三、固定化酶（細胞）的反應器及應用ImmobilizedEnzyme（Cell）Reactor

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andItsApplications三、固定化酶（細胞）的反應器及應用ImmobilizedE1三、固定化酶（細胞）的反應器1.固定化酶反應器的類型和特點2.固定化酶反應器的選擇依據3.固定化酶反應器的性能評價4.固定化酶反應器的操作三、固定化酶（細胞）的反應器1.固定化酶反應器的類型和特21.固定化酶反應器的類型和特點反應器的形式很多，根據進料和出料的方式，可概括分為間歇式和連續式兩大類，連續式又有兩種基本形式：連續流動攪拌罐式反應器和填充床反應器；還有衍生形式：連續流動攪拌罐—超濾膜反應器、循環反應器和流化床反應器等。1.固定化酶反應器的類型和特點反應器的形式很多，根據進料3各種反應器的示意圖間歇式攪拌罐反應器BSTR連續流動攪拌罐反應器CSTR連續流動攪拌罐—超濾膜反應器CSTR/UF填充床反應循環反應器流化床反應器PBRRCRFBR平推流反應器PFRS為底物、P為產物各種反應器的示意圖間歇式攪拌罐反應器BSTR連續流動攪拌罐反4(a)間歇式攪拌罐反應器(batchstirredtankreactor，BSTR)(b)

連續流動攪拌罐反應器(continuousflowstirredtankreactor，CSTR)(c)連續流動攪拌罐—超濾膜反應器(combinedCSTR/UFreactor，CSTR/UF)(d)填充床反應器或平推流反應器(packedbedreactor，PBR或plug-flowreactor，PFR)(e)循環反應器(recyclereactor，RCR)(f)流化床反應器(fluidizedbedreactor，FBR)(a)間歇式攪拌罐反應器(batchstirredta5間歇式攪拌罐反應器(BSTR)間歇式攪拌罐反應器也稱為分批攪拌反應器這類反應器的結構簡單，主要設有夾套或盤管裝置，以便加熱或冷卻罐內物料，控制反應溫度。這類反應器主要用于游離酶(enzymereactor)反應。間歇式攪拌罐反應器(BSTR)間歇式攪拌罐反應器也稱為分批攪6將酶與底物一起加入反應器內，控制反應條件，待達到預期轉化率后，隨即放料。在這種情況下，一般不回收游離酶。當前在食品和飲料工業中常用這種反應器。將酶與底物一起加入反應器內，控制反應條件，待達到預期轉化率后7如果把固定化酶用于間歇反應器，則每批反應都要從流出液中分離出產物和固定化酶，可以采用過濾或離心法將固液分開。由于酶經過反復循環回收，會失去活性，所以在工業生產中的固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應器。如果把固定化酶用于間歇反應器，則每批反應都要從流出液中分離出8連續流動攪拌罐反應器(CSTR)

連續流動攪拌罐反應器在結構上與間歇式反應器基本相同，只不過是連續進料、連續出料。由于它具有攪拌系統，反應器內的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。

連續流動攪拌罐反應器(CSTR)連續流動攪拌罐反應器在結構9其缺點是，由于攪拌漿產生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞。近來有一種改良的連續流動攪拌罐反應器（CSTR）。其缺點是，由于攪拌漿產生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞10改良的CSTR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，又不致損壞固定化酶。改良的CSTR是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在11填充床反應器(PBR)

PBR（Packedbedreactor）這種反應器的使用最普遍，到目前為止，已發表的固定化酶反應器的研究工作主要集中在填充床反應器。固定化酶通常可以各種形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內。填充床反應器(PBR)PBR（Packedbedrea12它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。近年來，球形微囊體也用于填充床。它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠13在填充床反應器內流體的流動型態接近于平推流(又稱活塞流)流型，所以填充床反應器可近似認為是一種平推（活塞）流反應器(Plug-flowreactor，PFR)。這種反應器運轉時，底物按照一定的方向以恒定流速通過反應床。在填充床反應器內流體的流動型態接近于平推流(又稱活塞流)流型14根據底物的流動方式，又有下向流動、上向流動和循環流動之分。工業生產中，液流方向常用上向方式，這樣可以避免下向流動的液壓對柱床的影響，尤其對生產氣體的反應更為重要。根據底物的流動方式，又有下向流動、上向流動和循環流動之分。工15PBR或PFRpackedbedreactor，PBRplug-flowreactor，PFRPBR或PFRpackedbedreactor，PBR16在填充床式反應器使用過程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底層固定化酶顆粒所受到的壓力，可以在反應器中間用托板分隔。在填充床式反應器使用過程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較17填充床式反應器的優點是設備簡單，操作方便，單位體積反應床的固定化酶密度大。在工業生產中普通使用。填充床式反應器的優點是設備簡單，操作方便，單位體積反應床的固18流化床反應器(FBR)

在流化床反應器（FBR）內，底物溶液以足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態，達到混合的目的。流速應以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應床為宜。在FBR中，由于混合程度高，故傳熱、傳質情況良好。

流化床反應器(FBR)在流化床反應器（FBR）內，底物溶液19FBRFBR可用于處理粘性強和含有固體顆粒的底物，也可用于需要供應氣體或排放氣體的反應。對于停留時間較短的反應也可用FBR。流化床反應器FBRFBR可用于處理粘性強和含有固體顆粒的底物，也可用于需20FBR在實際應用過程中，要注意控制好底物溶液和反應液的流動速度。流動速度過低時，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動狀態；流動速度過高時，則催化反應不完全，甚至會使固定化酶的結構受到損壞。FBR在實際應用過程中，要注意控制好底物溶液和反應液的流動速21FBR為了保證一定的流動速度，并使催化反應更為完全，必要時流出的反應液可以部分循環進入反應器。FBR為了保證一定的流動速度，并使催化反應更為完全，必要時流22FBR流化床式反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和pH的調節控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大的反應液也可進行催化反應等特點。FBR流化床式反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和p23FBR然而，在這種反應器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動狀態，流體流動產生的剪切力以及固定化酶的碰撞會使固定化酶顆粒受到破壞。此外，流體動力學變化較大，參數復雜，故放大反應較為困難。FBR然而，在這種反應器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動狀態24循環反應器(RCR)

RCR這種反應器是讓部分反應液流出，和新加入的底物流入液混合，再進入反應床進行循環。其特點是可以提高液體的流速和減少底物向固定化酶表面傳遞的阻力，可以達到較高的轉化率。當反應底物是不溶性物質時，不可以采用循環反應器。循環反應器(RCR)RCR這種反應器是讓部分反應液流出，和25RCRRCR26連續流動攪拌罐一超濾膜反應器

CSTR/UF是由連續流動攪拌罐反應器和超濾裝置組合而成的反應器。它在連續攪拌反應罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許產物和未曾反應的底物通過，相對分子質量大的酶被截留，可以使酶反復使用。連續流動攪拌罐一超濾膜反應器CSTR/UF是由連續流27CSTR/UF此外這種反應器還可以使相對分子質量小的產物和相對分子質量大的底物分開，使底物徹底轉化。CSTR/UF此外這種反應器還可以使相對分子質量小的產物和相28其他反應器除上述反應器外，還有淤漿反應器、滴流床反應器、氣栓式流動反應器、轉盤式反應器、篩板反應器及不同類型反應器的結合等。其他反應器除上述反應器外，還有淤漿反應器、滴流床反應器、氣栓291.固定化酶反應器的類型和特點2.固定化酶反應器的選擇依據3.固定化酶反應器的性能評價4.固定化酶反應器的操作1.固定化酶反應器的類型和特點302.固定化酶反應器的選擇依據根據固定化酶的形狀來選擇根據底物的物理性質來選擇根據酶反應的動力學特性來選擇根據外界環境對酶的穩定性的影響來選擇根據操作要求及反應器費用來選擇

