第七讲 固定化酶反应器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,三、固定化酶（细胞）的反应器及应用,Immobilized Enzyme,（,Cell,）,Reactor,techniques,and Its Applications,三、固定化酶（细胞）的反应器,1.,固定化酶反应器的类型和特点,2.,固定化酶反应器的选择依据,3.,固定化酶反应器的性能评价,4.,固定化酶反应器的操作,1.,固定化酶反应器的类型和特点,反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，可概括分为,间歇式,和,连续式,两大类，,连续式,又有两种基本形式：,连续流动搅拌罐式反应器,和,填充床反应器,；还有一些衍生形式：,连续流动搅拌罐,超滤膜反应器,、,循环反应器,和,流化床反应器,等。,各种反应器的示意图,间歇式搅拌罐反应器,BSTR,连续流动搅拌罐反应器,CSTR,连续流动搅拌罐,超滤膜反应器,CSTR/UF,填充床反应,循环反应器,流化床反应器,PBR,RCR,FBR,平推流反应器,PFR,(S,为底物、,P,为产物,),(a),间歇式搅拌罐反应器,(,batch stirred tank reactor,，,BSTR,),(b),连续流动搅拌罐反应器,(,continuous flow stirred tank reactor,，,CSTR,),(c),连续流动搅拌罐,超滤膜反应器,(,combined CSTR/UF reactor,，,CSTR/UF,),(d),填充床反应器或平推流反应器,(,packed bed reactor,，,PBR,或,plug-flow reactor,，,PFR,),(e),循环反应器,(,recycle reactor,，,RCR,),(f),流化床反应器,(,fluidized bed reactor,，,FBR,),间歇式搅拌罐反应器,(BSTR),间歇式搅拌罐反应器,也称为,分批搅拌反应器,，这类反应器的结构简单，主要设有夹套或盘管装置，以便加热或冷却罐内物料，控制反应温度。这类反应器主要用于,游离酶,(enzyme reactor),反应。,将酶与底物一起加入反应器内，控制反应条件，待达到预期转化率后，随即放料。在这种情况下，一般不回收,游离酶,。当前在食品和饮料工业中常用这种反应器。,如果把固定化酶用于,间歇反应器,，则每批反应都要从流出液中分离出产物和固定化酶，可以采用过滤或离心法分开。由于酶经过反复循环回收，会失去活性，所以在工业生产中的,固定化酶很少采用间歇式搅拌罐反应器。,连续流动搅拌罐反应器（,CSTR,）,连续流动搅拌罐反应器,在结构上与间歇式反应器基本相同，只不过是连续,进料,、连续,出料,。由于它具有搅拌系统，反应器内的各组成成分能得到充分混合，分布均一，并与流出液的组成相一致。,其缺点是，由于,搅拌浆产生的剪切力较大，容易引起固定化酶的破坏,。近来有一种,改良,的,CSTR,，是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不致损坏固定化酶。,填充床反应器,(PBR),PBR,（,Packed bed reactor,）,这种反应器的使用最普遍，到目前为止，已发表的固定化酶反应器的研究工作主要集中在填充床反应器。固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。,它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子交换树脂、聚丙烯酰胺凝胶、二乙胺乙基葡聚糖凝胶、胶原蛋白薄膜片等。近年来，球形微囊体也用于填充床。,在填充床反应器内,流体的流动型态,接近于平推流,(,又称活塞流,),流型，所以填充床反应器可近似认为是一种,平推（活塞）流反应器,(Plug-flow reactor,，,PFR,),。这种反应器运转时，底物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。,根据底物的流动方式，又有,下向流动,、,上向流动和循环流动之分,。工业生产中，液流方向,常用上向方式,，这样可以避免下向流动的液压对柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。,PBR,或,PFR,packed bed reactor,，,PBR,plug-flow reactor,，,PFR,在填充床式反应器使用过程中，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压力，,可以在反应器中间用托板分隔。,填充床式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。