蛋白質(zhì)與酶工程第七章酶反應(yīng)器

Chapter7

Reactorsforenzymaticcatalysis

酶反應(yīng)器生物反應(yīng)器一、生物反應(yīng)器概述生物反應(yīng)過程：利用生物催化劑將原料轉(zhuǎn)化

成有用物質(zhì)的過程。四個(gè)組成部分：——原材料的預(yù)處理——生物催化劑的制備——生物反應(yīng)器的選擇及反應(yīng)條件的控制——產(chǎn)物的分離提純2生物反應(yīng)過程:由生物工程所引出的生產(chǎn)過程3生物反應(yīng)器：在整個(gè)生物反應(yīng)過程中處于中心的地位，連接原料和產(chǎn)物的橋梁，是實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備。在反應(yīng)器中，通過產(chǎn)物的合成，使廉價(jià)的原料升值。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，是生物工程中一個(gè)及其重要的問題，它對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有很大影響。評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器主要是看它生產(chǎn)能力的大小以及產(chǎn)品質(zhì)量的高低。4一般的化學(xué)反應(yīng)器相似：

維持一定的溫度、pH、反應(yīng)物（營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括溶解氧）濃度，并具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合性能，以提供合適的環(huán)境條件，確保生物反應(yīng)的順利進(jìn)行。與一般的化學(xué)反應(yīng)器不同：

細(xì)胞生物反應(yīng)器在運(yùn)行中要杜絕外界各種微生物的進(jìn)入，避免雜菌污染造成的損失。生物反應(yīng)器的要求5生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。生物反應(yīng)器處于生物過程的中心，它常是影響整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要方面。6生物反應(yīng)器歷史簡(jiǎn)介生物反應(yīng)器這一術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)的時(shí)間不長(zhǎng)，但人們利用生物反應(yīng)器進(jìn)行有用物質(zhì)生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統(tǒng)發(fā)酵食品時(shí)使用的容器就是最初的生物反應(yīng)器。20世紀(jì)40年代是生物反應(yīng)器的開發(fā)、研制和應(yīng)用獲得迅速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應(yīng)器稱為“發(fā)酵罐”（fermenter）7發(fā)酵罐8生物反應(yīng)器歷史簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代，Atkinson提出了生化反應(yīng)器（biochemicalreactor）一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應(yīng)器、處理廢水用反應(yīng)器等。同一時(shí)期，Ollis提出了另一術(shù)語(yǔ)——生物反應(yīng)器（biologicalreactor）.20世紀(jì)80年代，生物反應(yīng)器（bioreactor)一詞在專業(yè)期刊與書籍中大量出現(xiàn)。9生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的限制因素主要是傳質(zhì)和傳熱。傳質(zhì)和傳熱是設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器和控制操作條件最主要考慮的問題。傳質(zhì)問題在底物不溶的反應(yīng)過程中是顯而易見，在高耗氧的生物反應(yīng)過程中則尤為突出。新的反應(yīng)器不斷出現(xiàn)，相應(yīng)地提高了傳質(zhì)效率。傳熱問題在放熱的生物反應(yīng)過程中非常重要，為了保持生物反應(yīng)器能在常溫下進(jìn)行，如何移走熱量是進(jìn)行大型的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)必須重視的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳質(zhì)和傳熱10酶反應(yīng)器（enzymereactor）定義：通常將用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。作用：使酶得到合理的應(yīng)用，并能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低成本。111213Contentsofchapter71、什么是酶反應(yīng)器2、理想的酶反應(yīng)器的要求3、各種酶反應(yīng)器的特點(diǎn)4、酶反應(yīng)器的選擇和使用GoGoGoGo5、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)Go6、酶反應(yīng)器的放大Go7、酶反應(yīng)器的操作Go7.1什么是酶反應(yīng)器酶和固定化酶在體外進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，都必需在一定的反應(yīng)容器中進(jìn)行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催化反應(yīng)的速度。用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反應(yīng)提供合適的場(chǎng)所和最佳的反應(yīng)條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。酶催化反應(yīng)過程示意圖過程調(diào)控酶反應(yīng)器消毒原料預(yù)處理