2.固定化酶反應器的選擇依據根據固定化酶的形狀來選擇31根據固定化酶的形狀來選擇

溶液酶由于回收困難，一般只適用于BSTR。帶有超濾器的CSTR/UF，雖然可以解決反復使用的問題，但是常因超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還可能因為剪切力大而造成酶的失活。根據固定化酶的形狀來選擇溶液酶由于回收困難，一般只適用于B32顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和PBR類型的反應器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于PBR。如果固定化酶容易變形、易粘結或顆粒細小時，采用FBR較為適宜。顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和PBR類型的反應器均可適用33根據底物的物理性質來選擇溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應器都適用；顆粒狀和膠狀底物，往往會堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和RCR以減少底物顆粒的集結、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態。根據底物的物理性質來選擇溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應34對于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過高又會使固定化酶從載體上被剪切下來，所以攪拌速度不能太高。

對于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過高又會使固定化酶從載35根據酶反應的動力學特性來選擇

選擇反應器，必須考慮酶反應的動力學特性。接近平推流特性的填充床反應器(PFR/PBR)，在固定化酶反應器中占有主導地位，它適合于產物對酶活性具有抑制作用的反應。根據酶反應的動力學特性來選擇選擇反應器，必須考慮酶反應的動36PFR（平推流反應器）和CSTR相比，總效率PFR優于CSTR，特別是當產物對反應有抑制作用時，PFR的優越性更顯突出。PFR（平推流反應器）和CSTR相比，總效率PFR優于CST37若底物表現出對酶的活性有抑制作用時，CSTR所受的影響要比PFR少一些。酶反應器的催化反應速度，一般是CSTR型隨攪拌速度加快而增加，PFR型隨流速增加而加快。PFR：平推流反應器若底物表現出對酶的活性有抑制作用時，CSTR所受的影響要比P38根據外界環境對酶的穩定性的影響來選擇

在反應器的運轉過程中，由于在高速攪拌時，高速液流的沖擊，常常會使固定化酶從載體上脫落下來，或由于磨損，引起粒度的減小而影響固定化酶的操作穩定性，其中以CSTR最為嚴重。根據外界環境對酶的穩定性的影響來選擇在反應器的運轉過程中，39為解決這一問題可以改進反應器的設計如把酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網籃內。這些措施均可使酶免遭剪切，減少了外界環境對酶的穩定性的不利影響。

為解決這一問題可以改進反應器的設計40根據操作要求及反應器費用來選擇

有些酶反應需要不斷調整pH，有的需供氧，有的需補充反應物或補充酶。所有這些操作，在CSTR中可無需中斷而連續進行；在其他反應器中則比較困難，需要由特殊設計來解決。根據操作要求及反應器費用來選擇有些酶反應需要不斷調整pH，41BSTR和CSTR的共同特征：結構簡單、操作方便、適用面廣(可用于粘性或不溶性底物的轉化加工)，在底物表現出抑制作用時可獲得較高的轉化產率；但是在產物表現出抑制作用時底物的轉化率就會降低。BSTR可用于溶液酶的催化反應，它的操作也比CSTR簡便。BSTR和CSTR的共同特征：結構簡單、操作方便、適用面廣(42平推流反應器（plug-flowreactor）PFR最突出的優越性在于它有較高的轉化效率，尤其是當產物抑制酶反應時，其轉化效率明顯優于BSTR和CSTR。PFR的缺點是用小顆粒固定化酶時，可能產生壓密現象；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應器不適用。平推流反應器（plug-flowreactor）PFR最突43流化床反應器FBR的優點是物質交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉化，低壓降。但是它消耗動力大，不易直接模仿放大。流化床反應器FBR的優點是物質交換與熱交換特性較好，不引起堵44CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；如果長時間運轉，會使酶的穩定性降低，也容易被超濾膜吸附，并產生濃差極化現象。RCR的轉化率高，可以采用高速液流克服外擴散的限制；但是它的設備成本高。CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；45若考慮反應器的價格，CSTR最便宜，它結構簡單，又具有良好的操作性，適應性強。此外還應考慮固定化酶本身的費用以及在各種反應器中的穩定性。若考慮反應器的價格，CSTR最便宜，它結構簡單，又具有良好的46綜上所述，在反應器的選擇上并無固定模式可循，必須根據上述各項條件綜合權衡，才能做出正確的決定。綜上所述，在反應器的選擇上并無固定模式可循，必須根據上述各項473.固定化酶反應器的性能評價影響酶反應器性能的因素很多，一般可以從以下幾個方面考慮：固定化酶的形狀底物的物理性質固定化酶的穩定性酶反應動力學特性3.固定化酶反應器的性能評價影響酶反應器性能的因素很多，48固定化酶的形狀

通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均適用于CSTR。膜狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應器。固定化酶的形狀通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可49粉狀固定化酶或者易變形、易粘結的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產生高壓力降，而無法實現高流速，此時，可采用流化床反應器(FBR)。FBR---流化床反應器粉狀固定化酶或者易變形、易粘結的固定化酶，由于它們易造成堵塞50底物的物理性質

底物的物理性質是影響選擇反應器的重要因素。可溶性底物適用于各類反應器。難溶底物或者呈膠體溶液底物，易堵塞柱床，可選用FBR。底物的物理性質底物的物理性質是影響選擇反應器的重要因素。51只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護顆粒狀底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態，所以顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護顆粒狀底物和固定化酶在溶液52但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應適當控制攪拌速度。當反應過程需要控制溫度、調節pH時，選用CSTR更為方便。但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應適當控制攪拌速度。53固定化酶穩定性

在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會使酶從載體上脫落下來；或者由于磨損而使粒皮變細，從而影響固定化酶的操作穩定性。其中，尤以CSTR最為嚴重。固定化酶穩定性在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用54解決這一問題的方法是設計特殊的CSTR反應器。如把酶直接粘結在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網筐內。這些措施均可減弱對酶的剪切作用，有利于提高酶的穩定性。解決這一問題的方法是設計特殊的CSTR反應器。55酶反應動力學特性

酶反應動力學特性亦是選擇反應器的一個重要依據。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應器(PBR)，在固定化酶反應器中占有主導地位。酶反應動力學特性酶反應動力學特性亦是選擇反應器的一個重要依56固定床反應器（PBR）適用于有產物抑制的轉化反應，但在有底物抑制的反應系統中，CSTR的性能優于固定床反應器。固定床反應器（PBR）適用于有產物抑制的轉化反應，但在有底物57PBR的流動特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉化反應。循環反應器的回流溶液中含有產物，所以不宜用于有產物抑制的轉化反應。PBR的流動特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉化58反應器的性能評價應盡可能在模擬原生產條件下進行，通過測定活性、穩定性、選擇性、達到的產物產量、底物轉化率等，來衡量其加工制造質量。測定的主要參數有空時、空速、轉化率、生產強度。反應器的性能評價應盡可能在模擬原生產條件下進行，通過測定活性59空時是指底物在反應器中的停留時間，數值上等于反應器體積與底物體積流速之比，又常稱為稀釋率。當底物或產物不穩定或容易產生副產物時，應使用高活性酶，并盡可能縮短反應物在反應器內的停留時間。空時是指底物在反應器中的停留時間，數值上等于反應器體積與底物60空速定義為空時的倒數。空時、空速這兩個指標一般用于連續反應器。空速定義為空時的倒數。61轉化率是指每克底物中有多少被轉化為產物。在設計時，應考慮盡可能利用最少的原料得到最多的產物。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應器內的非理想流動，均有利于選擇性反應。轉化率是指每克底物中有多少被轉化為產物。62使用高濃度的反應物對產物的分離也是有利的，特別是當生物催化劑選擇性高而反應不可逆時更加有利，同時也可以使需分離的溶劑量大大降低。

