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5.2.5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（Enzyme reactor）。
1.酶反应器类型
酶反应器有多种。按照结构的不同可以分为搅拌罐式反应器(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)、喷射式反应器等(表5-7); 酶反应器的操作方式可以分为分批式反应(Batch)、连续式反应(Continuous)和流加分批式反应(Feeding batch),有时还可以将反应器的结构和操作方式结合在一起,对酶反应器进行分类,例如连续搅拌罐式反应器(Continuous stirred tank reactor,CSTR)、分批搅拌罐式反应器(Batch stirred tank reactor,BSTR)等。
第5章现代环境生物技术原理
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各种不同的反应器具有不同的特性和用途,在进行酶催化反应时,要根据酶的特性、底物和产物的特性和生产的要求等对酶反应器进行选择、设计和操作。
第5章现代环境生物技术原理
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（1）搅拌罐式反应器
搅拌罐式反应器是有搅拌装置的一种反应器(图8-1,8-2)。在酶催化反应中是最常用的反应器。它由反应罐、搅拌器和保温装置组成。
搅拌罐式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。
搅拌式反应器的操作方式可以根据需要采用分批式(Batch)、流加分批式(Feeding batch)和连续式(Continuous)3种。与之对应的有分批搅拌罐式反应器和连续搅拌罐式反应器。
第5章现代环境生物技术原理
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1)分批搅拌罐式反应器
采用分批式反应时,是将酶(固定化酶)和底物溶液一次性加到反应器中,在一定条件下反应一段时间,然后将反应液全部取出。分批搅拌罐式反应器的示意图如图5-9所示。
第5章现代环境生物技术原理
分批搅拌罐式反应器设备简单,操作容易,酶与底物混合较均匀,传质阻力较小,反应比较完全,反应条件容易调节控制。
分批式反应器用于游离酶催化反应时,反应后产物和酶混合在一起,酶难于回收利用;用于固定化酶催化反应时,酶虽然可以回收利用,但是反应器的利用效率较低,而且可能对固定化酶的结构造成破坏。
分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。流加分批搅拌罐式反应的装置与分批式反应器的装置相同。只是在操作时,先将一部分底物加到反应器中,与酶进行反应,随着反应的进行,底物浓度逐步降低,然后再连续或分次地缓慢添加底物到反应器中进行反应,反应结束后,将反应液一次全部取出。流加分批式反应也可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。
某些酶的催化反应,会出现高浓度底物的抑制作用,即在高浓度底物存在的情况下,酶活力会受到抑制作用。通过流加分批的操作方式,可以避免或减少高浓度底物的抑制作用。以提高酶催化反应的速率。
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第5章现代环境生物技术原理
2)连续搅拌罐式反应器
连续搅拌罐式反应器的结构示意图如图5-10所示。
连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。在操作时固定化酶置于罐内,底物溶液连续从进口进入,同时,反应液连续从出口流出。在反应器的出口处装上筛网或其他过滤介质,以截留固定化酶,以免固定化酶的流失。也可以将固定化酶装在固定于搅拌轴上的多孔容器中,或者直接将酶固定于罐壁、挡板或搅拌轴上。
连续搅拌式反应器结构简单、操作简便,反应条件的调节和控制较容易,底物与固定化酶接触较好、传质阻力较低、反应器的利用效率较高,是一种常用的固定化酶反应器。但要注意控制好搅拌速度,以免由于强烈搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构受到破坏。
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（2）填充床式反应器
填充床式反应器是一种用于固定化酶进行催化反应的反应器,如图5-11所示。
填充床反应器中的固定化酶堆叠在一起,固定不动,底物溶液按照一定的方向以一定的速度流过反应床, 通过底物溶液的流动,实现物质的传递和混合。
填充床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,可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。
