食品酶学导论：酶反应器的种类及适用条件

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。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。固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。

酶催化反应是指在均相或非均相系统中由酶参与的将底物转变为产物过程。酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必须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。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁（图8-18）。

图8-18 酶催化反应示意图

选择酶反应器的选择需要考虑的因素：①酶适宜的应用形式选择；②适宜的反应器的选择；③适宜的反应器操作条件的选择。

（1）按结构区分搅拌罐式反应器（stirred tank reactor，STR）；填充床式反应器（packed bed reactor，PBR）；流化床式反应器（fluidized bed reactor，FBR）；膜反应器（membrane reactor，MR）；鼓泡式反应器（bubble column reactor，BCR）；喷射式反应器（projectional reactor，PR）。

（2）按操作方式区分分批式反应（Batch-reaction）；连续式反应（Continuous-reaction）；流加分批式反应（Feeding-batch-reaction）。

（3）混合形式连续搅拌罐反应器（continuous stirred tank reactor，CSTR）；分批搅拌罐反应器（batch stirred tank reactor，BSTR）。

1.分批搅拌罐反应器（BSTR）

分批搅拌罐反应器又称为批量反应器（Batch reactor，BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。该装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。但是操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，分批搅拌罐反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶（图8-19）。

2.连续式酶反应器（CSTR）

连续式酶反应器又称为连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor，CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。该装置缺点是搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒（图8-20）。

图8-19 分批搅拌罐反应器（BSTR）

图8-20 连续式酶反应器（CSTR）

3.填充床反应器（PBR）

填充床反应器可填充多向异性半透性中空纤维制成管状，内部填充酶膜、酶片等。运转时底物按照一定方向，以恒定速度通过反应床。柱的横截面积上液体流动速度相等，不考虑流动方向上的速度梯度与温度梯度，以及轴向上的底物扩散因素时，整个反应器可以看作是处于活塞式流动状态，称为活塞式流动反应器或填充床反应器。该装置优点是高效率、易操作、结构简单等，因而，填充床反应器是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。缺点是温度和pH难以控制；清洗和更换部分固定化酶较麻烦；床内有自压缩倾向，易堵塞；床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。装置如图8-21所示。

4.流化床反应器（FBR）

固定化酶颗粒装进反应桶中，反应时，固定化酶颗粒在反应器中呈动态，而反应底物与产物则可以连续进与出，其结构如图8-22所示。

图8-21 填充床式反应器（PBR）

图8-22 流化床反应器（FBR）

底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶流化床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液，同时，也可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。

5.连续搅拌罐-超滤膜反应器（CSTR-UF）(www.chuimin.cn)

CSTR-UR结构是CSTR与超滤装置联用的酶膜反应器，通过超滤装置，酶可以循环使用，液体酶与固定化酶均可使用，其结构如图8-23所示。

图8-23 连续搅拌罐-超滤膜反应器

6.鼓泡式反应器（BCR）

鼓泡式反应器（bubble column reactor，BCR）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。鼓泡式反应器可以用于游离酶和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。鼓泡式反应器结构与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其他形式的气体分散装置。固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入（图8-24）。

图8-24 鼓泡式反应器（BCR）

7.膜反应器（MR）

使用膜式反应器能使酶反应连续进行，酶得到反复的高效利用，产率提高，操作成本下降。与填充式、流化床式反应器相比，膜的选择性透过作用可使产物透过膜，而底物却被截留在膜的另一侧，反应平衡时生成产物的方向一侧。而且，对那些产物阻遏的酶反应，产物透过膜孔不断分离去除而解除了阻遏，使反应向正方向进行。

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。

中空纤维膜反应器由数千根醋酸纤维制成的中空纤维管，固定在反应器中。内径200～500μm，外径300～900μm；内层紧密光滑，多微孔，具一定分子质量截留值（截留酶/细胞）；外层为多孔海绵状支持层，酶固定于此（或内外相反），如图8-25所示。

中空纤维膜的工作原理：培养基和空气从中空纤维膜的内腔流入，底物透过纤维内壁上的微孔进入固定化催化剂层，经酶或细胞催化生成产物，再经微孔，流入中空纤维。固定化酶或细胞因体积大，无法透过纤维膜孔而被截留（图8-26）。

图8-25 中空纤维膜反应器（MR）

膜反应器的优点：游离酶和固定化酶均适用；催化剂（酶、细胞）与底物、产物分离容易；可作用于产物对酶有抑制作用的情况。缺点：酶易在膜上吸附损失；膜会因为污染或微孔堵塞而导致工作能力下降；放大成本高昂。

8.喷射式反应器（PR）

喷射式反应器（projectional reactor，PR）是利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合，进行高温瞬时反应的一种反应器。喷射式反应器结构简单、体积小、混合均匀、反应快（图8-27）。只适用于耐高温游离酶的连续催化反应，如高温淀粉酶。

图8-26 中空纤维膜的工作原理

图8-27 喷射式反应器

不同酶反应器的特点如表8-3所示。

表8-3 不同酶反应器的特点

续表

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