在工业生产中普通使用,。,流化床反应器,(FBR),在流化床反应器（,FBR,）内，底物溶液以足够大的流速向上通过固定化酶床层，使固体颗粒处于流化状态，达到混合的目的。,流速应以能使酶颗粒不下沉，又不致使颗粒溢出反应床为宜,。在,FBR,中，由于混合程度高，故传热、传质情况良好。,FBR,FBR,可用于,处理粘性强,和,含有固体颗粒,的底物，也可用于,需要供应气体或排放气体,的反应。对于停留时间较短的反应也可用,FBR,。,流化床反应器,在实际应用过程中，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。,流化床式反应,器,具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和,pH,的调节控制比较容易，,不易堵塞,，,对粘度较大的反应液,也可进行催化反应等特点。,然而，在这种反应器中，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，故放大反应较为困难,。,循环反应器,(RCR),RCR,这种反应器是让部分反应液流出，和新加入的底物流入液混合，再进入反应床进行循环。其特点是,可以提高液体的流速和减少底物向固定化酶表面传递的阻力，可以达到较高的转化率,。当反应底物是不溶性物质时，可以采用循环反应器。,RCR,连续流动搅拌罐一超滤膜反应器,CSTR/UF,是由连续流动搅拌罐反应器和超滤装置组合而成的反应器。它在连续搅拌反应罐的出口处装有一半透性的超滤膜，这种膜只允许,产物和未曾反应的底物通过，相对分子质量大的酶被截留,，可以使酶反复使用。,CSTR/UF,此外这种反应器还可以使,相对分子质量小的产物和相对分子质量大的底物分开,，使底物彻底转化。,其他反应器,除上述反应器外，还有,淤浆反应器,、,滴流床反应器,、,气栓式流动反应器,、,转盘式反应器,、,筛板反应器及,不同类型反应器的结合等。,1.,固定化酶反应器的类型和特点,2.,固定化酶反应器的选择依据,3.,固定化酶反应器的性能评价,4.,固定化酶反应器的操作,2.,固定化酶反应器的选择依据,根据固定化酶的,形状,来选择,根据底物的,物理性质,来选择,根据酶,反应的动力学,特性来选择,根据,外界环境对酶的稳定性,的影响来选择,根据,操作要求及反应器费用,来选择,根据固定化酶的形状来选择,溶液酶由于回收困难，一般只适用于,BSTR,。带有超滤器的,CSTR/UF,，虽然可以解决反复使用的问题，但是常因,超滤膜吸附和浓差极化而造成酶的损失,，,高流速的超滤还可能因为剪切力大而造成酶的失活,。,颗粒状和片状的固定化酶对,CSTR,和,PBR,类型的反应器均可适用，但膜状和纤维状的固定化酶仅适用于,PBR,。如果固定化酶容易变形、易粘结或颗粒细小时，采用,FBR,较为适宜。,根据底物的物理性质来选择,溶解性或浊液性底物,，对任何类型的反应器都适用；,颗粒状和胶状底物,，往往会,堵塞填充床,，需要采用高流速搅拌的,CSTR,、,FBR,和,RCR,以减少底物颗粒的集结、沉积和堵塞，使底物保持悬浮状态。,但是，对于高流速搅拌的,CSTR,，,如果搅拌速度过高又会使固定化酶从载体上被剪切下来，所以搅拌速度不能太高。,根据酶反应的动力学特性来选择,选择反应器，必须考虑酶反应的动力学特性。一般来说，接近平推流特性的填充床反应器,(,PFR/PBR,),，在固定化酶反应器中占有主导地位，它适合于,产物,对酶活性具有抑制作用的反应。,PFR,和,CSTR,相比，总效率,PFR,优于,CSTR,，特别是当,产物,对反应有抑制作用时，,PFR,的优越性更显突出。,若,底物,表现出对酶的活性有抑制作用时，,CSTR,所受的影响要比,PFR,少一些。酶反应器的催化反应速度，一般是,CSTR,型随,搅拌速度,加快而增加，,PFR,型随,流速,增加而加快。,根据外界环境对酶的稳定性的影响来选择,在反应器的运转过程中，由于在高速搅拌时，高速液流的冲击，常常会使固定化酶从载体上脱落下来，或由于磨损，引起粒度的减小而影响固定化酶的操作稳定性，其中以,CSTR,最为严重。,为解决这一问题而改进设计的反应器，如把,酶直接粘接在搅拌轴上，或者把固定化酶放置在与轴相连的金属网篮内,。这些措施均可使酶免遭剪切，减少了外界环境对酶的稳定性的不利影响。,根据操作要求及反应器费用来选择,有些酶反应需要不断,调整,pH,，有的需,供氧,，有的需补充,反应物或补充酶,。所有这些操作，在,CSTR,中可无需中断而连续进行，但在其他反应器中则比较困难，需要由特殊设计来解决。,BSTR,和,CSTR,的共同特征是：结构简单、操作方便、适用面广,(,可用于粘性或不溶性底物的转化加工,),，在,底物,表现出抑制作用时可获得较高的转化产率；但是在产物表现出抑制作用时底物的转化率就会降低。,BSTR,可用于溶液酶的催化反应，它的操作也比,CSTR,简便。