基本介紹
- 中文名：酶反應器
- 外文名：Enzyme reactor
- 分類：攪拌罐型、流化床型等
- 特點：低溫低壓、耗能少
- 性能參數：生產力、產品轉化率
- 操作要點：控制微生物、流動狀態和生產能力
定義,分類,操作,設計原理,
定義
酶反應器是游離酶和固定化酶在體外反應時所需的反應容器，該類反應容器不但能夠控制催化反應所需的各種條件，還能調節催化反應的速度。酶反應器的種類較多，根據結構的不同，可劃分為膜反應器、分批攪拌反應器、連續流攪拌桶反應器、連續攪拌桶一超濾反應器、填充床式反應器、循環反應器、流化床式反應器等。性能優良的酶反應器可以大幅提高生產效率。
反應器的作用是以儘可能低的成本．按一定的速度規定的反應物製備特定產物。以酶作為催化劑進行反應所需的裝置稱為酶反應器。酶反應器不同於化學反應器．它是在低溫、低壓下發揮作用，反應器的耗能和產能也比較少。酶反應器也不同於發酵反應器，因為它不表現自催化方式．即細胞的連續再生。但是，酶反應器與其他反應器一樣，都是根據它的產率和專一性來進行評價的。
分類
酶反應器的類型很多，有不同的分類方法。按酶的狀態分類，酶反應器可分為兩種類型：一類是直接套用游離酶進行反應的均相酶反應器；另一類是套用固定化酶進行反應的非均相酶反應器。
攪拌罐型反應器
攪拌罐型反應器是具有攪拌裝置的傳統反應器，依據它的操作方式又可細分為分批式、流加分批式和連續式3種。它主要由反應罐、攪拌器和保溫裝置3部分組成，具有結構簡單、酶與底物混合充分均勻、溫度和pH易控制、能處理膠體底物和不溶性底物及催化劑更換方便等優點，常被用於飲料和食品加工工業。但該反應器攪拌動力消耗大，催化劑顆粒容易被攪拌槳葉的剪下力所破壞，酶的回收效率低。對於連續流攪拌罐，可在反應器出口設定過濾器或直接選用磁性固定化酶來減少固定化酶的流失。另一種改進方法是將固定化酶催化劑顆粒裝在用絲網製成的扁平筐內，作為攪拌槳葉及擋板，既改善了粒子與流體間的界面阻力，也保證酶顆粒不致流失。
固定床型反應器
把催化劑填充在固定床(填充床)中的反應器叫做固定床型反應器。這一類型反應器是當前工業上使用得最廣泛的固定化酶反應器。反應器工作時，底物按一定方向以恆定速度通過催化劑床，它具有單位體積的催化劑負荷量高、結構簡單、容易放大、剪下力小、催化效率高等優點，特別適合於存在底物抑制的催化反應。但也存在下列缺點：①溫度和pH難控制；②底物和產物濃度會產生軸向分布，易引起相應的酶失活程度也呈軸向分布；③更換部分催化劑相當麻煩；④柱內壓降相當大，底物必須加壓後才能進入。固定化床反應器的操作方式主要有兩種，一是底物溶液從底部進入而由頂部排出的上升流動方式，另一種則是上進下出的下降流動方式。
流化床型反應器
流化床型反應器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應器。底物以一定的流速從下向上流過，使固定化酶顆粒在流體中維持懸浮狀態並進行反應，流體的混合程度介於攪拌罐型反應器和固定床型反應器之間。流化床型反應器具有傳熱與傳質特性好、不堵塞、能處理粉狀底物、壓降較小等優點，也很適合於需要排氣供氣的反應，但它需要較高的流速才能維持粒子的充分流態化，而且放大較困難。主要被用來處理一些黏度高的液體和顆粒細小的底物，如用於水解牛乳中的蛋白質。
膜式反應器