產(chǎn)物分離提純產(chǎn)品生物催化劑制備空氣除菌能量熱量回本章目錄7.2理想的酶反應(yīng)器的要求生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)：使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低。評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)：反應(yīng)器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。(4)應(yīng)具有最佳的無(wú)菌條件，否則，雜菌污染使反應(yīng)器的生產(chǎn)能力下降。(1)所用生物催化劑應(yīng)具有較高的酶濃度（或細(xì)胞濃度），才能得到較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率。(2)能用電腦自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)控，從而獲得最佳的反應(yīng)條件。(3)應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和混合性能。傳質(zhì)是指底物和產(chǎn)物在反應(yīng)介質(zhì)中的傳遞。傳質(zhì)阻力是反應(yīng)器速度限制的主要因素。常見的酶反應(yīng)器類型按結(jié)構(gòu)區(qū)分?jǐn)嚢韫奘椒磻?yīng)器（StirredTankReactor,STR）鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)填充床式反應(yīng)器(packedcolumnreactor,PCR)流化床式反應(yīng)器(FluidizedBedReactor,FBR)膜反應(yīng)器(MembraneReactor,MR)按操作方式區(qū)分分批式反應(yīng)(batch)連續(xù)式反應(yīng)(continuous)流加分批式反應(yīng)(feedingbatch)混合形式連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批攪拌罐反應(yīng)器（BatchStirredTankReactor,BSTR）回本章目錄7.3各種酶反應(yīng)器的特點(diǎn)反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的酶特點(diǎn)攪拌罐式反應(yīng)器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對(duì)粘度較大反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)。反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的酶

特點(diǎn)鼓泡式反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應(yīng)。膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶固定化酶清洗比較困難噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)(1)間歇式酶反應(yīng)器又稱為批量反應(yīng)器（BatchReactorBSTR）、間歇式攪拌罐、攪拌式反應(yīng)罐。其特點(diǎn)是：底物與酶一次性投入反應(yīng)器內(nèi)，產(chǎn)物一次性取出；反應(yīng)完成之后，固定化酶（細(xì)胞）用過濾法或超濾法回收，再轉(zhuǎn)入下一批反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是：裝置較簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，傳質(zhì)阻力很小，反應(yīng)能很迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)。缺點(diǎn)是：操作麻煩，固定化酶經(jīng)反復(fù)回收使用時(shí)，易失去活性，故在工業(yè)生產(chǎn)中，間歇式酶反應(yīng)器很少用于固定化酶，但常用于游離酶。

反應(yīng)罐體機(jī)械攪拌部分恒溫裝置SubstrateCells時(shí)間濃度0(2)連續(xù)式酶反應(yīng)器又稱為連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）、連續(xù)式攪拌罐。向反應(yīng)器投入固定化酶和底物溶液，不斷攪拌，反應(yīng)達(dá)到平衡之后，再以恒定的流速連續(xù)流入底物溶液，同時(shí)，以相同流速輸出反應(yīng)液（含產(chǎn)物）。優(yōu)點(diǎn)是：在理想狀況下，混合良好，各部分組成相同，并與輸出成分一致。缺點(diǎn)是：攪拌漿剪切力大，易打碎磨損固定化酶顆粒。SubstrateCells時(shí)間濃度023(3)填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器（PackedReactor,PBR）,又稱固定床反應(yīng)器。將固定化酶填充于反應(yīng)器內(nèi)，制成穩(wěn)定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)酶催化反應(yīng)，以一定的流速，收集輸出的轉(zhuǎn)化液（含產(chǎn)物）。SubstrateProduct軸向位移x濃度0循環(huán)式填充床反應(yīng)器