填充床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所受的压力,可以在反应器中间用托板分隔。
第5章现代环境生物技术原理
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（3）流化床反应器
流化床反应器是一种适用于固定化酶进行连续催化反应的反应器,如图5-12所示。
流化床反应器在进行催化反应时,固定化酶颗粒置于反应容器内,底物溶液以一定的速度连续地由下而上流过反应器,同时反应液连续地排出,固定化酶颗粒不断地在悬浮翻动状态下进行催化反应。
在操作时, 要注意控制好底物溶液和反应液的流动速度,流动速度过低时,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。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反应器。
流化床反应器所采用的固定化酶颗粒不应过大,同时应具有较高的强度。
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,对黏度较大反应液也可进行催化反应等特点。
但是,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,放大较为困难。
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（4）鼓泡式反应器
鼓泡式反应器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,如图5-13所示。
鼓泡式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。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。
鼓泡式反应器可以用于连续反应,也可以用于分批反应。
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。
鼓泡式反应器在操作时,气体和底物从反应器底部进入,通常气体需要通过分布器进行分布, 以使气体产生小气泡分散均匀。有时气体可以采用切线方向进入,以改变流体流动方向和流动状态,有利于物质和热量的传递和酶的催化反应。
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（5）膜反应器
膜反应器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, 如图5-14所示。
中空纤维反应器由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组成。中空纤维的内径200～500μm,外径300～900μm。中空纤维的壁上分布许多孔径均匀的微孔,可以截留大分子而允许小分子物质通过。
酶被固定在外壳和中空纤维的外壁之间。培养液和空气在中空纤维管内流动,底物透过中空纤维的微孔与酶分子接触,进行催化反应,小分子的反应产物再透过中空纤维微孔,进入中空纤维管, 随着反应液流出反应器。
收集流出液, 可以从中分离得到所需的反应产物。必要时分离后的流出液可以循环使用中空纤维反应器结构紧凑,集反应与分离于一体,利于连续化生产。但是经过较长时间使用,酶或其他杂质会被吸附在膜上,造成膜的透过性降低, 而且清洗比较困难。
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膜反应器也可以用于游离酶的催化反应。游离酶膜反应器的装置如图5-15所示。
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。
膜反应器所使用的分离膜,可以根据酶分子和产物的分子质量大小,选择适宜孔径的超滤膜,分离膜可以根据需要制成平面膜、直管膜、螺旋膜或中空纤维膜等。
采用膜反应器进行游离酶的催化反应,集反应与分离于一体,一则酶可以回收循环使用,提高酶的使用效率,特别适用于价格较高的酶;二则反应产物可以连续地排出,对于产物对催化活性有抑制作用的酶,就可以降低甚至消除产物引起的抑制作用,可以显著提高酶催化反应的速度。然而分离膜在使用一段时间后,酶和杂质容易吸附在膜上,不但造成酶的损失,而且会由于浓差极化而影响分离速度和分离效果。
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（6）喷射式反应器
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,进行高温短时催化反应的一种反应器,如图5-16所示。
喷射式反应器结构简单、体积小,混合均匀,由于温度高,催化反应速度快,催化效率高,可在短时间内完成催化反应。
喷射式反应器适用于游离酶的连续催化反应。但是只适用于某些耐高温酶的反应。已在高温淀粉酶的淀粉液化反应中广泛应用。
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2.酶反应器的选择
（1）根据酶的应用形式选择反应器
