酶的催化活性及專一性，酶在固定化狀態下發揮催化作用時，既需要保證其高級結構，又要使構成活性中心的氨基酸殘基不發生變化。這就要求酶與載體的結合部位不應當是酶的活性部位，應避免活性中心的氨基酸殘基參與固定化反應；另外，由於酶蛋白的高級結構是憑藉疏水鍵、氫鍵、鹽鍵等較弱的鍵維持的，所以固定化時應採取盡可能溫和的條件，避免那些可能導致酶蛋白高級結構破壞的條件，如高溫、強酸、強鹼、有機溶劑等處理。（2）酶與載體必須有一定的結合程度。酶的固定化既不影響酶的原有構象，又能使固定化酶能有效回收貯藏，利於反復使用。（3）固定化應有利於自動化、機械化操作。這要求用於固定化的載體必須有一定的機械強度，才能使之在製備過程中不易破壞或受損。（4）固定化酶應有最小的空間位阻。固定化應盡可能不妨礙酶與底物的接近，以提高催化效率和產物的量。（5）固定化酶應有最大的穩定性。在應用過程中，所選載體應不和底物、產物或反應液發生化學反應。（6）固定化酶的成本適中。工業生產必須要考慮到固定化成本，要求固定化酶應是廉價的，以利於工業使用。酶的固定化方法主要可分為四類：吸附法、包埋法、共價鍵結合法和交聯法等。吸附法和共價鍵結合法又可統稱為載體結合法。4.3.1吸附法吸附法（adsorption）是通過載體表面和酶分子表面間的次級鍵相互作用而達到固定目的的方法，是固定化中最簡單的方法。酶與載體之間的親和力是範德華力、疏水相互作用、離子鍵和氫鍵等。吸附法又可分為物理吸附法和離子吸附法。物理吸附法(physicaladsorption)是通過物理方法將酶直接吸附在水不溶性載體表面上而使酶固定化的方法。是製備固定化酶最早採用的方法，如α-澱粉酶、糖化酶、葡萄糖氧化酶等都曾採用過此法進行固定化。物理吸附法常用的有機載體如纖維素、膠原、澱粉及麵筋等；無機載體如活性炭、氧化鋁、皂土、多孔玻璃、矽膠、二氧化鈦、羥基磷灰石等。（1）物理吸附法物理吸附法制備固定化酶，操作簡單、價廉、條件溫和，載體可反復使用，酶與載體結合後，活性部位及空間構象變化不大，故所制得的固定化酶活力較高。但由於靠物理吸附作用，酶和載體結合不牢固，在使用過程中容易脫落，所以使用受到限制。常與交聯法結合使用。離子吸附法(ionadsorption)是將酶與含有離子交換基團的水不溶性載體以靜電作用力相結合的固定化方法，即通過離子鍵使酶與載體相結合的固定化方法。此法固定的酶有葡萄糖異構酶、糖化酶、β-澱粉酶、纖維素酶等，在工業上用途較廣。如最早應用於工業化生產的氨基醯化酶，就是使用多糖類陰離子交換劑二乙基氨基乙基(DEAE)-葡聚糖凝膠固定化的。此外，DEAE-纖維素吸附的α-澱粉酶、蔗糖酶已作為商品固定化酶。（2）離子吸附法離子吸附法所使用的載體是某些離子交換劑。常用的陰離子交換劑有DEAE-纖維素、混合胺類(ECTEOLA)-纖維素、四乙氨基乙基(TEAE)-纖維素、DEAE-葡聚糖凝膠、AmberliteIRA-93、410、900等；陽離子交換劑有羧甲基(CM)-纖維素、纖維素檸檬酸鹽、AmberliteCG-50、IRC-50、IR-200、Dowex-50等。其吸附容量一般大於物理吸附劑。離子吸附法具有操作簡便、條件溫和、酶活力不易喪失等優點。此外，吸附過程同時可以純化酶。4.3.2包埋法包埋法（entrapment）是將酶包埋在高聚物的細微凝膠網格中或高分子半透膜內的固定化方法。前者又稱為凝膠包埋法，酶被包埋成網格型；後者又稱為微膠囊包埋法，酶被包埋成微膠囊型。（1）凝膠包埋法凝膠包埋法常用的載體有海藻酸鈉凝膠、角叉菜膠、明膠、瓊脂凝膠、卡拉膠等天然凝膠以及聚丙烯醯胺、聚乙烯醇和光交聯樹脂等合成凝膠或樹脂。