酶反應器酶工程制藥》酶反應器概述用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備，稱為酶反應器（enzymereactor）功能：提供酶催化反應的場所，并提供合適的反應條件酶反應器消毒原料預處理產物分離提純生物催化劑(酶、細胞)除菌能量熱量產品空氣過程調控酶工程制藥》酶反應器的基本要求評價生物反應器的主要標準生產能力的大小產品質量的高低

——使產品的質量最高，生產成本最低！生物反應器生物催化劑應具有較高的比活和濃度，以達到最大轉化率能用電腦自動檢測和調控，從而獲得最佳的反應條件應具有良好的傳質和混合性能應具有最佳的無菌條件，避免受到雜菌污染酶工程制藥》主要內容酶反應器的類型酶反應器的選擇酶反應器的設計酶反應器的操作酶工程制藥》一、酶反應器的類型

——根據反應器結構的不同分類攪拌罐反應器填充床反應器流化床反應器鼓泡塔反應器膜反應器噴射式反應器酶工程制藥》1、攪拌罐式反應器（stirredtankreactor，STR）最常用的生物反應器，俗稱“發酵罐”反應器組成反應罐攪拌器保溫裝置攪拌式反應器操作方式分批式（batch）流加分批式（feedingbatch）連續式（continuous）反應罐攪拌器保溫裝置酶工程制藥》（1）分批攪拌罐反應器（batchstirredtankreactor，BSTR）底物與酶一次性投入反應器內，反應后，產物一次性取出如果采用固定化酶（細胞），反應完成之后，用過濾法或超濾法回收，再轉入下一批反應攪拌槳剪切力大，可能破壞固定化酶的結構，故一般適用于游離酶/細胞操作過程染菌的幾率較小SubtrateCells時間濃度0酶工程制藥》（2）連續攪拌罐反應器（continuousstirredtankreactor，CSTR）僅適用于固定化酶（細胞）向反應器投入固定化酶和底物溶液，不斷攪拌，反應達到平衡之后，再以恒定的流速連續泵入底物溶液，同時以相同流速輸出反應液（含產物）流速保持恒定，但不能過大反應條件調節、控制較容易染菌風險高，料液和管路的無菌要求高SubtrateCells時間濃度0酶工程制藥》攪拌罐反應器的特點結構簡單內容物混合均勻，傳質阻力較小反應條件容易控制對可溶性、不溶性底物均適用，也適用于膠體狀底物攪拌動力消耗大固定化酶的結構容易受剪切力影響而破壞酶工程制藥》2、填充床反應器（packedbedreactor，PBR）把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床（填充床，可直立或平放）內，底物按一定方向以恒定流速通過床層，反應后產物以同樣恒定的流速流出床層內的流動接近“平推流”沿流動方向，底物和產物濃度是逐漸變化的，但在理想情況下，同一橫截面上濃度相同SubtrateProduct軸向位移x濃度0酶工程制藥》循環式填充床反應器

將填充床和循環槽偶聯，不斷補充含有底物的新鮮料液，并及時分離出產物，可以減少產物抑制，保證產物的連續生產。酶工程制藥》填充床反應器的特點單位體積催化劑負載量高，催化效率高可減少產物抑制流體垂直向下流動時，底部的固定化酶顆粒受到床層壓力較大（床層的垂直壓降），顆粒容易破碎流體在床層內微觀流動形態復雜，存在“溝流”和“短路”現象，特別是顆粒不均一或填充不均勻時床層有發生堵塞的可能酶工程制藥》3、流化床反應器 （fluidizedbedreactor，FBR）通過流體至下而上的流動使固定化酶顆粒在懸浮翻騰狀態下進行催化反應的反應器液體的混合程度介于CSTR