將填充床和循環(huán)槽偶聯(lián)，不斷補(bǔ)充含有底物的新鮮料液，并及時(shí)分離出產(chǎn)物，可以減少產(chǎn)物抑制，保證產(chǎn)物的連續(xù)生產(chǎn)。旋轉(zhuǎn)填充床26優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便單位體積反應(yīng)床的固定化酶密度大可以提高酶催化反應(yīng)的速度缺點(diǎn)：底層固定化酶顆粒所受壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎。27(4)流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（FluidizedBedReactor,FBR）。特點(diǎn)是：底物溶液以足夠大的流速，從反應(yīng)器底部向上通過固定化酶柱床時(shí)，便能使固定化酶顆粒始終處于流化狀態(tài)。其流動(dòng)方式使反應(yīng)液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之間。FBR可用于處理黏度較大和含有固體顆粒的底物溶度，同時(shí)，亦可用于需要供氣體或排放氣體的酶反應(yīng)（即固、液、氣三相反應(yīng)）。但因FBR混合均勻，故不適用于有產(chǎn)物抑制的酶反應(yīng)。

將流化床和循環(huán)槽偶聯(lián)，使底物循環(huán)利用，并可減少產(chǎn)物抑制，保證產(chǎn)物的連續(xù)生產(chǎn)。操作時(shí)應(yīng)控制好料液的流動(dòng)速率，以防小顆粒被吹出。循環(huán)式流化床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：混合均勻傳質(zhì)和傳熱效果好溫度和pH值易于調(diào)節(jié)控制不易堵塞對(duì)黏度較大的反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)30缺點(diǎn)：需要較高的流速才能維持粒子的充分流態(tài)化，而且固定化酶顆粒易于被破壞，流體動(dòng)力學(xué)變化較大，參數(shù)復(fù)雜，放大較為困難。單位體積內(nèi)催化劑密度低需保持一定的流速，運(yùn)行成本高目前，流化床反應(yīng)器主要被用來(lái)處理一些粘度高的液體和顆粒細(xì)小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白質(zhì)。31(5)鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)是利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混合兩種作用的一類反應(yīng)器。也是一種無(wú)攪拌裝置的反應(yīng)器。無(wú)攪拌器，靠氣流作用攪拌適用于游離/固定化酶（細(xì)胞）氣體入口處有氣流分布器，產(chǎn)生分散均勻的小氣泡簡(jiǎn)單鼓泡式內(nèi)循環(huán)式外循環(huán)式鼓泡式反應(yīng)器的型式氣－液－固三相系統(tǒng)，涉及氣體吸收或產(chǎn)生的反應(yīng)，采用此類型反應(yīng)器效果較好，又稱為三相流化床式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便剪切力小，對(duì)結(jié)構(gòu)較脆弱的細(xì)胞和固定化載體有利可用于連續(xù)反應(yīng)，也可用于分批反應(yīng)物質(zhì)與熱量的傳遞效率高是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器34(6)膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器（membranereactor,MR）是將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器?？梢杂糜谟坞x酶的催化反應(yīng)，也可以用于固定化酶的催化反應(yīng)。用于固定化酶催化反應(yīng)的膜反應(yīng)器是將酶固定在具有一定孔徑的多孔薄膜中，而制成的一種生物反應(yīng)器。膜反應(yīng)器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉(zhuǎn)盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應(yīng)器。酶反應(yīng)器的類型膜反應(yīng)器——中空纖維膜反應(yīng)器由數(shù)千根醋酸纖維制成的中空纖維管，固定在反應(yīng)器中內(nèi)徑200～500m，外徑300～900m內(nèi)層緊密光滑，多微孔，具一定分子量截留值（截留酶/細(xì)胞）外層為多孔海綿狀支持層，酶固定于此（或內(nèi)外相反）酶反應(yīng)器的類型膜反應(yīng)器

——中空纖維膜反應(yīng)器工作原理

培養(yǎng)基和空氣從中空纖維膜的內(nèi)腔流入，底物透過纖維內(nèi)壁上的微孔進(jìn)入固定化催化劑層，經(jīng)酶或細(xì)胞催化生成產(chǎn)物，再經(jīng)微孔，流入中空纖維。固定化酶或細(xì)胞因體積大，無(wú)法透過纖維膜孔而被截留。酶反應(yīng)器的類型膜反應(yīng)器——超濾酶膜反應(yīng)器