（2）微膠囊包埋法微膠囊包埋即將酶包埋在各種高聚物製成的半透膜微膠囊內的方法。它使酶存在於類似細胞內的環境中，可以防止酶的脫落，防止微囊外的環境直接接觸，從而增加了酶的穩定性。常用於製造微膠囊的材料有聚醯胺、火棉膠、醋酸纖維素等。用微膠囊包埋法制得的微囊型固定化酶的直徑通常為幾微米到數百微米，膠囊孔徑為幾埃至數百埃，適合於小分子為底物和產物的酶的固定化。如脲酶、天冬醯胺酶、尿酸酶、過氧化氫酶等。其製造方法有介面聚合法、介面沉澱法、二級乳化法、液膜（脂質體）法等。4.3.3共價鍵結合法共價鍵結合法(covalentbinding）是將酶與聚合物載體以共價鍵結合的固定化方法。酶蛋白上可供載體結合的功能基團有以下幾種：（1）酶蛋白N末端的α-氨基或賴氨酸殘基的ε-氨基。（2）酶蛋白C末端的α-羧基、天門冬氨酸殘基的β-羧基以及谷氨酸殘基的γ-羧基。（3）半胱氨酸殘基的巰基。（4）絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基的羥基。（5）組氨酸殘基的咪唑基。（6）色氨酸殘基的吲哚基。（7）苯丙氨酸和酪氨酸殘基的苯環。其中最普遍的共價鍵結合基團是氨基、羧基以及苯環。常用來和酶共價偶聯的載體的功能基團有芳香氨基、羥基、羧基和羧甲基等。這種方法是固定化酶研究中最活躍的一大類方法，但必須注意，參加共價結合的氨基酸殘基應當是酶催化活性非必需基團，如若共價結合包括了酶活性中心有關的基團，會導致酶的活力損失。（1）重氮法重氮法是將酶蛋白與水不溶性載體的重氮基團通過共價鍵相連接而固定化的方法，是共價鍵法中使用最多的一種。常用的載體有多糖類的芳族氨基衍生物、氨基酸的共聚體和聚丙烯醯胺衍生物等。（2）疊氮法即載體活化生成疊氮化合物，再與酶分子上的相應基團偶聯成固定化酶。含有羥基、羧基、羧甲基等基團的載體都可用此法活化。如CMC、CM-sephadex（交聯葡聚糖）、聚天冬氨酸、乙烯-順丁烯二酸酐共聚物等都可用此法來固定化酶，其中使用最多的是羧甲基纖維素疊氮法。（3）溴化氰法即用溴化氰將含有羥基的載體，如纖維素、葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠等，活化生成亞氨基碳酸酯衍生物，然後再與酶分子上的氨基偶聯，製成固定化酶。任何具有連位羥基的高聚物都可用溴化氰法來活化。由於該法可在非常緩和的條件下與酶蛋白的氨基發生反應，近年來已成為普遍使用的固定化方法。尤其是溴化氰活化的瓊脂糖已在實驗室廣泛用於固定化酶以及親和層析的固定化吸附劑。

（4）烷化法和芳基化法以鹵素為功能團的載體可與酶蛋白分子上的氨基、巰基、酚基等發生烷基化或芳基化反應而使酶固定化。此法常用的載體有鹵乙醯、三嗪基或鹵異丁烯基的衍生物。從上面介紹的四種製備方法可看出，用共價鍵結合法制備的固定化酶，酶和載體之間都是通過化學反應以共價鍵偶聯。由於共價鍵的鍵能高，酶和載體之間的結合相當牢固，即使用高濃度底物溶液或鹽溶液，也不會使酶分子從載體上脫落下來，具有酶穩定性好、可連續使用較長時間的優點。但是採用該方法時，載體活化的難度較大，操作複雜，反應條件較劇烈，製備過程中酶直接參與化學反應，易引起酶蛋白空間構象變化，酶活回收率一般為30%左右，甚至酶的底物的專一性等性質也會發生變化，往往需要嚴格控制操作條件才能獲得活力較高的固定化酶。現在已有不少活化的商品化酶固定化載體，它們的使用不需做大量的處理工作，商品一般以幹的固定相或預裝柱的形式供應，一般情況下這些固定相已經活化好，酶的固定化只要將酶在合適的pH和其他相關條件下，讓酶迴圈通過柱子便可完成。