使用高濃度的反應物對產物的分離也是有利的，特別是當生物催化劑63酶反應器的生產強度以每小時每升反應器體積所生產的產物克數表示，主要取決于酶的特性、濃度及反應器特性、操作方法等。酶反應器的生產強度以每小時每升反應器體積所生產的產物克數表示64使用高酶濃度及減小停留時間有利于生產強度的提高，但并不是酶濃度越高、停留時間越短越好，這樣會造成浪費，在經濟上不合算。使用高酶濃度及減小停留時間有利于生產強度的提高，但并不是酶濃65總體而言，酶反應器的設計應該是在經濟、合理的基礎上提高生產強度。由于酶對熱是相對不穩定的，設計時還應特別注意質與熱的傳遞，最佳的傳質與傳熱的轉移可獲得最大的產率。總體而言，酶反應器的設計應該是在經濟、合理的基礎上提高生產強664.固定化酶反應器的操作在應用酶反應器進行催化反應的過程中，要充分發揮酶的催化功能，除了選用高質量的酶、選擇適宜的酶應用形式、選擇或設計適宜的酶反應器以外，還要在酶反應器的應用過程中，確定適宜的操作條件并根據變化的情況進行適當的調節控制。4.固定化酶反應器的操作在應用酶反應器進行催化反應的過程67酶反應器操作條件的確定及其調節控制酶反應器應用的注意事項酶反應器生產能力下降的原因及對策

酶反應器操作條件的確定及其調節控制68酶反應器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應液的混合與流動等。酶反應器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應69底物濃度的確定與調節控制

酶的催化作用是底物在酶的作用下轉化為產物的過程。底物濃度是決定酶催化反應速度的主要因素。底物濃度的確定與調節控制酶的催化作用是底物在酶的作用下轉化70在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速度與底物濃度成正比，反應速度隨著底物濃度的增加而升高。當底物濃度達到一定的數值時，反應速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向平衡。在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速度與底物濃度成正比，反應71底物濃度過低，反應速度慢；底物濃度過高，反應液的粘度增加。有些酶還會受到高底物濃度的抑制作用。因此，在酶催化反應過程中，要確定一個適宜的底物濃度范圍。底物濃度過低，反應速度慢；底物濃度過高，反應液的粘度增加。有72對于分批式反應器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進反應器，調節pH，將溫度調節到適宜的溫度，然后加進適量的酶液進行反應。對于分批式反應器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進反73為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法，即先將一部分底物和酶加到反應器中進行反應，隨著反應的進行，底物濃度逐步降低以后，再連續或分次地將一定濃度的底物溶液添加到反應器中進行反應。為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法74通過分批流加的操作方式，反應體系中底物濃度保持在較低的水平，可以避免或減少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反應的速率。通過分批流加的操作方式，反應體系中底物濃度保持在較低的水平，75對于連續式反應器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液連續地加進反應器中進行反應，反應器中底物濃度保持恒定，反應液連續地排出。對于連續式反應器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液76酶濃度的確定與調節控制

根據酶反應動力學研究結果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應速度與酶濃度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反應的速度。酶濃度的確定與調節控制根據酶反應動力學研究結果，在底物濃度77然而，酶濃度的提高必然會增加費用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對于價格高的酶，必須綜合考慮反應速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。然而，酶濃度的提高必然會增加費用，所以酶濃度不是越高越好，特78在酶使用過程中，特別是連續使用較長的一段時間以后，必然會有一部分酶失活，所以需要進行補充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，連續式固定化酶反應器應具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結構簡單，操作容易。在酶使用過程中，特別是連續使用較長的一段時間以后，必然會有一79反應溫度的確定與調節控制

酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶的催化反應有一個最適溫度，溫度過低，反應速度減慢；溫度過高，會引起酶的變性失活。因此，在酶反應器的應用過程中，要根據酶的動力學特性，確定酶催化反應的最適溫度，并將反應溫度控制在適宜的溫度范圍內。反應溫度的確定與調節控制酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶80在溫度發生變化時，要及時進行調節。一般酶反應器中均安裝有夾套或列管等換熱裝置，里面通入一定溫度的水，通過熱交換作用，保持反應器中反應液的溫度恒定在一定的范圍內。如果采用噴射式反應器，則通過控制水蒸氣的壓力，以達到控制溫度的目的。在溫度發生變化時，要及時進行調節。一般酶反應器中均安裝有夾套81pH的確定與調節控制

反應液的pH對酶催化反應有明顯影響，由于酶催化反應都有一個最適pH值，pH過高或過低都會使反應速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，在酶催化反應過程中，要根據酶的動力學特性確定酶催化反應的最適pH，并將反應液的pH維持在適宜的范圍內。pH的確定與調節控制反應液的pH對酶催化反應有明顯影響，由82采用分批式反應器進行酶催化反應時，通常在加入酶液之前，先用稀酸或稀堿將底物溶液調節到酶的最適pH，然后加酶進行催化反應；對于在連續式反應器中進行的酶催化反應，一般將調節好pH的底物溶液(必要時采用緩沖溶液配制)連續加到反應器中。采用分批式反應器進行酶催化反應時，通常在加入酶液之前，先用稀83有些酶催化反應前后的pH變化不大，如α-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反應過程中，pH基本恒定，在反應過程中不需進行pH的調節。有些酶催化反應前后的pH變化不大，如α-淀粉酶催化淀粉水解生84而有些酶的底物或者產物是一種酸或堿，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖與氧氣反應生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反應前后pH的變化較大，在反應過程中需進行必要的調節。而有些酶的底物或者產物是一種酸或堿，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄85pH的調節通常采用稀酸溶液或稀堿溶液進行，加入稀酸或稀堿溶液時，要一邊攪拌一邊緩慢添加，以防止局部過酸或過堿，必要時可以采用緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應液的pH。pH的調節通常采用稀酸溶液或稀堿溶液進行，加入稀酸或稀堿溶液86攪拌速度的確定與調節控制

酶在進行催化反應時，首先要與底物結合，然后才能進行催化反應。要使酶能夠與底物結合，就必須保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分子能夠進行有效碰撞，進而互相結合進行催化反應。攪拌速度的確定與調節控制酶在進行催化反應時，首先要與底物結87在攪拌罐式反應器和游離酶膜反應器中，都設計安裝有攪拌裝置，通過適當的攪拌實現均勻的混合。因此，首先要在實驗的基礎上確定適宜的攪拌速度，并根據情況的變化進行攪拌速度的調節。在攪拌罐式反應器和游離酶膜反應器中，都設計安裝有攪拌裝置，通88攪拌速度過慢，會影響混合的均勻性；攪拌過快，產生的剪切力會使酶的結構受到影響，尤其是會使固定化酶的結構破壞，而影響催化反應的進行。攪拌速度過慢，會影響混合的均勻性；攪拌過快，產生的剪切力會使89流動速度的確定與調節控制