在体外进行酶催化反应时, 酶的应用形式主要有游离酶和固定化酶。酶的应用形式不同, 其所使用的反应器亦有所不同。
1)游离酶反应器的选择
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。
a.游离酶催化反应最常用的反应器是拌罐式反应器。
b.对于有气体参与的酶催化反应,通常采用鼓泡式反应器。
c.对于某些价格较高的酶,由于游离酶与反应产物混在一起,为了使酶能够回收,可以采用游离酶膜反应器。
d.对于某些耐高温的酶,如高温淀粉酶等,可以采用喷射式反应器,进行连续式的高温短时反应。
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2)固定化酶反应器的选择
固定化酶是与载体结合在一定空间范围内进行催化反应的酶,具有稳定性较好,可以反复或连续使用的特点。应用固定化酶进行催化反应,可以选择搅拌罐式反应器、填充床式反应器、鼓泡式反应器、流化床式反应器、膜反应器等。
应用固定化酶进行反应,由于酶不会或者很少流失,为了提高酶的催化效率,通常采用连续反应的操作形式。
在选择固定化酶反应器时,应根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性的不同等而进行选择。
固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管状、螺旋管状等。通常为颗粒状固定化酶。
颗粒状的固定化酶可以采用搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、鼓泡式反应器等进行催化反应。
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采用搅拌罐式反应器时,混合较均匀,传质传热效果好。但是对于机械强度稍差的固定化酶,要注意搅拌桨叶旋转产生的剪切力会对固定化酶颗粒产生损伤甚至破坏。
采用填充床反应器时,单位体积反应床的固定化酶密度大,可以提高酶催化反应的速度和效率。但是填充床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,容易造成阻塞现象。所以对于容易变形或者破碎的固定化酶,要控制好反应器的高度, 为了减少底层固定化酶颗粒所受到的所受的压力,可以在反应器中间用多孔托板进行分隔,以减小静压力。
采用流化床式反应器时,混合效果好,但是消耗的动力较大,固定化酶的颗粒不能太大,密度要与反应液的密度相当,而且要有较高的强度。
鼓泡式反应器适用于需要气体参与的反应。对于鼓泡式固定化酶反应器,由于有气体、液体和固体三相存在,又称为三相流化床式反应器,具有流化床式反应器的特点。
其他平板状、直管状、螺旋管状的反应器一般是作为膜反应器使用。膜反应器集反应和分离于一体,特别适用于小分子反应产物具有反馈抑制作用的酶反应。但是膜反应器容易产生浓差极化而堵塞,清洗较困难。
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(2)根据酶反应动力学性质选择反应器
酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其影响因素的学科,是酶反应条件的确定及其控制的理论根据,对酶反应器的选择也有重要影响。
在考虑酶反应动力学性质对反应器选择的影响方面,主要因素为酶与底物的混合程度、底物浓度对酶反应速度的影响、反应产物对酶的反馈抑制作用以及酶催化作用的温度条件等。
1)酶进行催化反应时,首先酶要与底物结合,然后再进行催化。要使酶能够与底物结合, 就必须保证酶分子与底物分子能够有效碰撞,为此,必须使酶与底物在反应系统中混合均匀。在上述各种反应器中,搅拌罐式反应器、流化床式反应器均具有较好的混合效果。填充床式反应器的混合效果较差。在使用膜反应器时,也可以采用辅助搅拌或者其他方法,以提高混合效果, 防止浓差极化。
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2)底物浓度的高低对酶反应速度有显著影响,在通常情况下,酶反应速度随底物浓度的增加而升高。所以在酶催化反应过程中底物浓度都应保持在较高的水平,但是有些酶催化反应,当底物浓度过高时,会对酶产生抑制作用,称为高浓度底物的抑制作用。具有高浓度底物抑制作用的酶,如果采用分批搅拌罐式反应器,可以采取流加分批反应的方式进行反应。通过流加分批的操作方式,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,以提高酶催化反应的速率。
对于具有高浓度底物抑制作用的游离酶,可以采用游离酶膜反应器进行催化反应;而对于具有高浓度底物抑制作用的固定化酶,可以采用连续搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、膜反应器等进行连续催化反应。此时应控制底物浓度在一定的范围,以避免高浓度底物的抑制作用。
第5章现代环境生物技术原理