4.3.4交聯法交聯法（cross-linking）是使用雙功能或多功能試劑使酶分子之間相互交聯呈網狀結構的固定化方法。由於酶蛋白的功能團，如氨基、酚基、巰基和咪唑基，參與此反應，所以酶的活性中心構造可能受到影響，而使酶失活明顯。但是盡可能地降低交聯劑濃度和縮短反應時間將有利於固定化酶活力的提高。常用的雙功能試劑有戊二醛、己二胺、異氰酸衍生物、雙偶氮聯苯和N,N′-乙烯雙順丁烯二醯亞胺等，其中使用最廣泛的是戊二醛。戊二醛和酶蛋白中的游離氨基發生Schiff反應，形成薛夫堿，從而使酶分子之間相互交聯形成固定化酶。以上四種固定化酶方法各有其優缺點（見表4-1）。往往一種酶可以用不同方法固定化，但沒有一種固定化方法可以普遍地適用於每一種酶。在實際應用時，常將兩種或數種固定化方法並用，以取長補短。4.4固定化酶的特性4.4.1固定化酶的形狀固定化酶的形式多樣，依不同用途有顆粒、線條、薄膜和酶管等形狀。其中顆粒占絕大多數，它和線條主要用於工業發酵生產，如裝成酶柱用於連續生產，或在反應器中進行批式攪拌反應；薄膜主要用於酶電極，應用於分析化學；酶管機械強度較大，亦宜用於工業生產。4.4.2固定化酶的性質酶在水溶液中以自由的游離狀態存在，但是固定後酶分子便從游離的狀態變為牢固地結合於載體的狀態，其結果往往引起酶的性質的改變。為此，在固定化酶的應用過程中，必須瞭解固定化酶的性質與游離酶之間的差別，並對操作條件加以適當調整。由於固定化的方法不同，固定化酶的活力和性質也有所不同。4.4.3酶活力固定化酶的活力在多數情況下比天然酶的活力低，其原因可能是：①酶活性中心的重要氨基酸殘基與水不溶性載體相結合；②當酶與載體結合時，它的高級結構發生了變化，其構象的改變導致了酶與底物結合能力或催化底物轉化能力的改變；③酶被固定化後，雖不失活，但酶與底物間的相互作用受到空間位阻的影響。也有在個別情況下，酶經固定化後其活力升高，可能是由於固定化後酶的抗抑能力提高使得它反而比游離酶活力高。4.4.4固定化酶的穩定性

游離酶的一個突出缺點是穩定性差，而固定化酶的穩定性一般都比游離酶提高得多，這對酶的應用是非常有利的。其穩定性增強主要表現在如下幾個方面：（1）操作穩定性酶的固定化方法不同，所得的固定化酶的操作穩定性亦有差異。固定化酶在操作中可以長時間保留活力，一般情況下，半衰期在一個月以上，即有工業應用價值。（2）貯藏穩定性固定化可延長酶的貯藏有效期。但長期貯藏，活力也不免下降，最好能立即使用。如果貯藏條件比較好，亦可較長時間保持活力。例如，固定化胰蛋白酶，在0.0025mol/L磷酸緩衝液中，於20℃保存數月，活力尚不損失。（3）熱穩定性熱穩定性對工業應用非常重要。大多數酶在固定化之後，其熱穩定性都有所提高，但也有一些酶的耐熱性反而下降。一般採用吸附法來進行酶的固定化時，有時會導致酶熱穩定性的降低。（4）對蛋白酶的穩定性酶經固定化後，其對蛋白酶的抵抗力提高。這可能是因為蛋白酶是大分子，由於受到空間位阻的影響，不能有效接觸固定化酶。例如，千畑一郎發現，用尼龍或聚脲膜包埋，或用聚丙烯醯胺凝膠包埋的固定化天門冬醯胺酶，對蛋白酶極為穩定，而在同一條件下，游離酶幾乎全部失活。另外固定化後酶對有機試劑和酶抑制劑的耐受性也得到了提高。（5）酸堿穩定性