將超濾膜分離器與連續(xù)攪拌式反應(yīng)器（CSTR）偶聯(lián)，將酶和小分子底物/產(chǎn)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(huán)使用。透過超濾膜的產(chǎn)物和部分未反應(yīng)完全的底物再進(jìn)入下一工序進(jìn)行分離。游離酶在膜反應(yīng)器中進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，底物溶液連續(xù)地進(jìn)入反應(yīng)器，酶在反應(yīng)容器的溶液中與底物反應(yīng)，反應(yīng)后，酶與反應(yīng)產(chǎn)物一起，進(jìn)入膜分離器進(jìn)行分離，小分子的產(chǎn)物透過超濾膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循環(huán)使用。膜反應(yīng)器的特點(diǎn)游離酶和固定化酶均適用催化劑（酶、細(xì)胞）與底物、產(chǎn)物分離容易可作用于膠態(tài)或不溶性底物，特別是產(chǎn)物對(duì)酶有抑制作用時(shí)酶易在膜上吸附損失或濃縮極化膜會(huì)因?yàn)槲廴净蛭⒖锥氯鴮?dǎo)致工作能力下降放大成本高昂（7）噴射式反應(yīng)器（projectionalreactor，PR）利用高壓蒸汽噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶與底物混合，進(jìn)行高溫瞬時(shí)反應(yīng)的一種反應(yīng)器適用面較狹窄，僅適用于耐高溫游離酶的連續(xù)催化反應(yīng)7.4酶反應(yīng)器的選擇和使用影響酶反應(yīng)器選擇的因素很多，但一般可以從以下幾個(gè)方面考慮：酶的形式(游離/固定化..)固定化酶的形狀底物的物理性質(zhì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)酶的穩(wěn)定性操作要求反應(yīng)器制造、控制成本主要影響因素：酶的應(yīng)用形式酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)要求：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、易于維護(hù)和清洗、可適用于多種酶的催化反應(yīng)、制造成本和運(yùn)行成本較低7.4酶反應(yīng)器的選擇和使用43（1）、游離酶反應(yīng)器的選擇游離酶適用的反應(yīng)器特點(diǎn)：均相反應(yīng)常用：攪拌罐式反應(yīng)器有氣體參與：鼓泡式反應(yīng)器昂貴的酶：酶膜反應(yīng)器——酶回收較容易耐高溫酶：噴射式反應(yīng)器不宜采用的反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器7.4.1根據(jù)酶的應(yīng)用形式選擇反應(yīng)器44（2）固定化酶反應(yīng)器的選擇固定化酶適用的反應(yīng)器特點(diǎn)：非均相反應(yīng)，多采用連續(xù)式操作影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩(wěn)定性顆粒狀固定化酶/細(xì)胞攪拌罐式反應(yīng)器——槳葉剪切力大，對(duì)顆粒有機(jī)械強(qiáng)度要求填充床式反應(yīng)器——顆粒堆積密度大；床層壓強(qiáng)大流化床式反應(yīng)器——混合效果好；動(dòng)力消耗大；有機(jī)械強(qiáng)度要求鼓泡式反應(yīng)器——即“三相流化床”非顆粒狀固定化酶/細(xì)胞——膜反應(yīng)器不宜采用的反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器45采用流化床反應(yīng)器時(shí)，固定化酶的顆粒不能太大，密度要與反應(yīng)液的密度相當(dāng)，而且要有較高的強(qiáng)度。有氣體參與的酶催化反應(yīng)，通常采用鼓泡式反應(yīng)器。平板狀、直管狀、螺旋管狀固定化酶一般采用膜反應(yīng)器。467.4.2根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器主要影響因素：酶與底物的混合程度底物濃度對(duì)酶催化反應(yīng)速度的影響反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)酶的反饋抑制作用酶催化作用的溫度條件4748（1）酶與底物的混合程度要使酶與底物有效結(jié)合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞混合效果好攪拌罐式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器混合效果較差填充床式反應(yīng)器膜反應(yīng)器改善混合特性——輔助攪拌（2）