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3)有些酶催化反应,其反应产物对酶有反馈抑制作用。当产物达到一定浓度后,会使反应速度明显降低。对于这种情况,最好选用膜反应器,由于膜反应器集反应和分离于一体,能够及时地将小分子产物进行分离,就可以明显降低甚至消除小分子产物引起的反馈抑制作用。对于具有产物反馈抑制作用的固定化酶,也可以采用填充床式反应器,由于在这种反应器中,反应溶液基本上是以层流方式流过反应器,混合程度较低,产物浓度按照梯度分布,靠近底物进口的部分,产物浓度较低,反馈抑制作用较弱,只有靠近反应液出口处,产物浓度较高,才会引起较强的反馈抑制作用。
4)某些酶可以耐受100℃以上的高温,最好选用喷射式反应器,利用高压蒸汽喷射,实现酶与底物的快速混合和反应,由于在高温条件下,反应速度加快,反应时间明显缩短,催化效率显著提高。
第5章现代环境生物技术原理
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(3)根据底物或产物的理化性质选择反应器
1)反应底物或产物的分子质量较大时,由于底物或产物难于透过超滤膜的膜孔,所以一般不采用膜反应器。
2)反应底物或者产物的溶解度较低、黏度较高时,应当选择搅拌罐式反应器或者流化床式反应器,而不采用填充床式反应器和膜反应器,以免造成阻塞现象。
3)反应底物为气体时,通常选择鼓泡式反应器。
4)有些需要小分子物质作为辅酶(辅酶可以看作是一种底物)的酶催化反应,通常不采用膜反应器,以免辅酶的流失而影响催化反应的进行。
5)所选择的反应器应当能够适用于多种酶的催化反应,并能满足酶催化反应所需的各种条件, 并可进行适当的调节控制。
6)所选择的反应器应当尽可能结构简单、操作简便、易于维护和清洗。
7)所选择的反应器应当具有较低的制造成本和运行成本。
第5章现代环境生物技术原理
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3.酶反应器的设计
在酶的催化反应过程中,首先要了解酶催化反应的动力学特性及其各种参数,然后还要根据生产的要求进行反应器的设计。目的是希望设计出生产成本最低、产品的质量和产量最高的酶反应器。
酶反应器的设计主要包括反应器类型的选择,反应器制造材料的选择、热量衡算、物料衡算等。
(1)确定酶反应器的类型
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)确定酶反应器的制造材料
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。
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(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
物料衡算是酶反应器设计的重要任务。主要内容包括以下几点。
1)酶反应动力学参数的确定
酶反应动力学参数是反应器设计的主要依据。在反应器设计之前,就应当根据酶反应动力学特性,确定反应所需的底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH值、激活剂浓度等参数。
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其中,底物浓度对酶催化反应速度有很大影响。通常当底物浓度较低的情况下,酶催化反应速度随底物浓度的升高而升高, 当底物达到一定浓度后, 反应速度达到最大值,即使再增加底物浓度,反应速度也不再提高。有些酶还会受到高底物浓度的抑制作用。所以底物浓度不是越高越好, 而是要确定一个适宜的底物浓度。
酶浓度对催化反应速度影响很大,通常情况下,酶浓度升高,反应速度加快,但是酶浓度并非越高越好。因为酶浓度增加,用酶量亦增加,过高的酶浓度会造成浪费,提高生产成本。所以要确定一个适宜的酶浓度。
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2)计算底物用量
酶的催化作用是在酶的作用下,将底物转化为产物的过程,所以酶反应器的设计首先要根据产品产量的要求、产物转化率和收得率,计算所需的底物用量。
产品的产量是物料衡算的基础,通常用年产量(P)表示。在物料衡算时,分批反应器一般根据每年实际生产天数(一般按每年生产300天计算),转换为日产量(Pd)进行计算。对于连续式反应器,一般采用每小时获得的产物量(Ph)进行衡算。即:
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产物转化率的高低直接关系到生产成本的高低,与反应条件、反应器的性能和操作工艺等有关,在设计反应器的时候,就要充分考虑如何提高产物转化率。
收得率(R)是指分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。即:
收得率的高低与生产成本密切相关,主要决定于分离纯化技术及其工艺条件。在反应器设计进行底物用量的计算时是一个重要的参数。
根据所要求的产物产量、产物转化率和产物收得率,可以按照下式计算所需的底物用量。即:
式中: S-所需的底物用量(kg,g);P-反应产物的产量(kg,g);YP/S-产物转化率(%);R -产物收得率(%)。