在連續式酶反應器中，底物溶液連續地進入反應器，同時反應液連續地排出，通過溶液的流動實現酶與底物的混合和催化。為了使催化反應高效進行，要控制好液體的流速和流動狀態，以保證混合均勻，并且不會影響酶的催化作用。流動速度的確定與調節控制在連續式酶反應器中，底物溶液連續地90對于流化床反應器（FBE），如果流體流速過慢，固定化酶顆粒就不能很好飄浮翻動，甚至沉積在反應器底部，從而影響酶與底物的均勻接觸和催化反應的順利進行，乃至產生阻塞現象，影響底物溶液順利進入反應器。對于流化床反應器（FBE），如果流體流速過慢，固定化酶顆粒就91如果流體流速過高或流動狀態混亂，則固定化酶顆粒在反應器中激烈翻動、碰撞，會使固定化酶的結構受到破壞，以致使酶脫落、流失，從而影響催化反應的進行。如果流體流速過高或流動狀態混亂，則固定化酶顆粒在反應器中激烈92流體在流化床反應器中的流動速度和流動狀態可以通過控制進液口的流體流速和流量，以及進液管的方向和排布等方法，加以調節。流體在流化床反應器中的流動速度和流動狀態可以通過控制進液口的93填充床式反應器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過固定化酶層，其流動速度決定酶與底物的接觸時間和反應的進行程度。填充床式反應器中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流過固定94在反應器的直徑和高度確定的情況下(高徑比)，流速越慢，酶與底物接觸時間越長，反應越完全，但是生產效率越低，因此需要選擇好適宜流速；在反應器的直徑和高度確定的情況下(高徑比)，流速越慢，酶與底95流速過慢，則催化反應速度降低，而降低生產效率，流速過快，則反應不完全，有一部分底物未轉化成產物就被排出，影響轉化效率。流速過慢，則催化反應速度降低，而降低生產效率，流速過快，則反96在理想的操作情況下，填充床式反應器任何一個橫截面上的流體流動速度是相同的，在同一個橫截面上底物濃度和產物濃度也是一致的。這種反應器又稱為活塞流反應器(plugflowreactor，PFR)。在理想的操作情況下，填充床式反應器任何一個橫截面上的流體流動97酶反應器應用的注意事項

在酶反應器的應用過程中，除了控制各種反應條件，還須注意下列問題：(1)保持酶反應器的操作穩定性(2)保持反應器中流體的流動方式和狀態(3)防止酶的變性失活(4)防止微生物的污染

酶反應器應用的注意事項在酶反應器的應用過程中，除了控98保持酶反應器的操作穩定性

在酶反應器的應用過程中，應盡量保持操作的穩定性，以避免反應條件的激烈波動。保持酶反應器的操作穩定性在酶反應器的應用過程中，應盡量保持99在酶的催化反應過程中，酶是反應的主體，必須保證所使用的酶的質量穩定，此外在游離酶反應中，要盡量保持酶的濃度穩定在一定的范圍，在固定化酶反應中，每隔一段時間要檢測酶的活力，并根據變化情況及時進行更換或補充。在酶的催化反應過程中，酶是反應的主體，必須保證所使用的酶的質100在攪拌罐式反應器中，應盡量保持攪拌速度的穩定，不要斷斷續續、時快時慢，否則剪切力的反復變化，會加快酶特別是固定化酶結構的破壞。在攪拌罐式反應器中，應盡量保持攪拌速度的穩定，不要斷斷續續、101在連續式反應器的操作中，應盡量保持流速的穩定，并保持流進的底物濃度和流出的產物濃度不要變化太大，以保證反應液中底物濃度的穩定。在連續式反應器的操作中，應盡量保持流速的穩定，并保持流進的底102在填充床反應器中要防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產生的阻塞現象，在膜反應器中要防止由于濃差極化而產生的膜孔阻塞現象。此外，在反應過程中，要盡量保持反應溫度、反應液pH等的穩定，不要波動太大，以保持反應器恒定的生產能力。

在填充床反應器中要防止由于固定化酶的破碎、擠壓而產生的阻塞現103保持反應器中流體的流動方式和狀態

在酶反應器的應用過程中，應盡量保持液體和氣體的流動方式和狀態，因為流動方式和狀態的改變，會影響底物、產物與酶的接觸狀態，從而影響催化反應的速度。保持反應器中流體的流動方式和狀態在酶反應器的應用過程中，應104防止酶的變性失活

在酶反應器的應用過程中，應當特別注意防止酶的變性失活。引起酶變性失活的因素主要有：溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。防止酶的變性失活在酶反應器的應用過程中，應當特別注意防止酶105溫度酶反應器操作時的溫度是影響酶催化作用的重要因素，較高的溫度可以提高酶催化反應速度，從而增加產物的產率。溫度酶反應器操作時的溫度是影響酶催化作用的重要因素，較高的溫106然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐高溫的酶以外，通常酶催化反應在60℃以下進行，溫度過高會加速酶的變性失活，縮短酶的半衰期和使用時間。然而，酶是一種生物大分子，除了某些耐高溫的酶以外，通常酶催化107因此，酶反應器的操作溫度一般不宜過高，通常在等于或者低于酶催化最適溫度的條件下進行。因此，酶反應器的操作溫度一般不宜過高，通常在等于或者低于酶催108pH在酶反應器的應用過程中，反應液的pH應當嚴格控制在酶催化反應的適宜pH范圍內，除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH4～9的條件下進行催化反應，pH過高或過低都對催化不利，甚至引起酶的變性失活。pH在酶反應器的應用過程中，反應液的pH應當嚴格控制在酶催化109在操作過程中進行pH的調節時，一定要一邊攪拌一邊慢慢加入稀酸或稀堿溶液，以防止局部過酸或過堿而引起酶的變性失活。在操作過程中進行pH的調節時，一定要一邊攪拌一邊慢慢加入稀酸110重金屬離子重金屬離子例如鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+)等會與酶分子結合而引起酶的不可逆變性。因此，在酶反應器的操作過程中，要盡量避免重金屬離子的存在。重金屬離子重金屬離子例如鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+111為了避免從原料或者反應器系統帶進某些重金屬離子給酶分子造成不利影響，必要時可以添加適量的EDTA等金屬螯合劑，以除去重金屬離子對酶的危害。為了避免從原料或者反應器系統帶進某些重金屬離子給酶分子造成不112剪切力在酶反應器的操作過程中，剪切力是引起酶變性失活的一個重要因素。所以在攪拌式反應器的操作過程中，要防止過高的攪拌速度對酶特別是固定化酶結構的破壞；剪切力在酶反應器的操作過程中，剪切力是引起酶變性失活的一個重113在流化床式反應器和鼓泡式反應器的操作過程中，要控制流體的流速，防止固定化酶顆粒的過度翻動和碰撞而引起固定化酶的結構破壞。在流化床式反應器和鼓泡式反應器的操作過程中，要控制流體的流速114保護劑為了防止酶的變性失活，在操作過程中，可以添加某些保護劑，以提高酶的穩定性，例如在淀粉酶的催化過程中添加鈣離子等。保護劑為了防止酶的變性失活，在操作過程中，可以添加某些保護劑115酶作用底物的存在往往對酶有保護作用，所以在操作時一般先將底物溶液加進反應器中，然后再將酶加到底物溶液中進行催化反應。酶作用底物的存在往往對酶有保護作用，所以在操作時一般先將底物116防止微生物的污染