底物濃度及其抑制作用底物的濃度受其對(duì)酶抑制情況的制約防止底物濃度過高游離酶酶膜反應(yīng)器連續(xù)式操作攪拌罐式反應(yīng)器流加式操作/連續(xù)式操作固定化酶攪拌罐式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器49（3）產(chǎn)物濃度及其抑制作用產(chǎn)物的過度積累造成抑制設(shè)法將產(chǎn)物移出反應(yīng)器游離酶——酶膜反應(yīng)器固定化酶——酶膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器50（4）酶反應(yīng)溫度耐高溫酶噴射式反應(yīng)器對(duì)可以耐受100℃以上高溫的酶催化反應(yīng)，最好是選擇噴射式反應(yīng)器。優(yōu)點(diǎn)：加速反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，催化效率高517.4.3根據(jù)底物和產(chǎn)物理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器主要影響因素：底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)分子量溶解性黏度52需要小分子物質(zhì)作為輔酶參與，通常不采用膜反應(yīng)器。底物或產(chǎn)物的分子量較大，一般不采用膜反應(yīng)器。底物或者產(chǎn)物的溶解度較低、黏度較高應(yīng)當(dāng)選擇攪拌罐式反應(yīng)器或者流化床反應(yīng)器，而不采用填充床式反應(yīng)器和膜反應(yīng)器。有氣體底物參與時(shí)，通常選用鼓泡式反應(yīng)器。537.5酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)7.5.1、確定酶反應(yīng)器的類型7.5.2、確定酶反應(yīng)器的制造材料7.5.3、進(jìn)行熱量衡算7.5.4、進(jìn)行物料衡算547.5.1確定酶反應(yīng)器的類型是酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)的第一步。根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)選擇并確定酶反應(yīng)器的類型。557.5.2確定酶反應(yīng)器的制造材料對(duì)制造材料要求比較低，一般采用不銹鋼或玻璃等材料即可，可根據(jù)投資的大小來(lái)選擇。567.5.3進(jìn)行熱量衡算主要是根據(jù)熱水的溫度和使用量來(lái)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于噴射式反應(yīng)器，根據(jù)所使用的水蒸氣的熱焓和用量來(lái)計(jì)算。再根據(jù)所需傳遞的熱量和反應(yīng)器換熱裝置制造材料的傳熱系數(shù)，計(jì)算所需的傳熱面積，并根據(jù)使用要求確定換熱器的傳熱方式，再確定換熱裝置的形狀和尺寸。577.5.4、進(jìn)行物料衡算是酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要任務(wù)確定酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)底物用量反應(yīng)液總體積酶用量反應(yīng)器數(shù)量58是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，確定反應(yīng)所需的：底物濃度酶濃度最適溫度最適pH激活劑濃度確定酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)59計(jì)算底物用量產(chǎn)量：P（kg/年）=Pd（kg/d）×300分批反應(yīng)器