在计算所需的底物量时,要注意产物产量的单位,分批反应器通常采用日产量(Pd),则计算得到的是每天需要的底物用量(Sd);连续反应器一般采用时产量(Ph),则计算得到的是每小时所需的底物用量(Sh);如果采用年产量,则计算得到的是全年所需的底物用量。
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3)计算反应液总体积
根据所需的底物用量和底物浓度,就可以计算得到反应液的总体积。即:
式中: Vt-反应液总体积(L);S-底物用量(g);[S]-反应前的底物浓度(g/L)。
对于分批反应器,反应液的总体积,一般以每天获得的反应液总体积(Vd)表示。而对于连续反应器,则以每小时获得的反应液总体积(Vh)表示。
4)计算酶用量
根据催化反应所需的酶浓度和反应液体积,就可以计算所需的酶量。所需的酶量为 所需的酶浓度与反应液体积的乘积。即:
式中: E-所需的酶量(U);[E]-酶浓度(U/L);Vt-反应液体积(L)。
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5)计算反应器数目
在酶反应器的设计过程中,选定反应器类型和计算得到反应液总体积以后,要根据生产规模、生产条件等确定反应器的有效体积( V0) 和反应器的数目。
根据上述计算得到的反应液总体积,一般不采用一个足够大的反应器,而是采用2个以上的反应器。为了便于设计和操作,通常要选用若干个相同的反应器。这就要确定反应器的有效体积和反应器的数目。
反应器的有效体积是指酶在反应器中进行催化反应时,单个反应器可以容纳反应液的最大体积,一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%～80%。
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4.酶反应器的操作
(1)酶反应器操作条件的确定及其调控
1)反应温度的确定与调节控制
一般酶反应器中均设计、安装有夹套或列管等换热装置,里面通进一定温度的水,通过热交换作用,保持反应温度恒定在一定的范围内。
2)pH值的确定与调节控制
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值,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,一般将调节好的pH值的底物溶液(必要时可以采用缓冲溶液) 连续加到反应器中。
有些酶催化反应前后的 pH值变化不大,如α-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精,在反应过程中不需进行pH值的调节;而有些酶的底物或者产物是一种酸或碱,反应前后pH值的变化较大,必须在反应过程中进行必要的调节。pH值的调节通常采用稀酸或稀碱进行,必要时可以采用缓冲溶液以维持反应液的pH值。
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3)底物浓度的确定与调节控制
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,调节好pH值,将温度调节到适宜的温度,然后加进适量的酶液进行反应;为了防止高浓度底物引起的抑制作用,可以采用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。通过流加分批的操作方式,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,以提高酶催化反应的速率。
对于连续式反应器,则将配置好的一定浓度的底物溶液连续地加进反应器中进行反应, 反应液连续地排出。反应器中底物浓度保持恒定。
4)酶浓度的确定与调节控制
在酶使用过程中,特别是连续使用较长的一段时间以后,必然会有一部分的酶失活,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。
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5)搅拌速度的确定与调节控制
在搅拌罐式反应器和游离酶膜式反应器中,都设计安装有搅拌装置,通过适当的搅拌实现均匀的混合。为此首先要在实验的基础上确定适宜的搅拌速度,并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。搅拌速度过慢,会影响混合的均匀性;搅拌过快,则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甚至破碎,而影响催化反应的进行。
6)流动速度的确定与调节控制
在连续式酶反应器 操作过程中必须确定适宜的流动速度和流动状态,并根据变化的情况进行适当的调节控制。
在流化床式反应器的操作过程中流体在流化床式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和流量以及进液管的方向和排布等方法,加以调节。