,PFR,最突出的优越性在于它有较高的转化效率，尤其是当,产物,抑制酶反应时，其转化效率明显优于,BSTR,和,CSTR,。,PFR,的缺点是用小颗粒固定化酶时，可能产生,压密现象,；如果底物是不溶性的或粘性的，这类反应器不适用。,FBR,的优点是物质交换与热交换特性较好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的转化，低压降。但是它消耗动力大，不易直接模仿放大。,CSTR/UFR,既适用于水溶性酶，也适用于不溶性或粘性底物；如果长时间运转，会使酶的稳定性降低，也容易被超滤膜吸附，并产生浓差极化现象。,RCR,的转化率高，可以采用高速液流克服外扩散的限制；但是它的设备成本高。,若考虑反应器的价格，,CSTR,最便宜，它结构简单，又具有良好的操作性，适应性强。此外还应考虑固定化酶本身的费用以及在各种反应器中的稳定性。综上所述，,在反应器的选择上并无固定模式可循，必须根据上述各项条件综合权衡，才能做出正确的决定,。,3.,固定化酶反应器的性能评价,影响酶反应器性能的因素很多，一般可以从以下几个方面考虑：,固定化酶的形状,底物的物理性质,固定化酶的稳定性,酶反应动力学特性,固定化酶的形状,通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用,PBR,，而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均适用于,CSTR,，但是，膜状、纤维状固定化酶不适用于,CSTR,。其中，膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。,粉状固定化酶或者易变形、易粘结的固定化酶，由于它们易造成堵塞，并产生高压力降，而无法实现高流速，此时，可采用流化床反应器,(FBR),。,底物的物理性质,底物的物理性质是影响选择反应器的重要因素。,可溶性底物,适用于各类反应器。,难溶底物,或者,呈胶体溶液底物,，易堵塞柱床，可选用,FBR,。只要搅拌速度足够高，,CSTR,能维护颗粒状底物和固定化酶在溶液中呈悬浮状态，所以颗粒状底物溶液可适用于,CSTR,。,但是，搅拌速度过高易打碎固定化酶，因此，应适当控制搅拌速度。当反应过程需要控制温度、调节,pH,时，选用,CSTR,更为方便。,固定化酶稳定性,在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上脱落下来，或者由于磨损而使粒皮变细，从而影响固定化酶的操作稳定性。其中，尤以,CSTR,最为严重。,解决这一问题的方法是改进,CSTR,反应器的设计，例如：把,酶直接粘结在搅拌轴上，或者把固定化酶放置在与轴相连的金属网筐内,。这些措施均可减弱对酶的剪切作用，有利于提高酶的稳定性。,酶反应动力学特性,酶反应动力学特性亦是选择反应器的一个重要依据。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反应器,(,PBR),，在固定化酶反应器中占有主导地位。它适用于有,产物抑制,的转化反应，但在有,底物抑制,的反应系统中，,CSTR,的性能优于固定床反应器。,PBR,的流动特性接近于,CSTR,，因此也适用于有底物抑制的转化反应。,循环反应器,的回流溶液中含有产物，所以不宜用于有产物抑制的转化反应。,反应器的性能评价应尽可能在模拟原生产条件下进行，通过测定活性、稳定性、选择性、达到的产物产量、底物转化率等，来衡量其加工制造质量。测定的主要参数有,空时、空速、转化率、生产强度。,空时,是指底物在反应器中的停留时间，数值上等于反应器体积与底物体积流速之比，又常称为,稀释率,。当底物或产物不稳定或容易产生副产物时，应使用高活性酶，并尽可能缩短反应物在反应器内的停留时间。,空速,定义为,空时,的倒数。空时、空速这两个指标一般用于连续反应器。,转化率,是指每克底物中有多少被转化为产物。在设计时，应考虑尽可能,利用最少的原料得到最多的产物,。只要有可能，使用纯酶和纯的底物，以及减少反应器内的非理想流动，均有利于选择性反应。,使用高浓度的反应物对产物的分离也是有利的，特别是当生物催化剂选择性高而反应不可逆时更加有利，同时也可以使需分离的溶剂量大大降低。,酶反应器的,生产强度,以每小时每升反应器体积所生产的产物克数表示,，主要取决于,酶的特性、浓度及反应器特性、操作方法,等。使用高酶浓度及减小停留时间有利于生产强度的提高，但并不是酶浓度越高、停留时间越短越好，这样会造成浪费，在经济上不合算。,总体而言，酶反应器的设计应该是在经济、合理的基础上提高生产强度。此外，由于酶对热是相对不稳定的，设计时还应特别注意,质与热的传递,，最佳的传质与传热的转移可获得最大的产率。