=Ph（kg/h）×300×24連續(xù)反應(yīng)器根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率和收率，計(jì)算所需底物用量。60計(jì)算反應(yīng)液總體積Vt——反應(yīng)液總體積（m3）mS——底物用量（kg）[S]——反應(yīng)前底物濃度（kg/m3）61酶用量的計(jì)算E——所需的酶量（U）[E]——酶濃度（U/m3）Vt——反應(yīng)液體積（m3）62反應(yīng)器數(shù)量的計(jì)算一般反應(yīng)器的有效體積為反應(yīng)器總體積的70%~80%。63N——構(gòu)成所需反應(yīng)器數(shù)量（個(gè)）Vd——每天的反應(yīng)液總體積（m3/d）V0——單個(gè)反應(yīng)器的有效體積（m3）t——底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間（h）對(duì)于分批反應(yīng)器，可以根據(jù)每天獲得的反應(yīng)液的總體積、單個(gè)反應(yīng)器的有效體積和底物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，計(jì)算所需反應(yīng)器數(shù)目。64對(duì)于連續(xù)反應(yīng)器，可以根據(jù)每小時(shí)獲得的反應(yīng)液的總體積、反應(yīng)器的有效體積和底物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，計(jì)算反應(yīng)器數(shù)目。N——過程所需的反應(yīng)器數(shù)量（個(gè)）Vh——每小時(shí)的反應(yīng)液總體積（m3/h）V0——單個(gè)反應(yīng)器的有效體積（m3）t——底物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間（h）657.6酶反應(yīng)器的放大通常一個(gè)生物反應(yīng)過程的開發(fā)，包括了三個(gè)不同規(guī)模的階段：⑴利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器進(jìn)行工藝試驗(yàn)；⑵在中間規(guī)模的反應(yīng)器中試驗(yàn)（中試），確定最佳的操作條件；⑶在大型生產(chǎn)設(shè)備中投入生產(chǎn)。66目前主要有：經(jīng)驗(yàn)放大法幾何相似放大單位體積液體中攪拌功率相同放大攪拌器葉尖速度相同放大混合時(shí)間相同放大因次分析法時(shí)間常數(shù)法數(shù)學(xué)模擬法677.7酶反應(yīng)器的操作酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)節(jié)控制酶反應(yīng)器應(yīng)用的注意事項(xiàng)68一、酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)控溫度pH底物濃度酶濃度反應(yīng)液的混合與流動(dòng)691、反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶的動(dòng)力學(xué)特性，確定酶催化反應(yīng)的最適溫度。將反應(yīng)溫度控制在適宜溫度范圍內(nèi)，在溫度發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。夾套、列管等換熱裝置。噴射式反應(yīng)器，通過控制水蒸汽的壓力。702、pH值的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶的動(dòng)力學(xué)特性，確定酶催化反應(yīng)的最適pH。分批式反應(yīng)器，通常在加入酶液之前，用稀酸或稀堿調(diào)節(jié)底物溶液到酶的最適pH。連續(xù)式反應(yīng)器，一般將調(diào)節(jié)好pH的底物溶液連續(xù)加到反應(yīng)器中。有些酶的底物或產(chǎn)物是一種酸或堿，反應(yīng)前后pH變化大，必須在反應(yīng)過程中進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。71pH的調(diào)節(jié)通常采用稀酸或稀堿溶液進(jìn)行，加入稀酸或稀堿溶液時(shí)要一邊攪拌一邊慢慢添加，以防止局部過酸或過堿必要時(shí)可以采用緩沖溶液配制底物溶液，以維持反應(yīng)液的pH。723、底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制底物濃度是決定酶催化速度的主要因素。要確定一個(gè)適宜的底物濃度范圍。通常底物濃度在5~10Km。要防止高濃度底物的抑制作用。734、酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制綜合考慮反應(yīng)速度和成本，確定一個(gè)適宜的酶濃度。對(duì)連續(xù)式固定化酶反應(yīng)器應(yīng)具備添加或更換酶的裝置，而且要求這些裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易。745、攪拌速度的確定與調(diào)節(jié)控制保證酶與底物混合均勻，使酶分子與底物分子能夠進(jìn)行有效碰撞，進(jìn)而互相結(jié)合進(jìn)行催化反應(yīng)。首先要在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況的變化進(jìn)行攪拌速度的調(diào)節(jié)。