在應用酶反應器進行催化反應過程中，由于酶的作用底物或反應產物往往只有一、二種，一般情況下不具備微生物生長、繁殖的基本條件；防止微生物的污染在應用酶反應器進行催化反應過程中，由于酶的117在酶反應器進行操作時，與微生物發酵和動、植物細胞培養所使用的反應器有所不同，一般不必在嚴格的無菌條件下進行操作，然而這并不意味著酶反應器的操作過程不必防止微生物污染。

在酶反應器進行操作時，與微生物發酵和動、植物細胞培養所使用的118不同酶的催化反應，由于底物、產物和催化條件各不相同，在催化過程中受到微生物污染的可能性存在很大差別。不同酶的催化反應，由于底物、產物和催化條件各不相同，在催化過119一些酶催化反應的底物或產物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，例如，乙醇氧化酶催化乙醇氧化反應，青霉素酰化酶催化青霉素或頭孢菌素反應等，其受微生物污染的情況較少。一些酶催化反應的底物或產物對微生物的生長、繁殖有抑制作用，例120有些酶的催化反應溫度較高，例如，α-淀粉酶，TaqDNA聚合酶等的反應溫度在50℃以上，一般微生物無法生長。有些酶的催化反應溫度較高，例如，α-淀粉酶，TaqDNA聚121有些酶催化反應的pH較高或較低，例如，胃蛋白酶在pH2.0的條件下進行催化，堿性蛋白酶在pH9.0以上催化蛋白質水解反應等，對微生物有抑制作用。有些酶催化反應的pH較高或較低，例如，胃蛋白酶在pH2.0122有些酶可以在非水介質中進行催化反應，例如脂肪酶在有機介質中催化轉酯反應等，在有機介質中，微生物難以生長繁殖，微生物污染的可能性甚微。有些酶可以在非水介質中進行催化反應，例如脂肪酶在有機介質中催123而有些酶催化反應的底物或產物是微生物生長、繁殖的營養物質，例如淀粉酶類催化淀粉水解生成糊精、麥芽糖、葡萄糖等，蛋白酶類催化蛋白質水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等，在反應過程中或者在反應結束后，在適合微生物生長繁殖的情況下，必須注意防止微生物的污染。而有些酶催化反應的底物或產物是微生物生長、繁殖的營養物質，例124酶反應器的操作必須符合必要的衛生條件，尤其是在生產藥用或食用產品時，衛生條件要求較高，應盡量避免微生物的污染。因為微生物的污染不僅影響產品質量，而且微生物的孳生，還會消耗一部分底物或產物，產生無用甚至有害的副產物，還會增加產物分離純化的困難。酶反應器的操作必須符合必要的衛生條件，尤其是在生產藥用或食用125在酶反應器的操作進程中，防止微生物污染的主要措施有：①保證生產環境的清潔、衛生，要求符合必要的衛生條件；②反應器在使用前后，都要進行清洗和適當的消毒處理；在酶反應器的操作進程中，防止微生物污染的主要措施有：126③在反應器的操作過程中，要嚴格管理，經常檢測，避免微生物污染；④必要時，在反應液中適當添加對酶催化反應和產品質量沒有不良影響而又可以殺火或抑制微生物生長的物質，以防止微生物的污染；③在反應器的操作過程中，要嚴格管理，經常檢測，避免微生物污染127⑤在不影響酶催化活性的前提下，選擇在較高的溫度(如45℃以上)，較高或較低的pH條件下進行操作，以防止微生物污染。⑤在不影響酶催化活性的前提下，選擇在較高的溫度(如45℃以上128酶反應器生產能力下降的原因及對策

在酶反應器操作過程中，其生產能力是逐漸下降的。其原因是多方面的，但是，主要原因是固定化酶活性的下降或損失。造成固定化酶活性的損失可能有下列原因：①酶本身的失活；②酶從載體上脫落；③載體的破碎或溶解。

酶反應器生產能力下降的原因及對策在酶反應器操作過程中，其生129在反應器中，酶活力可因變性而失活。酶變性一般是由于受到熱、快速攪拌所產生的高剪切力和泡沫表面張力所引起的。在反應器中，酶活力可因變性而失活。酶變性一般是由于受到熱、快130為了防止變性，操作溫度不宜過高，攪拌速度不宜過快。酶活力還可能由于中毒而喪失。這是由于底物溶液中的重金屬離子等毒物所引起的。為了防止中毒，要求所用試劑和水不含毒物。為了防止變性，操作溫度不宜過高，攪拌速度不宜過快。酶活力還可131反應器容易被微生物污染，而微生物所產生的蛋白酶能使酶活力喪失。為了防止微生物污染，可以提高操作溫度(>45℃)，并使反應液的pH盡量偏離中性。也可以將底物溶液進行過濾除菌，或者用甲苯或甲醛進行處理。反應器容易被微生物污染，而微生物所產生的蛋白酶能使酶活力喪失132顆粒狀固定化酶，特別是微膠囊包埋的固定化酶，如果將它放在攪拌式反應罐中，由于攪拌所產生的剪切力的作用，可以使它破碎。顆粒狀固定化酶，特別是微膠囊包埋的固定化酶，如果將它放在攪拌133如果將它裝進固定床反應器，由于高流速的底物溶液所產生的摩擦力的作用，可以使固定化酶的載體變成小顆粒。這些小顆粒難以停留在反應器中繼續使用。

如果將它裝進固定床反應器，由于高流速的底物溶液所產生的摩擦力134用吸附法制備的固定化酶在反應器中與反應液長時間接觸時，常發生解吸，即酶從載體上脫落下來。如果固定化酶的載體是親水性聚合物，在酶促反應過程中，載體逐漸被溶解。載體的化學結構力求均一，可以避免溶解。用吸附法制備的固定化酶在反應器中與反應液長時間接觸時，常發生135在反應器中，酶的表觀活力可因反應器中液體流動狀態不規則，或者在反應器中分布情況變壞而下降。例如：當反應器中有超濾膜截留大分子物質時，酶或固定化酶可能在出口處積累；如果底物溶液中有油脂、多糖等物質將固定化酶包裹時，酶活力會因此而下降。在反應器中，酶的表觀活力可因反應器中液體流動狀態不規則，或者136四、酶工程在醫藥工業中的應用1.固定化細胞法生產6-氨基青霉烷酸2.固定化酶法生產5’-復合單核苷酸3.固定化酶法生產L-氨基酸四、酶工程在醫藥工業中的應用1.固定化細胞法生產6-氨基青137謝謝！謝謝！138三、固定化酶（細胞）的反應器及應用ImmobilizedEnzyme（Cell）Reactor

techniques

andItsApplications三、固定化酶（細胞）的反應器及應用ImmobilizedE139三、固定化酶（細胞）的反應器1.固定化酶反應器的類型和特點2.固定化酶反應器的選擇依據3.固定化酶反應器的性能評價4.固定化酶反應器的操作三、固定化酶（細胞）的反應器1.固定化酶反應器的類型和特1401.固定化酶反應器的類型和特點反應器的形式很多，根據進料和出料的方式，可概括分為間歇式和連續式兩大類，連續式又有兩種基本形式：連續流動攪拌罐式反應器和填充床反應器；還有衍生形式：連續流動攪拌罐—超濾膜反應器、循環反應器和流化床反應器等。1.固定化酶反應器的類型和特點反應器的形式很多，根據進料141各種反應器的示意圖間歇式攪拌罐反應器BSTR連續流動攪拌罐反應器CSTR連續流動攪拌罐—超濾膜反應器CSTR/UF填充床反應循環反應器流化床反應器PBRRCRFBR平推流反應器PFRS為底物、P為產物各種反應器的示意圖間歇式攪拌罐反應器BSTR連續流動攪拌罐反142(a)間歇式攪拌罐反應器(batchstirredtankreactor，BSTR)(b)