多數固定化酶的酸堿穩定性高於游離酶，穩定pH範圍變寬。極少數酶固定化後穩定性下降，可能是由於固定化過程使酶活性構象的敏感區受到牽連而導致的。4.4.5固定化酶的反應特性固定化酶的反應特性，例如，底物特異性、酶反應的最適pH、酶反應的最適溫度、動力學常數、最大反應速度等均與游離酶有所不同。（1）底物特異性固定化酶的底物特異性與底物分子量的大小有一定關係。一般來說，當酶的底物為小分子化合物時，固定化酶的底物特異性大多數情況下不發生變化。例如，氨基醯化酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖異構酶等，固定化前後的底物特異性沒有變化；而當酶的底物為大分子化合物時，如蛋白酶、α-澱粉酶、磷酸二酯酶等，固定化酶的底物特異性往往會發生變化。這是由於載體引起的空間位阻作用，使大分子底物難以與酶分子接近而無法進行催化反應，酶的催化活力難以發揮出來，催化活性大大下降；而分子量較小的底物受到空間位阻作用的影響較小，與游離酶沒有顯著區別。酶底物為大分子化合物時，底物分子量不同，對固定化酶底物特異性的影響也不同，一般隨著底物分子量的增大，固定化酶的活力下降。例如，糖化酶用CMC疊氮衍生物固定化時，對分子量8000的直鏈澱粉的活性為游離酶的77％，而對分子量為50萬的直鏈澱粉的活性只有15%～17％。（2）反應的最適pH酶被固定後，其最適pH和pH曲線常會發生偏移，原因可能有以下三個方面：一是酶本身電荷在固定化前後發生變化；二是由於載體電荷性質的影響致使固定化酶分子內外擴散層的氫離子濃度產生差異；三是由於酶催化反應產物導致固定化酶分子內部形成帶電荷微環境。產物性質對固定化酶的最適pH的影響，一般來說，產物為酸性時，固定化酶的最適pH與游離酶相比升高；產物為鹼性時，固定化酶的最適pH與游離酶相比降低。這是由於酶經固定化後產物的擴散受到一定的限制所造成的。當產物為酸性時，由於擴散限制，使固定化酶所處微環境的pH與周圍環境相比較低，需提高周圍反應液的pH值，才能使酶分子所處的催化微環境達到酶反應的最適pH，因而，固定化酶的最適pH比游離酶的最適pH高一些；反之，產物為鹼性時，固定化酶的最適pH比游離酶的pH為低。（3）反應的最適溫度固定化酶的最適反應溫度多數較游離酶高，如色氨酸酶經共價結合後最適溫度比固定前提高5～15℃，但也有不變甚至降低的。固定化酶的作用最適溫度會受固定化方法以及固定化載體的影響。（4）米氏常數米氏常數Km反映了酶與底物的親和力。酶經固定化後，酶蛋白分子的高級結構的變化以及載體電荷的影響可導致底物和酶的親合力的變化。使用載體結合法制成的固定化酶Km有時變動的原因，主要是由於載體與底物間的靜電相互作用的緣故。（5）最大反應速度

固定化酶的最大反應速度與游離酶大多數是相同的。有些酶的最大反應速度會因固定化方法的不同而有所差異。4.5固定化活細胞利用胞內酶製作固定化酶時，先要把細胞破碎，才能將裏面的酶提取出來，這就增加了工序和成本，且提取的酶往往不夠穩定。因此人們設想直接固定那些含有所需胞內酶的細胞，並且就用這樣的細胞來催化化學反應。20世紀70年代，在固定化酶的基礎上科學家們研製成固定化細胞（ImmobilizedCell），並且用於生產。70年代末，法國研究成功固定化細胞生產啤酒，80年代初我國居乃琥等用固定化細胞批量生產啤酒和酒精取得重要研究成果。固定化細胞按其生理狀態又可分為固定化死細胞和活細胞兩大類。最初固定化的細胞是死細胞或靜止態細胞，只利用其酶活性，近年來發展到固定化活細胞。前者經固定化後，雖然整個細胞活力消失，但是，需要利用的“目的酶”仍保持催化活力；而後者經固定化後，細胞仍保存活性，能進行正常的生長、繁殖和新陳代謝，所以稱為固定化活細胞或固定化增殖細胞。例如，瓊脂包埋的酵母細胞數初時為106個/m3，在營養培養基裏培養兩天後，細胞數可達109～1010個/m3。