,4.,固定化酶反应器的操作,在应用酶反应器进行催化反应的过程中，要充分发挥酶的催化功能，除了,选用高质量的酶,、,选择适宜的酶应用形式、选择或设计适宜的酶反应器,以外，还要在酶反应器的应用过程中，确定,适宜的操作条件,并根据变化的情况进行适当的调节控制。,1,酶反应器操作条件的确定及其调节控制,2,酶反应器应用的注意事项,3,酶反应器生产能力下降的原因及对策,酶反应器的操作条件主要包括,底物浓度、酶浓度、温度、,pH,、反应液的混合与流动,等。,底物浓度的确定与调节控制,酶的催化作用是底物在酶的作用下转化为产物的过程。,底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。,在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反应速度随着底物浓度的增加而升高。,当底物浓度达到一定的数值时，反应速度的上升不再与底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。,在酶催化反应过程中，要确定一个适宜的底物浓度范围。,底物浓度过低，反应速度慢；底物浓度过高，反应液的粘度增加,。有些酶还会受到,高底物浓度的抑制作用,。,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,pH,，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,分批流加的操作方式,，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，提高酶催化反应的速率。,对于连续式反应器，则将配制好的一定浓度的底物溶液连续地加进反应器中进行反应，反应器中底物浓度保持恒定，反应液连续地排出。,酶浓度的确定与调节控制,根据酶反应动力学研究结果，在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比，提高酶浓度，可以提高催化反应的速度。,然而，,酶浓度的提高必然会增加费用，所以酶浓度不是越高越好，特别是对于价格高的酶，必须综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。,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。,反应温度的确定与调节控制,酶催化作用受温度的影响非常显著，酶的催化反应有一个最适温度，温度过低，反应速度减慢；温度过高，会引起酶的变性失活。因此，在酶反应器的应用过程中，要根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度，并将反应温度控制在适宜的温度范围内。,在温度发生变化时，要及时进行调节。一般酶反应器中均安装有夹套或列管等换热装置，里面通入一定温度的水，,通过热交换作用，保持反应器中反应液的温度恒定在一定的范围内,。如果采用喷射式反应器，则通过控制水蒸气的压力，以达到控制温度的目的。,pH,的确定与调节控制,反应液的,pH,对酶催化反应有明显影响，由于酶催化反应都有一个最适,pH,值，,pH,过高或过低都会使反应速度减慢，甚至使酶变性失活。因此，在酶催化反应过程中，要根据酶的动力学特性确定酶催化反应的最适,pH,，并将反应液的,pH,维持在适宜的范围内。,采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,，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,pH,的底物溶液,(,必要时,采用缓冲溶液配制,),连续加到反应器中。,有些酶催化反应前后的,pH,变化不大，如,-,淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反应过程中，,pH,基本恒定，在反应过程中不需进行,pH,的调节。,而有些酶的底物或者产物是一种酸或碱，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖与氧气反应生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反应前后,pH,的变化较大，在反应过程中需进行必要的调节。,pH,的调节通常采用,稀酸溶液或稀碱溶液,进行，加入稀酸或稀碱溶液时，要一边搅拌一边缓慢添加，以防止局部过酸或过碱，必要时可以采用,缓冲溶液配制底物溶液,，以维持反应液的,pH,。,搅拌速度的确定与调节控制,酶在进行催化反应时，首先要与底物结合，然后才能进行催化反应。要使酶能够与底物结合，就必须,保证酶与底物混合均匀,，使酶分子与底物分子能够,进行有效碰撞,，进而互相结合进行催化反应。,在搅拌罐式反应器和游离酶膜反应器中，都设计安装有搅拌装置，通过适当的搅拌实现均匀的混合。