連續流動攪拌罐反應器(continuousflowstirredtankreactor，CSTR)(c)連續流動攪拌罐—超濾膜反應器(combinedCSTR/UFreactor，CSTR/UF)(d)填充床反應器或平推流反應器(packedbedreactor，PBR或plug-flowreactor，PFR)(e)循環反應器(recyclereactor，RCR)(f)流化床反應器(fluidizedbedreactor，FBR)(a)間歇式攪拌罐反應器(batchstirredta143間歇式攪拌罐反應器(BSTR)間歇式攪拌罐反應器也稱為分批攪拌反應器這類反應器的結構簡單，主要設有夾套或盤管裝置，以便加熱或冷卻罐內物料，控制反應溫度。這類反應器主要用于游離酶(enzymereactor)反應。間歇式攪拌罐反應器(BSTR)間歇式攪拌罐反應器也稱為分批攪144將酶與底物一起加入反應器內，控制反應條件，待達到預期轉化率后，隨即放料。在這種情況下，一般不回收游離酶。當前在食品和飲料工業中常用這種反應器。將酶與底物一起加入反應器內，控制反應條件，待達到預期轉化率后145如果把固定化酶用于間歇反應器，則每批反應都要從流出液中分離出產物和固定化酶，可以采用過濾或離心法將固液分開。由于酶經過反復循環回收，會失去活性，所以在工業生產中的固定化酶很少采用間歇式攪拌罐反應器。如果把固定化酶用于間歇反應器，則每批反應都要從流出液中分離出146連續流動攪拌罐反應器(CSTR)

連續流動攪拌罐反應器在結構上與間歇式反應器基本相同，只不過是連續進料、連續出料。由于它具有攪拌系統，反應器內的各組成成分能得到充分混合，分布均一，并與流出液的組成相一致。

連續流動攪拌罐反應器(CSTR)連續流動攪拌罐反應器在結構147其缺點是，由于攪拌漿產生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞。近來有一種改良的連續流動攪拌罐反應器（CSTR）。其缺點是，由于攪拌漿產生的剪切力較大，容易引起固定化酶的破壞148改良的CSTR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，又不致損壞固定化酶。改良的CSTR是將載有酶的圓片聚合物固定在攪拌軸上或者放置在149填充床反應器(PBR)

PBR（Packedbedreactor）這種反應器的使用最普遍，到目前為止，已發表的固定化酶反應器的研究工作主要集中在填充床反應器。固定化酶通常可以各種形狀，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床層內。填充床反應器(PBR)PBR（Packedbedrea150它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠、二乙胺乙基葡聚糖凝膠、膠原蛋白薄膜片等。近年來，球形微囊體也用于填充床。它所使用的載體有多孔玻璃珠、珠狀離子交換樹脂、聚丙烯酰胺凝膠151在填充床反應器內流體的流動型態接近于平推流(又稱活塞流)流型，所以填充床反應器可近似認為是一種平推（活塞）流反應器(Plug-flowreactor，PFR)。這種反應器運轉時，底物按照一定的方向以恒定流速通過反應床。在填充床反應器內流體的流動型態接近于平推流(又稱活塞流)流型152根據底物的流動方式，又有下向流動、上向流動和循環流動之分。工業生產中，液流方向常用上向方式，這樣可以避免下向流動的液壓對柱床的影響，尤其對生產氣體的反應更為重要。根據底物的流動方式，又有下向流動、上向流動和循環流動之分。工153PBR或PFRpackedbedreactor，PBRplug-flowreactor，PFRPBR或PFRpackedbedreactor，PBR154在填充床式反應器使用過程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎，為了減少底層固定化酶顆粒所受到的壓力，可以在反應器中間用托板分隔。在填充床式反應器使用過程中，底層的固定化酶顆粒所受到的壓力較155填充床式反應器的優點是設備簡單，操作方便，單位體積反應床的固定化酶密度大。在工業生產中普通使用。填充床式反應器的優點是設備簡單，操作方便，單位體積反應床的固156流化床反應器(FBR)

在流化床反應器（FBR）內，底物溶液以足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態，達到混合的目的。流速應以能使酶顆粒不下沉，又不致使顆粒溢出反應床為宜。在FBR中，由于混合程度高，故傳熱、傳質情況良好。

流化床反應器(FBR)在流化床反應器（FBR）內，底物溶液157FBRFBR可用于處理粘性強和含有固體顆粒的底物，也可用于需要供應氣體或排放氣體的反應。對于停留時間較短的反應也可用FBR。流化床反應器FBRFBR可用于處理粘性強和含有固體顆粒的底物，也可用于需158FBR在實際應用過程中，要注意控制好底物溶液和反應液的流動速度。流動速度過低時，難于保持固定化酶顆粒的懸浮翻動狀態；流動速度過高時，則催化反應不完全，甚至會使固定化酶的結構受到損壞。FBR在實際應用過程中，要注意控制好底物溶液和反應液的流動速159FBR為了保證一定的流動速度，并使催化反應更為完全，必要時流出的反應液可以部分循環進入反應器。FBR為了保證一定的流動速度，并使催化反應更為完全，必要時流160FBR流化床式反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和pH的調節控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大的反應液也可進行催化反應等特點。FBR流化床式反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和p161FBR然而，在這種反應器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動狀態，流體流動產生的剪切力以及固定化酶的碰撞會使固定化酶顆粒受到破壞。此外，流體動力學變化較大，參數復雜，故放大反應較為困難。FBR然而，在這種反應器中，由于固定化酶不斷處于懸浮翻動狀態162循環反應器(RCR)

RCR這種反應器是讓部分反應液流出，和新加入的底物流入液混合，再進入反應床進行循環。其特點是可以提高液體的流速和減少底物向固定化酶表面傳遞的阻力，可以達到較高的轉化率。當反應底物是不溶性物質時，不可以采用循環反應器。循環反應器(RCR)RCR這種反應器是讓部分反應液流出，和163RCRRCR164連續流動攪拌罐一超濾膜反應器

CSTR/UF是由連續流動攪拌罐反應器和超濾裝置組合而成的反應器。它在連續攪拌反應罐的出口處裝有一半透性的超濾膜，這種膜只允許產物和未曾反應的底物通過，相對分子質量大的酶被截留，可以使酶反復使用。連續流動攪拌罐一超濾膜反應器CSTR/UF是由連續流165CSTR/UF此外這種反應器還可以使相對分子質量小的產物和相對分子質量大的底物分開，使底物徹底轉化。CSTR/UF此外這種反應器還可以使相對分子質量小的產物和相166其他反應器除上述反應器外，還有淤漿反應器、滴流床反應器、氣栓式流動反應器、轉盤式反應器、篩板反應器及不同類型反應器的結合等。其他反應器除上述反應器外，還有淤漿反應器、滴流床反應器、氣栓1671.固定化酶反應器的類型和特點2.固定化酶反應器的選擇依據3.固定化酶反應器的性能評價4.固定化酶反應器的操作1.固定化酶反應器的類型和特點1682.固定化酶反應器的選擇依據根據固定化酶的形狀來選擇根據底物的物理性質來選擇根據酶反應的動力學特性來選擇根據外界環境對酶的穩定性的影響來選擇根據操作要求及反應器費用來選擇