與酶的固定化相比，固定化細胞保持了胞內酶系的原始狀態與天然環境，有效地利用游離細胞完整的酶系統和細胞膜的選擇通透性，既具有固定化酶的優點，又具有其自身的優越性：①無需進行酶的分離和純化，減少酶的活力損失，同時大大降低了成本；②可進行多酶反應，且不需添加輔助因數，固定化細胞不僅可以作為單一的酶發揮作用，而且可以利用菌體中所含的複合酶系完成一系列的催化反應，對於這種多酶系統，輔助因數再生容易；固定化細胞的優越性③對於活細胞來說，保持了酶的原始狀態，酶的穩定性更高，對污染的抵抗力更強；④細胞生長停滯時間短，細胞多，反應快等等。正是由於固定化細胞的這些無可比擬的優勢，儘管其出現遠遠晚於固定化酶，但其應用範圍比固定化酶更為廣泛。固定化細胞的優越性當然，固定化細胞也有其自身的缺點，如：必須保持菌體的完整，需防止菌體的自溶，否則影響產物的純度；必須抑制細胞內蛋白酶對目的酶的分解；胞內多酶的存在，會形成副產物；載體、細胞膜或細胞壁會造成底物滲透與擴散的障礙等。固定化酶和固定化細胞都是以酶的應用為目的，其製備方法也基本相同。固定化活細胞的製備條件比固定化酶更要溫和，其製備方法主要有物理吸附法和包埋法兩種。4.6酶催化反應器及其類型以酶為催化劑進行反應所需要的設備稱之為酶催化反應器，簡稱酶反應器。4.6.1酶反應器的類型酶反應器有兩種類型：一類是直接用游離酶進行反應，即均相酶反應器；另一類是應用固定化酶進行的非均相酶反應器。均相酶反應能在批量式攪拌桶反應器或超濾膜反應器中進行，而非均相酶反應則可在多種反應器中進行，適用於連續催化反應，包括：連續流攪拌桶反應器、填充床反應器、流化床反應器、連續攪拌桶-超濾和迴圈式反應器等。4.6.2反應器的結構特點

這類反應器結構簡單，造價較低，傳質阻力很小，反應能迅速達到穩態，主要應用在飲料等食品工業中。其缺點是操作麻煩，在反復回收過程中固定化酶容易損失，所以工業規模的固定化酶很少採用。但是，常用於游離酶。圖4-2批量式攪拌桶反應器4.6.2.1批量式攪拌桶反應器這種反應器在運轉過程中，底物以恒定的流速流入反應器，與此同時，反應液則以同樣的流速流出反應器。反應桶內裝有攪拌器，使反應組分與固定化酶顆粒混合均一，出口處有過濾膜，可使不斷補充新鮮底物與反應液流量維持動態平衡，如圖4-3。4.6.2.2連續流攪拌桶反應器(ContinuousFlowStirredTandReactor，縮寫CSTR)圖4-3連續流攪拌桶反應器在理想的連續流攪拌桶反應器中，反應液混合良好，各部位的成分相同，並與流出液的組成也一致。CSTR的開放結構使得調換固定化酶比較容易，而且有利於控制溫度和調節pH，還能夠處理膠態或不溶性底物，受底物抑制的固定化酶採用CSTR有較高的轉化率。其缺點是，由攪拌產生的剪切力較大，易打碎磨損固定化酶顆粒。近來對此類型反應器進行了改良，就是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在與攪拌軸一起轉動的金屬網筐內，這樣，既能保證反應液攪拌均勻，同時又不致損壞固定化酶。4.6.2.3填充床反應器(PackedBedReactor，縮寫PBR)圖4-4填充床反應器填充床反應器又稱固定床反應器（如圖4-4）。可填充多向異性半透性中空纖維製成管狀，內部填充酶膜、酶片等。在填充床反應器內，底物在一定方向上以恒定的速度通過固定化酶柱。若柱的橫截面上每一點液體流動的速度完全相同，則可以認為反應器是在理想條件下作為活塞式流動反應器（PlugFlowReactor，PFR）運轉。由於流動方向上存在速度和溫度梯度，在軸方向上存在底物的擴散，所以實際上總是不可能完全符合理想化的條件。4.6.2.4