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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,在同一个横截面上底物浓度和产物浓度也是一致的。此种反应器又称为活塞流反应器( plug flow reactor, PFR)。这种流动方式,只是通过底物溶液的流动与酶接触,混合效果差。
膜反应器在进行酶催化反应的同时,小分子的产物透过超滤膜进行分离,可以降低或者消除产物引起的反馈抑制作用。然而容易产生浓差极化而使膜孔阻塞。为此,除了以适当的速度进行搅拌以外,还可以通过控制流动速度和流动状态,使反应液混合均匀,以减少浓差极化现象的发生。
喷射式反应器反应温度高、时间短、混合好、效率高。可以通过控制蒸汽压力和喷射速度进行调节,以达到最佳的混合和催化效果。
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(2) 酶反应器操作的注意事项
1)保持酶反应器的操作稳定性
在搅拌式反应器中,应保持搅拌速度的稳定,不要时快时慢;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度不要变化太大;此外,反应温度、反应液pH值等亦应尽量保持稳定,以保持反应器恒定的生产能力。
2)防止酶的变性失活
引起酶变性失活的因素主要有温度、pH值、重金属离子以及剪切力等。
温度：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。
pH：酶反应器操作中反应液的pH值应当严格控制在酶催化反应的适宜pH范围内,过高或过低都对催化不利,甚至引起酶的变性失活。在操作过程中进行pH值的调节时,一定要一边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。
第5章现代环境生物技术原理
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重金属离子：在酶反应器的操作过程中,要尽量避免重金属离子的进入,为了避免从原料或者反应器系统中带进的某些重金属离子给酶分子造成的不利影响,必要时可以添加适量的EDTA等金属螯合剂,以除去重金属离子对酶的危害。
剪切力：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,特别是固定化酶结构的破坏;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过渡翻动、碰撞而引起固定化酶的结构破坏。
其它：在操作过程中,可以添加某些保护剂,以提高酶的稳定性; 酶作用底物的存在往往对酶有保护作用。
第5章现代环境生物技术原理
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3)防止微生物的污染
在酶催化反应过程中,由于酶的作用底物或反应产物往往只有一二种,不具备微生物生长、繁殖的基本条件。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,不必在严格的无菌条件下进行操作。但这并不意味着酶反应器的操作过程就不必防止微生物的污染。
不同酶的催化反应,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可能性有很大差别。
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。
有些酶的催化反应温度较高,例如,α-淀粉酶、Taq-DNA聚合酶等的反应温度在50℃以上, 微生物无法生长。
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有些酶催化的pH值较高或较低,例如,胃蛋白酶在pH2的条件下进行催化,碱性蛋白酶在pH9以上催化蛋白质水解反应等,对微生物有抑制作用。
有些酶在有机介质中进行催化,受微生物污染的可能性甚微。
而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,例如淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等,同时反应条件又适合微生物生长繁殖的情况下,必须十分注意防止微生物的污染。
酶反应器的操作必须符合必要的卫生条件,尤其是在生产药用或食用产品时,卫生条件要求较高,应尽量避免微生物的污染。因为微生物的污染不仅影响产品质量,而且微生物的滋生,还会消耗一部分底物或产物、产生无用甚至有害的副产物、增加分离纯化的困难。
第5章现代环境生物技术原理
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在酶反应器的操作过程中,防止微生物污染的主要措施有:
a)保证生产环境的清洁、卫生,要求符合必要的卫生条件。
b)反应器在使用前后,都要进行清洗和适当的消毒处理。
c)在反应器的操作过程中,要严格管理、经常检测、避免微生物污染。
d)必要时,在反应液中添加适当的对酶催化反应和产品质量没有不良影响的物质,以抑制微生物的生长,防止微生物的污染。
第5章现代环境生物技术原理
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