2.固定化酶反應器的選擇依據根據固定化酶的形狀來選擇169根據固定化酶的形狀來選擇

溶液酶由于回收困難，一般只適用于BSTR。帶有超濾器的CSTR/UF，雖然可以解決反復使用的問題，但是常因超濾膜吸附和濃差極化而造成酶的損失，高流速的超濾還可能因為剪切力大而造成酶的失活。根據固定化酶的形狀來選擇溶液酶由于回收困難，一般只適用于B170顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和PBR類型的反應器均可適用，但膜狀和纖維狀的固定化酶僅適用于PBR。如果固定化酶容易變形、易粘結或顆粒細小時，采用FBR較為適宜。顆粒狀和片狀的固定化酶對CSTR和PBR類型的反應器均可適用171根據底物的物理性質來選擇溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應器都適用；顆粒狀和膠狀底物，往往會堵塞填充床，需要采用高流速攪拌的CSTR、FBR和RCR以減少底物顆粒的集結、沉積和堵塞，使底物保持懸浮狀態。根據底物的物理性質來選擇溶解性或濁液性底物，對任何類型的反應172對于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過高又會使固定化酶從載體上被剪切下來，所以攪拌速度不能太高。

對于高流速攪拌的CSTR，如果攪拌速度過高又會使固定化酶從載173根據酶反應的動力學特性來選擇

選擇反應器，必須考慮酶反應的動力學特性。接近平推流特性的填充床反應器(PFR/PBR)，在固定化酶反應器中占有主導地位，它適合于產物對酶活性具有抑制作用的反應。根據酶反應的動力學特性來選擇選擇反應器，必須考慮酶反應的動174PFR（平推流反應器）和CSTR相比，總效率PFR優于CSTR，特別是當產物對反應有抑制作用時，PFR的優越性更顯突出。PFR（平推流反應器）和CSTR相比，總效率PFR優于CST175若底物表現出對酶的活性有抑制作用時，CSTR所受的影響要比PFR少一些。酶反應器的催化反應速度，一般是CSTR型隨攪拌速度加快而增加，PFR型隨流速增加而加快。PFR：平推流反應器若底物表現出對酶的活性有抑制作用時，CSTR所受的影響要比P176根據外界環境對酶的穩定性的影響來選擇

在反應器的運轉過程中，由于在高速攪拌時，高速液流的沖擊，常常會使固定化酶從載體上脫落下來，或由于磨損，引起粒度的減小而影響固定化酶的操作穩定性，其中以CSTR最為嚴重。根據外界環境對酶的穩定性的影響來選擇在反應器的運轉過程中，177為解決這一問題可以改進反應器的設計如把酶直接粘接在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網籃內。這些措施均可使酶免遭剪切，減少了外界環境對酶的穩定性的不利影響。

為解決這一問題可以改進反應器的設計178根據操作要求及反應器費用來選擇

有些酶反應需要不斷調整pH，有的需供氧，有的需補充反應物或補充酶。所有這些操作，在CSTR中可無需中斷而連續進行；在其他反應器中則比較困難，需要由特殊設計來解決。根據操作要求及反應器費用來選擇有些酶反應需要不斷調整pH，179BSTR和CSTR的共同特征：結構簡單、操作方便、適用面廣(可用于粘性或不溶性底物的轉化加工)，在底物表現出抑制作用時可獲得較高的轉化產率；但是在產物表現出抑制作用時底物的轉化率就會降低。BSTR可用于溶液酶的催化反應，它的操作也比CSTR簡便。BSTR和CSTR的共同特征：結構簡單、操作方便、適用面廣(180平推流反應器（plug-flowreactor）PFR最突出的優越性在于它有較高的轉化效率，尤其是當產物抑制酶反應時，其轉化效率明顯優于BSTR和CSTR。PFR的缺點是用小顆粒固定化酶時，可能產生壓密現象；如果底物是不溶性的或粘性的，這類反應器不適用。平推流反應器（plug-flowreactor）PFR最突181流化床反應器FBR的優點是物質交換與熱交換特性較好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的轉化，低壓降。但是它消耗動力大，不易直接模仿放大。流化床反應器FBR的優點是物質交換與熱交換特性較好，不引起堵182CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；如果長時間運轉，會使酶的穩定性降低，也容易被超濾膜吸附，并產生濃差極化現象。RCR的轉化率高，可以采用高速液流克服外擴散的限制；但是它的設備成本高。CSTR/UFR既適用于水溶性酶，也適用于不溶性或粘性底物；183若考慮反應器的價格，CSTR最便宜，它結構簡單，又具有良好的操作性，適應性強。此外還應考慮固定化酶本身的費用以及在各種反應器中的穩定性。若考慮反應器的價格，CSTR最便宜，它結構簡單，又具有良好的184綜上所述，在反應器的選擇上并無固定模式可循，必須根據上述各項條件綜合權衡，才能做出正確的決定。綜上所述，在反應器的選擇上并無固定模式可循，必須根據上述各項1853.固定化酶反應器的性能評價影響酶反應器性能的因素很多，一般可以從以下幾個方面考慮：固定化酶的形狀底物的物理性質固定化酶的穩定性酶反應動力學特性3.固定化酶反應器的性能評價影響酶反應器性能的因素很多，186固定化酶的形狀

通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可采用PBR，而顆粒狀、粉末狀及片狀固定化酶均適用于CSTR。膜狀、纖維狀固定化酶不適用于CSTR。其中，膜狀固定化酶要用螺旋卷膜式反應器。固定化酶的形狀通常呈顆粒狀、片狀、膜狀或纖維狀固定化酶均可187粉狀固定化酶或者易變形、易粘結的固定化酶，由于它們易造成堵塞，并產生高壓力降，而無法實現高流速，此時，可采用流化床反應器(FBR)。FBR---流化床反應器粉狀固定化酶或者易變形、易粘結的固定化酶，由于它們易造成堵塞188底物的物理性質

底物的物理性質是影響選擇反應器的重要因素。可溶性底物適用于各類反應器。難溶底物或者呈膠體溶液底物，易堵塞柱床，可選用FBR。底物的物理性質底物的物理性質是影響選擇反應器的重要因素。189只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護顆粒狀底物和固定化酶在溶液中呈懸浮狀態，所以顆粒狀底物溶液可適用于CSTR。只要攪拌速度足夠高，CSTR能維護顆粒狀底物和固定化酶在溶液190但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應適當控制攪拌速度。當反應過程需要控制溫度、調節pH時，選用CSTR更為方便。但是，攪拌速度過高易打碎固定化酶，因此，應適當控制攪拌速度。191固定化酶穩定性

在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用，常會使酶從載體上脫落下來；或者由于磨損而使粒皮變細，從而影響固定化酶的操作穩定性。其中，尤以CSTR最為嚴重。固定化酶穩定性在反應器操作過程中，由于攪拌或液流的剪切作用192解決這一問題的方法是設計特殊的CSTR反應器。如把酶直接粘結在攪拌軸上，或者把固定化酶放置在與軸相連的金屬網筐內。這些措施均可減弱對酶的剪切作用，有利于提高酶的穩定性。解決這一問題的方法是設計特殊的CSTR反應器。193酶反應動力學特性