流化床反應器(FluidzedBedReactor，縮寫為FBR)圖4-5流化床反應器流化床型反應器是—種裝有較小顆粒的垂直塔式反應器。反應時，底物溶液以足夠大的流速，從反應器底部向上通過固定化酶柱床，便能使固定化酶顆粒始終處於流化狀態。其結構如圖4-5。其流動方式使反應液的混合程度介於CSTR的全混型和PFR的平推流型之間。由於反應器內混合程度高，因此，傳熱、傳質情況良好。4.6.2.5連續攪拌桶-超濾反應器(CSTR／UF)圖4-6連續攪拌桶-超濾反應器CSTR／UF結構是CSTR與超濾裝置聯用的酶膜反應器。在CSTR出口處設置一個超濾裝置，通過超濾裝置，酶可以迴圈使用。其結構如圖5-6。該超濾器中的半透性超濾膜只允許小分子產物通過，不允許大分子酶和底物通過。因此，可以將小分子產物與大分子酶和底物分開，有利於產物回收。該反應器適用於顆粒較細的固定化酶、游離酶和細胞以及小分子產物與大分子底物。對這類反應器在技術上的可行性已得到了證實，例如進行纖維素的連續糖化、用α-澱粉酶水解澱粉、用轉化酶水解蔗糖和用青黴素酶把青黴素G轉化成6-氨基青黴烷酸（6-APA）等生化過程。此外，還用於小分子產物（葡萄糖、麥芽糖）與大分子底物（澱粉、纖維素）的分離。4.6.2.6

迴圈反應器（RecycleReactor，RCR）外迴圈反應器內迴圈反應器

迴圈操作仍能為底物與酶提供足夠的接觸機會，以達到所需的轉化率。這種反應器可用於難溶或者不溶性底物的轉化反應。

4.6.3膜式反應器膜式反應器是20世紀70年代以來發展起來的一種新型反應器，它是利用膜的分離功能，同時完成反應和分離過程的一種反應器。4.6.3.1膜式反應器的類型根據酶的存在狀態、相數、膜組件型式、膜材料類型、耦合方式、傳質推動力等的不同，酶膜反應器有不同的分類方式。根據膜組件的型式不同，可把酶膜反應器分為板框式、螺旋卷式、管式和中空纖維式酶膜反應器。以下以螺旋卷膜式反應器和中空纖維膜式反應器為例來說明。（1）螺旋卷膜式反應器此反應器的螺旋結構是將含酶的膜片與支持材料交替地纏繞在中心棒上。所用的膜片一般是膠原蛋白；而支持材料則是一種稱為凡克塞(vexar)的惰性聚合網狀物。後者可以將相鄰的兩層含酶膜片分開來，以防止膜層相互重疊，堵塞流道。把上述螺旋元件裝進圓筒，筒兩端加蓋板，並安裝進出口管，這樣，就製成了螺旋卷膜式反應器。含酶的膜是半透性膜，只允許小分子的底物和產物通過膜，而大分子酶則不能通過。該反應器有許多優點，例如，螺旋模型可將流體流動的單元分隔成許多獨立空間，當底物溶液流經各個獨立空間，並與酶接觸時，均有相同的流體力學條件和停留時間，可改善接觸效果，消除短路；另外，網狀支持材料可以提高每一流動間隔的混合效果，加快物質傳遞。（2）中空纖維膜式反應器這類反應器是把酶結合於半透性的中空纖維上，中空纖維壁的內外結構一般是不同的。其內層是緊密光滑的半透性膜，有一定的分子截留值，可以截留大分子物質如酶，而允許小分子物質通過。其外層是多孔海綿狀的支持層。將酶固定於中空纖維的支持層中，然後，將許多含酶的中空纖維集中成－束，裝進圓筒內，筒兩端封閉，並安裝進出口管道，這樣便製成了中空纖維膜式反應器。用這種固定化酶填充的反應器可以提供較大的催化表面，其缺點是中空纖維的製造極為困難，難以保證纖維束內流體流動的均勻性，以及存在較大的物質傳遞阻力等。4.6.3.2膜式反應器的特點與一般反應器相比，酶膜反應器具有以下優點：（1）反應轉化率不受化學平衡轉化率的限制，這是酶膜反應器最為