和

PBR之間顆粒大小、密度差異不能太大，否則易被“吹出”酶工程制藥》循環式流化床反應器

將流化床和循環槽偶聯，使底物循環利用，并可減少產物抑制，保證產物的連續生產。操作時應控制好料液的流動速率，以防小顆粒被吹出。酶工程制藥》流化床反應器的特點具有良好的傳質及傳熱性能，反應條件控制較容易床層壓降小，不易堵塞，適于處理黏度高的液體能處理粉末狀底物顆粒酶易機械破損單位體積內催化劑密度低需保持一定流速，運行成本高酶工程制藥》4、鼓泡塔反應器（bubblecolumnreactor，BCR）利用反應器底部通入的氣體產生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用的反應器無攪拌器，靠氣流作用攪拌適用于游離/固定化酶（細胞）氣體入口處有氣流分布器，產生分散均勻的小氣泡酶工程制藥》鼓泡塔反應器的型式簡單鼓泡式內循環式外循環式酶工程制藥》鼓泡塔反應器的特點氣－液－固三相系統，涉及氣體吸收或產生的反應，采用此類型反應器效果較好氣－液傳質、傳熱效果好可用于連續反應，也可用于分批反應剪切力小，對結構較脆弱的細胞和固定化載體有利單位體積內催化劑密度低酶工程制藥》5、膜反應器

（membranereactor，MR）將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應器游離酶和固定化酶均適用膜反應器分類平板狀或螺旋狀反應器轉盤型反應器空心酶管反應器中空纖維膜反應器超濾膜反應器酶工程制藥》（1）中空纖維膜反應器數千根醋酸纖維制成的中空纖維管固定在反應器中內徑200～500

m，外徑300～900

m內層緊密光滑，多微孔，具一定分子量截留值（截留酶/細胞）外層為多孔海綿狀支持層，酶固定于此（或內外相反）酶工程制藥》工作原理

培養基和空氣從中空纖維膜的內腔流入，底物透過纖維內壁上的微孔進入固定化催化劑層，經酶或細胞催化生成產物，再經微孔，流入中空纖維。固定化酶或細胞因體積大，無法透過纖維膜孔而被截留。酶工程制藥》操作方式反沖式反循環式酶工程制藥》（2）超濾酶膜反應器