酶反應動力學特性亦是選擇反應器的一個重要依據。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反應器(PBR)，在固定化酶反應器中占有主導地位。酶反應動力學特性酶反應動力學特性亦是選擇反應器的一個重要依194固定床反應器（PBR）適用于有產物抑制的轉化反應，但在有底物抑制的反應系統中，CSTR的性能優于固定床反應器。固定床反應器（PBR）適用于有產物抑制的轉化反應，但在有底物195PBR的流動特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉化反應。循環反應器的回流溶液中含有產物，所以不宜用于有產物抑制的轉化反應。PBR的流動特性接近于CSTR，因此也適用于有底物抑制的轉化196反應器的性能評價應盡可能在模擬原生產條件下進行，通過測定活性、穩定性、選擇性、達到的產物產量、底物轉化率等，來衡量其加工制造質量。測定的主要參數有空時、空速、轉化率、生產強度。反應器的性能評價應盡可能在模擬原生產條件下進行，通過測定活性197空時是指底物在反應器中的停留時間，數值上等于反應器體積與底物體積流速之比，又常稱為稀釋率。當底物或產物不穩定或容易產生副產物時，應使用高活性酶，并盡可能縮短反應物在反應器內的停留時間。空時是指底物在反應器中的停留時間，數值上等于反應器體積與底物198空速定義為空時的倒數。空時、空速這兩個指標一般用于連續反應器。空速定義為空時的倒數。199轉化率是指每克底物中有多少被轉化為產物。在設計時，應考慮盡可能利用最少的原料得到最多的產物。只要有可能，使用純酶和純的底物，以及減少反應器內的非理想流動，均有利于選擇性反應。轉化率是指每克底物中有多少被轉化為產物。200使用高濃度的反應物對產物的分離也是有利的，特別是當生物催化劑選擇性高而反應不可逆時更加有利，同時也可以使需分離的溶劑量大大降低。

使用高濃度的反應物對產物的分離也是有利的，特別是當生物催化劑201酶反應器的生產強度以每小時每升反應器體積所生產的產物克數表示，主要取決于酶的特性、濃度及反應器特性、操作方法等。酶反應器的生產強度以每小時每升反應器體積所生產的產物克數表示202使用高酶濃度及減小停留時間有利于生產強度的提高，但并不是酶濃度越高、停留時間越短越好，這樣會造成浪費，在經濟上不合算。使用高酶濃度及減小停留時間有利于生產強度的提高，但并不是酶濃203總體而言，酶反應器的設計應該是在經濟、合理的基礎上提高生產強度。由于酶對熱是相對不穩定的，設計時還應特別注意質與熱的傳遞，最佳的傳質與傳熱的轉移可獲得最大的產率。總體而言，酶反應器的設計應該是在經濟、合理的基礎上提高生產強2044.固定化酶反應器的操作在應用酶反應器進行催化反應的過程中，要充分發揮酶的催化功能，除了選用高質量的酶、選擇適宜的酶應用形式、選擇或設計適宜的酶反應器以外，還要在酶反應器的應用過程中，確定適宜的操作條件并根據變化的情況進行適當的調節控制。4.固定化酶反應器的操作在應用酶反應器進行催化反應的過程205酶反應器操作條件的確定及其調節控制酶反應器應用的注意事項酶反應器生產能力下降的原因及對策

酶反應器操作條件的確定及其調節控制206酶反應器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應液的混合與流動等。酶反應器的操作條件主要包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、反應207底物濃度的確定與調節控制

酶的催化作用是底物在酶的作用下轉化為產物的過程。底物濃度是決定酶催化反應速度的主要因素。底物濃度的確定與調節控制酶的催化作用是底物在酶的作用下轉化208在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速度與底物濃度成正比，反應速度隨著底物濃度的增加而升高。當底物濃度達到一定的數值時，反應速度的上升不再與底物濃度成正比，而是逐步趨向平衡。在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速度與底物濃度成正比，反應209底物濃度過低，反應速度慢；底物濃度過高，反應液的粘度增加。有些酶還會受到高底物濃度的抑制作用。因此，在酶催化反應過程中，要確定一個適宜的底物濃度范圍。底物濃度過低，反應速度慢；底物濃度過高，反應液的粘度增加。有210對于分批式反應器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進反應器，調節pH，將溫度調節到適宜的溫度，然后加進適量的酶液進行反應。對于分批式反應器（BSTR）：首先將一定濃度的底物溶液引進反211為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法，即先將一部分底物和酶加到反應器中進行反應，隨著反應的進行，底物濃度逐步降低以后，再連續或分次地將一定濃度的底物溶液添加到反應器中進行反應。為了防止高濃度底物引起的抑制作用，可以采用逐步流加底物的方法212通過分批流加的操作方式，反應體系中底物濃度保持在較低的水平，可以避免或減少高濃度底物的抑制作用，提高酶催化反應的速率。通過分批流加的操作方式，反應體系中底物濃度保持在較低的水平，213對于連續式反應器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液連續地加進反應器中進行反應，反應器中底物濃度保持恒定，反應液連續地排出。對于連續式反應器（CSTR），則將配制好的一定濃度的底物溶液214酶濃度的確定與調節控制

根據酶反應動力學研究結果，在底物濃度足夠高的條件下，酶催化反應速度與酶濃度成正比，提高酶濃度，可以提高催化反應的速度。酶濃度的確定與調節控制根據酶反應動力學研究結果，在底物濃度215然而，酶濃度的提高必然會增加費用，所以酶濃度不是越高越好，特別是對于價格高的酶，必須綜合考慮反應速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。然而，酶濃度的提高必然會增加費用，所以酶濃度不是越高越好，特216在酶使用過程中，特別是連續使用較長的一段時間以后，必然會有一部分酶失活，所以需要進行補充或更換，以保持一定的酶濃度。因此，連續式固定化酶反應器應具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結構簡單，操作容易。在酶使用過程中，特別是連續使用較長的一段時間以后，必然會有一217反應溫度的確定與調節控制

酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶的催化反應有一個最適溫度，溫度過低，反應速度減慢；溫度過高，會引起酶的變性失活。因此，在酶反應器的應用過程中，要根據酶的動力學特性，確定酶催化反應的最適溫度，并將反應溫度控制在適宜的溫度范圍內。反應溫度的確定與調節控制酶催化作用受溫度的影響非常顯著，酶218在溫度發生變化時，要及時進行調節。一般酶反應器中均安裝有夾套或列管等換熱裝置，里面通入一定溫度的水，通過熱交換作用，保持反應器中反應液的溫度恒定在一定的范圍內。如果采用噴射式反應器，則通過控制水蒸氣的壓力，以達到控制溫度的目的。在溫度發生變化時，要及時進行調節。一般酶反應器中均安裝有夾套219pH的確定與調節控制

反應液的pH對酶催化反應有明顯影響，由于酶催化反應都有一個最適pH值，pH過高或過低都會使反應速度減慢，甚至使酶變性失活。因此，在酶催化反應過程中，要根據酶的動力學特性確定酶催化反應的最適pH，并將反應液的pH維持在適宜的范圍內。pH的確定與調節控制反應液的pH對酶催化反應有明顯影響，由220采用分批式反應器進行酶催化反應時