攪拌速度過慢，會(huì)影響混合的均勻性；攪拌過快，產(chǎn)生的剪切力會(huì)使酶的結(jié)構(gòu)受到影響，尤其是會(huì)使固定化酶的結(jié)構(gòu)破壞甚至破碎。75必須確定適宜的流動(dòng)速度和流動(dòng)狀態(tài)（流體速度、流量、進(jìn)液管的方向和排布等），并根據(jù)變化的情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。流化床反應(yīng)器，通過控制進(jìn)液口的流體流速和流量以及進(jìn)液管的方向和排布等方法，加以調(diào)節(jié)。填充床式反應(yīng)器，必須選擇好適宜流速。6、流動(dòng)速度的確定與調(diào)節(jié)控制76膜反應(yīng)器，采用適當(dāng)?shù)乃俣葦嚢?，使粘附在膜表面的固形物和大分子物質(zhì)離開膜表面，還可以通過控制流動(dòng)速度和流動(dòng)狀態(tài)，使反應(yīng)液混合均勻，減少濃差極化現(xiàn)象的發(fā)生。噴射式反應(yīng)器，可以控制蒸汽壓力和噴射速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。77二、酶反應(yīng)器操作的注意事項(xiàng)1、保持酶反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性在酶反應(yīng)器的應(yīng)用過程中，盡量保持操作的穩(wěn)定性，以避免反應(yīng)條件的激烈波動(dòng)。攪拌罐式反應(yīng)器，盡量保持?jǐn)嚢杷俣鹊姆€(wěn)定；連續(xù)式反應(yīng)器，盡量保持流速的穩(wěn)定，流進(jìn)的底物濃度和流出的產(chǎn)物濃度不要變化太大；填充床式反應(yīng)器，防止固定化酶的破碎、擠壓而產(chǎn)生的阻塞現(xiàn)象發(fā)生；78膜反應(yīng)器，要防止?jié)獠顦O化而產(chǎn)生的膜孔阻塞現(xiàn)象。反應(yīng)過程，盡量保持反應(yīng)溫度、反應(yīng)液pH值等的穩(wěn)定，不要波動(dòng)太大，以保持反應(yīng)器恒定的生產(chǎn)能力。792、保持反應(yīng)器中流體的流動(dòng)方式和狀態(tài)盡量保持液體和氣體的流動(dòng)方式和狀態(tài)。流動(dòng)方式和狀態(tài)的改變，會(huì)影響底物、產(chǎn)物與酶的接觸狀態(tài)，從而影響催化反應(yīng)的速度。803、防止酶的變性失活特別注意防止酶的變性失活。影響因素主要有溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。除了某些耐高溫的酶以外，通常酶的催化反應(yīng)在60℃以下進(jìn)行；除了某些特別耐酸堿的酶以外，通常酶在pH4-9的條件下進(jìn)行；重金屬離子例如鉛離子（Pb2+）、汞離子（Hg2+）等會(huì)與酶分子結(jié)合而引起酶的不可逆變性。814、防止微生物的污染在應(yīng)用酶反應(yīng)器進(jìn)行催化反應(yīng)過程中，由于酶的作用底物或反應(yīng)產(chǎn)物往往只有一二種，一般情況下不具備微生物生長(zhǎng)、繁殖的基本條件，在進(jìn)行操作時(shí)，一般不必在嚴(yán)格的無(wú)菌條件下進(jìn)行操作，然而并不意味著不必防止微生物污染。不同酶的催化反應(yīng)，由于底物、產(chǎn)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有很大差別。82一些酶催化的底物或產(chǎn)物對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖有抑制作用，受微生物污染的情況較少有些酶催化反應(yīng)溫度較高，微生物無(wú)法生長(zhǎng)有些酶催化反應(yīng)的pH較高或較低，對(duì)微生物有抑制作用。有些酶可以在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)，微生物難于生長(zhǎng)繁殖，污染的可能性甚微。而有些酶催化反應(yīng)的底物或產(chǎn)物是微生物生長(zhǎng)、繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在反應(yīng)過程中或者在反應(yīng)結(jié)束后，在適合微生物生長(zhǎng)繁殖的條件下，必須注意防止微生物的污染。83酶反應(yīng)器的操作必須符合必要的衛(wèi)生條件，尤其是在生產(chǎn)藥用或食用產(chǎn)品時(shí)，衛(wèi)生條件要求較高，應(yīng)盡量避免微生物的污染。84在酶反應(yīng)器的操作過程中，防止微生物污染的主要措施有：保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔、衛(wèi)生，要求符合必要的衛(wèi)生條件。反應(yīng)器在使用前，都要進(jìn)行清洗和適當(dāng)?shù)南咎幚?。在反?yīng)器的操作過程中，要嚴(yán)格管理，經(jīng)常檢測(cè)，避免微生物污染。85必要時(shí)，在反應(yīng)液中適當(dāng)添加對(duì)酶催化反應(yīng)和產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)不良影響而又可以殺滅或抑制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)，以防止微生物的污染。在不影響酶催化活性的前提下，選擇在較高的溫度（45℃以上），較高或較低的pH條件