因此，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,，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，而影响催化反应的进行。,流动速度的确定与调节控制,在,连续式酶反应器,中，底物溶液连续地进入反应器，同时反应液连续地排出，通过,溶液的流动实现酶与底物的混合和催化,。为了使催化反应高效进行，要控制好液体的流速和流动状态，以保证混合均匀，并且不会影响酶的催化作用。,对于,流化床反应器,（,FBE,），,如果流体流速,过慢,，固定化酶颗粒就不能很好飘浮翻动，甚至沉积在反应器底部，从而影响酶与底物的均匀接触和催化反应的顺利进行，乃至产生阻塞现象，影响底物溶液顺利进入反应器。,如果流体,流速过高,或流动状态混乱，则固定化酶颗粒在反应器中激烈翻动、碰撞，会使固定化酶的结构受到破坏，以致使酶脱落、流失，从而影响催化反应的进行。,流体在流化床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。,填充床式反应器,中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流过固定化酶层，其流动速度决定酶与底物的接触时间和反应的进行程度。,在反应器的直径和高度确定的情况下,(,高径比,),，流速,越慢,，酶与底物接触时间越长，反应越完全，但是生产效率越低，因此需要选择好适宜流速，,流速过慢，则催化反应速度降低，而降低生产效率，,流速过快,，则反应不完全，有一部分底物未转化成产物就被排出，影响转化效率,。,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。这种反应器又称为活塞流反应器,(,plug flow reactor,，,PFR),。,酶反应器应用的注意事项,在酶反应器的应用过程中，除了控制各种反应条件，还须注意下列问题：,(1),保持酶反应器的,操作稳定性,(2),保持反应器中流体的,流动方式和状态,(3),防止酶的,变性失活,(4),防止微生物的,污染,保持酶反应器的操作稳定性,在酶反应器的应用过程中，应尽量保持操作的稳定性，以避免反应条件的激烈波动。,在酶的催化反应过程中，酶是反应的主体，必须保证所使用的,酶的质量稳定,，此外在游离酶反应中，要尽量保持,酶的浓度稳定在一定的范围,，在固定化酶反应中，每隔一段时间要检测,酶的活力,，并根据变化情况及时进行更换或补充。,在搅拌罐式反应器中，应尽量,保持搅拌速度的稳定,，不要断断续续、时快时慢，否则剪切力的反复变化，会加快酶特别是固定化酶结构的破坏。,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，以保证反应液中底物浓度的稳定。,在填充床反应器中要,防止由于固定化酶的破碎、挤压而产生的阻塞现象,，在膜反应器中要防止由于浓差极化而,产生的膜孔阻塞现象,。此外，在反应过程中，要尽量保持,反应温度,、反应液,pH,等的稳定，不要波动太大，以保持反应器恒定的生产能力。,保持反应器中流体的流动方式和状态,在酶反应器的应用过程中，应尽量保持液体和气体的流动方式和状态，因为,流动方式和状态的改变，会影响底物、产物与酶的接触状态，从而影响催化反应的速度。,防止酶的变性失活,在酶反应器的应用过程中，应当,特别注意防止酶的变性失活,。引起酶变性失活的因素主要有：,温度、,pH,、重金属离子以及剪切力等。,温度,酶反应器操作时的温度是影响酶催化作用的重要因素，较高的温度可以提高酶催化反应速度，从而增加产物的产率。,然而，酶是一种生物大分子，除了某些耐高温的酶以外，通常酶催化反应在,60,以下进行，温度过高会加速酶的变性失活，缩短酶的半衰期和使用时间。,因此，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,在酶反应器的应用过程中，反应液的,pH,应当严格控制在酶催化反应的适宜,pH,范围内，除了某些特别耐酸碱的酶以外，通常酶在,pH4,9,的条件下进行催化反应，,pH,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,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。,重金属离子,重金属离子例如,铅离子,(Pb,2+,),、汞离子,(Hg,2+,),等会与酶分子结合而引起酶的不可逆变性。因此，在酶反应器的操作过程中，要尽量避免重金属离子的存在。,为了避免从原料或者反应器系统带进某些重金属离子给酶分子造成不利影响，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,在酶反应器的操作过程中，剪切力是引起酶变性失活的一个重要因素。