膜反應器是利用膜的分離功能，同時完成反應和分離過程的設備。這是一類僅適合於生化反應的反應器，該類反應器包括固定化酶膜組裝的平板狀或螺旋卷型反應器、轉盤反應器、空心酶管反應器和中空纖維膜反應器等，其中平板狀和螺旋卷型反應器具有壓降小、放大容易的優點，但與填充塔相比，反應器內單位體積催化劑的有效面積較小。轉盤反應器又可細分為立式和臥式兩種。主要用於廢水處理裝置，其中臥式反應器由於液體的上部接觸空氣可以吸氧，適用於需氧反應。空心酶管反應器主要由自動分析儀等組裝，常用於定量分析。中空纖維膜反應器則是由數根醋酸纖維素製成的中空纖維構成，其內層緊密光滑，具有一定的分子截留作用，可以截留大分子物質，同時又允許小分子物質通過；外層則是多孔的海綿狀支持層，酶被固定在海綿支持層中。
操作
利用酶反應器進行生產，首先要根據生產目的、生產規模、生產原料、產品的質量要求選擇合適的酶反應器，以便充分利用酶的催化功能，生產出預期產品，降低反應成本，用最少量的酶，在最短的時間內完成最大量的反應。為此，需要合理地配置、使用和操作酶反應器。
微生物污染的控制
酶反應器不需要在完全無菌條件下進行，但仍需要控制微生物污染。因為微生物污染會降低酶反應器的生產效率和降低產品質量，不僅會堵塞反應柱，還能使固定化酶活性載體降解，它們產生的酶和代謝物會使產物降解和增加反應副產物，減少產物的產出，增大產物分離難度。因此，應採取適當的方法對底物進行滅菌，酶反應器每次使用後要選擇合適的方法進行消毒，可用酸性水或含過氧化氫、季銨鹽的水反覆沖洗。
流動狀態的控制
在反應器中酶的催化效率和反應器的壽命都與反應器中流體流動狀態有關。酶反應器在運行時，流動方式的改變會使酶與底物接觸不良，造成反應器生產率降低，同時還會造成返混程度變化，為副反應的發生提供了機會。影響流動狀態的因素主要有：載體填充不規則、底物上柱不均勻、載體自壓縮、固體和膠體物質沉積造成壅塞等。解決的方法有：選擇體積較大、表面光滑、不可壓縮的填充材料；採取間隔式填充；間歇通人上行氣流；對過濃的黏性材料進行預處理等。對於攪拌型反應器應嚴格控制攪拌速度，防止攪拌不均勻或攪拌速度過快造成固定化酶破碎和失活。
恆定生產能力的控制
在酶反應器工作過程中，如果操作和維護不當會導致反應器催化能力的迅速下降。許多因素都影響酶反應器的穩定性。如溫度過高、pH值過高或過低、離子強度過大均會造成酶變性失活；微生物及酶會對固定化酶造成破壞；氧化劑存在會導致酶氧化分解；重金屬等有毒物質會對酶活性產生不可逆抑制；剪下力會對酶結構造成破壞；載體磨損會造成酶的損失等。因此，在酶反應器使用和維護過程中，必須採取有針對性的措施進行有效控制。
設計原理
使產品的質量和產量達到最高，並設法降低生產成本，這是酶反應器設計的基本原則。酶反應器設計的原理及內容包括：提高酶的比活力和濃度；實現更方便的酶反應過程調控；創造更好的無菌控制條件；克服影響速度的限制因素。除此以外，一般表示物料平衡、熱量平衡、反應動力學以及流動特性等的各種關係式都可以同時套用於反應器的設計。
表示酶反應器性能的參數常有四種：
①生產力，它指的是每小時每升反應器所生產的產品質量(g)。
②產品轉化率。它指的是每克底物中有多少克轉化成產物。
③酶的催化率，它指的是每克酶所能生產的產品質量(g)。
④產物濃度和底物停留時間，產物濃度是影響產物回收成本的關鍵因素，降低流速或者增加酶濃度可以提高產物濃度．其次，降低底物在反應器內停留的時間可以提高反應器的生產能力。
酶反應器性能評價應儘可能在接近生產條件下進行，主要評價指標有以下幾個：
空時
空時是指底物在反應器中的停留時間，在數值上等於反應器體積與底物體積流速之比，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，儘可能縮短反應物在反應器內的停留時間。 、
轉化率
轉化率也稱轉化分數，是指底物中發生轉變的分量。
生產強度
每小時每升反應器體積所生產的產品質量(g)。主要取決於酶的特性和濃度及反應器的特性和操作方法等。好的酶反應器應該是空時少、轉化率高、生產強度大。