將超濾膜分離器與連續攪拌式反應器（CSTR）偶聯，將酶和小分子底物/產物通過超濾分離，由于酶分子量大，不能透過超濾膜而被截留，可循環使用。透過超濾膜的產物和部分未反應完全的底物再進入下一工序進行分離。酶工程制藥》膜反應器的特點游離酶和固定化酶均適用催化劑（酶、細胞）與底物、產物分離容易可作用于膠態或不溶性底物，特別是產物對酶有抑制作用時酶易在膜上吸附損失或濃縮極化膜會因為污染或微孔堵塞而導致工作能力下降放大成本高昂酶工程制藥》6、噴射式反應器（projectionalreactor，PR）利用高壓蒸汽噴射作用，實現酶與底物混合，進行高溫瞬時反應的一種反應器適用面較狹窄，僅用于耐高溫游離酶的連續催化反應酶工程制藥》反應器類型操作方式適用酶優點缺點酶反應器特點小結酶工程制藥》酶反應器特點小結反應器類型操作方式適用酶主要特點攪拌罐分批、流加、連續式游離酶固定化酶設備簡單，操作方便；酶與底物混合較均勻；傳質阻力小；反應條件易控填充床連續式固定化酶設備簡單，操作方便；單位體積內催化劑密度高；床層有一定壓降流化床連續式固定化酶混合均勻，傳熱傳質效果好；不易堵塞，可處理黏度較大的料液鼓泡塔分批、流加、連續式游離酶固定化酶剪切力小；混合效果好，傳熱傳質效率高；適用于有氣體參與的反應膜反應器連續式游離酶固定化酶集反應和分離于一體，效率高；膜孔容易堵塞；存在濃差極化現象；放大成本高噴射式連續式游離酶瞬時催化，僅適用于耐高溫游離酶酶工程制藥》二、酶反應器的選擇依據酶的應用形式游離酶固定化酶依據酶反應動力學性質依據底物/產物理化性質其他考慮因素操作的簡便性運行的經濟性酶工程制藥》酶反應器的選擇——酶的應用形式游離酶適用的反應器特點：均相反應常用：攪拌罐式反應器有氣體參與：鼓泡塔反應器昂貴的酶：膜反應器——酶回收較容易耐高溫酶：噴射式反應器不宜采用的反應器填充床式反應器流化床式反應器酶工程制藥》酶反應器的選擇——酶的應用形式固定化酶適用的反應器特點：非均相反應，多采用連續式操作影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩定性顆粒狀固定化酶/細胞攪拌罐反應器——槳葉剪切力大，對顆粒有機械強度要求填充床反應器——顆粒堆積密度大；床層壓降大流化床反應器——混合效果好；動力消耗大；有機械強度要求鼓泡塔反應器——即“三相流化床”非顆粒狀固定化酶/細胞——膜反應器不宜采用的反應器噴射式反應器酶工程制藥》酶反應器的選擇——依據酶反應動力學性質影響因素：1)酶與底物的混合程度要使酶與底物有效結合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞混合效果好攪拌罐反應器流化床反應器鼓泡塔反應器混合效果較差填充床反應器膜反應器改善混合特性——輔助攪拌酶工程制藥》酶反應器的選擇——依據酶反應動力學性質影響因素：2)底物濃度及其抑制作用底物的濃度受其對酶抑制情況的制約防止底物濃度過高游離酶膜反應器連續式操作攪拌罐反應器流加式操作/連續式操作固定化酶攪拌罐反應器填充床反應器流化床反應器膜反應器連續操作酶工程制藥》酶反應器的選擇——依據酶反應動力學性質影響因素：3)產物濃度及其抑制作用產物的過度積累造成抑制設法將產物移出反應器游離酶——膜反應器固定化酶——膜反應器、填充床反應器影響因素：4)酶反應溫度耐高溫酶噴射式反應器優點：加速反應，縮短反應時間，催化效率高酶工程制藥》酶反應器的選擇——依據底物/產物理化性質底物/產物的物理狀態溶解狀態（包括乳濁液）顆粒態高黏度液體含氣體分子量較大具有輔酶的反應適用于各類反應器宜采用攪拌罐/流化床反應器

宜采用鼓泡塔反應器

一般不采用膜反應器

一般不采用膜反應器酶工程制藥》三、酶反應器的設計設計目的設計出一個既能發揮生物反應的優點，又可克服一些限制因素，以最低的生產成本，獲得最高的產量和質量的酶反應器設計的原理和依據酶促反應動力學，以及受溫度、壓力、pH等操作參數的影響反應器的型式和反應器內流體的傳遞特性需要的生產量及生產工藝流程

——上述3項組合建立的式子稱為設計方程式或操作方程式酶工程制藥》酶反應器的設計建立數學模型把所要設計和控制的各個變量（設計變量和操作變量）以數量表示，制訂出可進行最優化的定量函數（目標函數或評價函數）反應器設計中的關系式流動特性物料平衡熱量平衡反應動力學動量衡算動量傳遞質量衡算質量傳遞熱量衡算熱量傳遞反應速率“三傳一反”酶工程制藥》酶反應器的設計步驟一：確定反應器類型反應器的選擇步驟二：確定反應器的制造材料一般的產品采用不銹鋼制造容器即可，無特殊要求步驟三：熱量衡算酶催化反應般在30～70oC