所以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,固定化酶颗粒的过度翻动和碰撞而引起固定化酶的结构破坏,。,保护剂,为了防止酶的变性失活，在操作过程中，可以添加某些保护剂，以提高酶的稳定性，例如在淀粉酶的催化过程中添加,钙,离子等。,酶作用,底物的存在往往对酶有保护作用,，所以在操作时一般先将底物溶液加进反应器中，然后再将,酶加到底物溶液中进行催化反应。,防止微生物的污染,在应用酶反应器进行催化反应过程中，由于酶的作用底物或反应产物往往只有一、二种，一般情况下不具备微生物生长、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，一般不必在严格的无菌条件下进行操作，然而这并不意味着,酶反应器的操作过程不必防止微生物污染。,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存在很大差别,。,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，,-,淀粉酶，,Taq,DNA,聚合酶等的反应温度在,50,以上，一般微生物无法生长。,有些酶催化反应的,pH,较高或较低,，例如，胃蛋白酶在,pH 2.0,的条件下进行催化，碱性蛋白酶在,pH 9.0,以上催化蛋白质水解反应等，对微生物有抑制作用。,有些酶可以,在非水介质中进行催化反应,，例如脂肪酶在有机介质中催化转酯反应等，在有机介质中，微生物难以生长繁殖，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,淀粉酶类,催化淀粉水解生成糊精、麦芽糖、葡萄糖等，,蛋白酶类,催化蛋白质水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等，在反应过程中或者在反应结束后，在适合微生物生长繁殖的情况下，必须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，而且微生物的孳生，还会消耗一部分底物或产物，,产生无用甚至有害的副产物，还会增加产物分离纯化的困难。,在酶反应器的操作进程中，防止微生物污染的主要措施有：,保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件；,反应器在使用前后，都要进行清洗和适当的消毒处理；,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；,必要时，在反应液中适当添加对酶催化反应和产品质量没有不良影响而又可以杀火或抑制微生物生长的物质，以防止微生物的污染；,在不影响酶催化活性的前提下，选择在,较高的温度,(,如,45,以上,),，,较高或较低的,pH,条件下进行操作，以防止微生物污染。,酶反应器生产能力下降的原因及对策,在酶反应器操作过程中，其生产能力是逐渐下降的。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损失。造成固定化酶活性的损失可能有下列原因：,酶本身的失活,；,酶从载体上脱落；,载体的破碎或溶解,。,在反应器中，酶活力可因变性而失活。酶变性一般是由于,受到热,、,快速搅拌所,产生,的高剪切力和泡沫表面张力所引起的。,为了防止变性，,操作温度不宜过高，搅拌速度不宜过快。,酶活力还可能由于中毒而丧失。这是由于底物溶液中的,重金属离子,等毒物所引起的。为了防止中毒，要求所用试剂和水不含毒物。,反应器容易被微生物污染，而微生物所产生的,蛋白酶能使酶活力丧失,。为了防止微生物污染，可以,提高操作温度,(45),，并,使反应液的,pH,尽量偏离中性,。也可以将底物溶液进行过滤除菌，或者用甲苯或甲醛进行处理。,颗粒状固定化酶，特别是,微胶囊,包埋的固定化酶，如果将它放在,搅拌式反应罐,中，由于搅拌所产生的剪切力的作用，可以使它破碎。,如果将它装进,固定床反应器,，由于高流速的底物溶液所产生的摩擦力的作用，可以使固定化酶的载体变成,小颗粒,。这些小颗粒难以停留在反应器中继续使用。,用,吸附法制备的固定化酶在反应器,中与反应液长时间接触时，常发生解吸，即酶从载体上脱落下来。如果固定化酶的载体是亲水性聚合物，在酶促反应过程中，载体逐渐被溶解。,载体的化学结构力求均一，可以避免溶解。,在反应器中，,酶的表观活力,可因反应器中液体流动状态不规则，或者在反应器中分布情况变坏而下降。例如：当反应器中有,超滤膜截留大分子物质时，酶或固定化酶可能在出口处积累；,如果底物溶液中有,油脂、多糖等物质将固定化酶包裹时，酶活力会因此而下降。,四、酶工程在医药工业中的应用,1.,固定化细胞法生产,6-,氨基青霉烷酸,2.,固定化酶法生产,5-,复合单核苷酸,3.,固定化酶法生产,L-,氨基酸,谢谢！,