常溫下進行，熱量衡算較簡單根據冷卻水的流量和溫度變化來計算噴射式反應器：根據蒸汽的熱焓和用量計算酶工程制藥》酶反應器的設計步驟四：物料衡算

——直接決定了產量和產率(1)確定酶反應動力學參數(2)計算底物用量(3)計算反應液總體積(4)計算酶用量(5)計算反應器數目酶工程制藥》酶反應器的設計——物料衡算(1)確定酶反應動力學參數底物濃度通過米氏方程定量注意底物抑制情況酶濃度考慮生產成本問題，不宜使用過多的酶溫度、pH值采用最適值或在其附近激活劑、抑制劑激活/抑制動力學酶工程制藥》酶反應器的設計——物料衡算(2)計算底物用量產量：以“年產量Py（kg/y）”表示分批式：“日產量Pd（kg/d）”連續式：“每小時產量Ph（kg/h）”產物轉化率YP/S：產物生成量P(kg)與投入底物量S(kg)之比[S0]——反應前的底物濃度，g·L-1[St]——反應后的底物濃度，g·L-1(9-1)(9-2)酶工程制藥》酶反應器的設計——物料衡算(2)計算底物用量收率R：分離得到產物量Psep

和反應生成產物量Pform

之比底物用量S：由產量P、轉化率YP/S

和收率R

計算得到注意：Py、Pd、Ph

和P

的單位是不同的(9-3)(9-4)酶工程制藥》酶反應器的設計——物料衡算(3)計算反應液總體積反應液總體積Vt

由底物用量及其初始濃度計算(4)計算酶的用量所需酶量E

為酶濃度[E]與反應液體積Vt

的乘積注意1：酶的用量以活力單位U

表示注意2：一般從經濟角度來考慮酶的用量(9-5)(9-6)酶工程制藥》酶反應器的設計——物料衡算(5)計算反應器數目反應器的有效體積V0單個反應器可容納反應液的最大體積，一般為總體積的70～80%反應器的生產強度QP（連續式）反應器在單位時間內，單位體積反應液所生產的產物的質量，一般以g·L-1·h-1

為單位Ph——每小時獲得的產物量，g·h-1Vh——每小時獲得的反應液體積，L·h-1(9-7)酶工程制藥》酶反應器的設計——物料衡算(5)計算反應器數目對于分批式反應器，用每天獲得的反應液總體積Vd

表示：對于連續式反應器，用每小時獲得的反應液總體積Vh

表示：或用生產強度QP

計算：(9-8)(9-9)(9-10)酶工程制藥》四、酶反應器的操作反應器操作的要求選擇高品質的酶選擇恰當的酶應用形式選擇和設計合適的酶反應器確定合理的反應操作條件——各因素相互關聯，相互影響！酶工程制藥》酶反應器的操作操作條件確定及其調控反應溫度pH值底物濃度酶濃度攪拌速度流動速度（連續式）酶反應器操作注意事項酶工程制藥》酶反應器的操作條件及其調控反應溫度反應溫度一般維持在酶的最適溫度附近恒溫方法：冷卻/加熱系統pH值保持反應體系的pH值在最適pH值附近分批式反應器：先將底物溶液調到酶最適pH連續式反應器：調好pH的底物溶液連續加到期反應器中加酸/堿調節采用緩沖液維持反應體系pH酶工程制藥》酶反應器的操作條件及其調控底物濃度底物濃度并非越高越好（為什么？）適宜的底物濃度：5～10Km分批式：逐步流加法連續式：控制流動速率使底物濃度保持恒定酶濃度底物量一定時，催化速率與酶濃度成正比酶的成本為限制性因素酶的循環數：使用一段時間后需對酶進行補充更換酶工程制藥》酶反應器的操作條件及其調控攪拌速度攪拌的目的：加強底物與酶的碰撞；強化熱量傳遞控制攪拌速度，防止過快或過慢料液流動速度（連續式反應器）反應器流速快流速慢填充床反應器酶與底物接觸不充分，反應不完全；壓降較大酶和底物接觸時間長，反應完全；生產效率較低流化床反應器物料被吹出；固定化酶結構有可能被破壞物料不能充分流化，影響催化劑與底物的接觸膜反應器濃差極化使膜孔堵塞反應液充分混合，可減少濃差極化；產率較低酶工程制藥》酶反應器操作注意事項保持反應器操作的穩定性(1)控制酶反應器中的流動狀態流動方式不當造成的后果酶與底物接觸不良產生副反應壓降加大，產生溝流或堵塞原因解決辦法攪拌不均或過快，酶分布不均調節攪拌