6.4.3 固定化酶和固定化细胞的生物反应器

不同的酶源，采用不同的固定化方法。在反应过程中为达到高效、低耗的目的，研究 开发不同类型的反应器与之配合。反应器根据进出料方式，可概括为批量反应器与连续 流动反应器两种主要类型，简单介绍如下。

6.4.3.1 酶反应器的形式

(1) 分批搅拌罐式反应器(BSTR) 这类反应器结构比较简单，其主体设备是具有搅 拌装置的一个反应罐，并备有保温条件。搅拌叶的层数、形式及速度依据酶的性能与底物 性状而定。物料由反应器上部加入，完成反应后由底部出料。运转时操作比较方便，管理 也较简易。为便于固定化酶在反应底物中充分混合，应以相对密度较小，颗粒较小为宜。 分批式反应对酶只是多次间隙利用，因而产品质量不够稳定，生产效率也较低，此类反应 器主要适用于试生产或小规模生产。

(2)连续式搅拌罐反应器(CSTR) 此类反应器的主体设备与分批式基本相同，罐底部有进料口，罐上部有出料溢流口，并安装固定化酶与底物分离装置。设备运转时先由底 部进料，并加入固定化酶，然后启动搅拌器，待料液注满反应器后，反应液向外溢流。为使 反应更趋完善，可将溢流的反应液间隙或连续返回一部分继续反应，在反应一定时间之 后，可补充一部分新酶，进行较长时间的连续运转。此反应器是开放式结构，操作过程便 于管理，对物料的混合良好，在底物中含有少量胶状物也不影响酶的作用与分离，循环操 作可使反应底物质量保持稳定，产量也较分批式大。但由于底物对酶的接触量较少，其平 均反应速度要比填充床反应器低。

图6-17 分批式反应器

图6-18 连续式搅拌罐反应器

(3) 流化床反应器(FBR) 流化床反应器主体是一个柱形圆筒，底部锥形并有物料 进入口，顶部放大豁口，设有溢流口，底物从反应床底部输入，利用进料的冲力使固定化酶 悬浮在反应溶液中，冲力的强度应控制在使酶粒充分翻动，而不使酶颗粒冲出溢流口。由 于料液的冲动，使酶粒与底物充分混合，不停地游动，对热量与物料有良好的传递功效，反 应完全，尤其在底物中带有胶黏性物质和细小颗粒时不会引起酶层的堵塞和酶粒表面的 吸附现象。例如采用固定化糖化酶水解液化的糊精转化为葡萄糖的反应，以采用流化床 反应器为宜。

(4) 填充床反应器(PFR) 填充床反应器是圆柱状式反应器，底部有假底，铺有细孔 不锈钢网以杜绝固定化酶颗粒泄漏，柱体高、径之比为3～4：1，两侧装有视镜，以观察反 应状况。柱顶部有进料口，底部有出料口，并具备保温装置。外形为颗粒状、短柱状、小球 状、碎片状的固定化酶适宜采用填充床反应器，不仅底物流动畅通，可防止短路，使反应完 全并提高反应效果。在酶柱的横截面上每一部位底物流动的速度相同，而且底物的平位 体积酶接触量也最大，可以达到高速反应，可使反应物料快速流经酶层，缩短反应时间，减 轻不同反应条件时底物质量的影响。为了提高酶的利用率，通常采用四柱串联循环运转， 是目前工业生产中一种高效率的反应器。

(5)列管式反应器 列管式反应器的主体结构是一个圆柱体，柱体底部有一块多孔 板，装有可装卸的一组多孔列管，固定在多孔板上连接出口。采用二醋酸纤维或三醋酸纤 维作载体包埋的固定化酶粒成细丝或编织成酶布。运转时把含酶纤维或酶布包扎在列管 外，底物从柱反应器顶部进入，穿透酶层进入列管，反应后由底部流出。由于酶的表面积大，比活性高，与底物接触面广，反应效率高，流通性良好，运转较为稳定。

图6-19 流化床反应器

图6-20 填充床反应器

图6-21 列管式反应器

6.4.3.2 选择酶反应器类型的有关因素

为达到预期的目的，在选择反应器时，应考虑下列诸方面的因素：固定化酶的形状，底物 的性状，反应过程条件要求，酶的作用能量及其稳定性，反应动力学，反应器的制作成本等。

(1) 固定化酶的形状 固定化酶的形状大体上可分为颗粒状、纤维状、膜状三类。同 一形状，由于其性能的差异，对反应器的选用也有所不同，如颗粒状酶，若质地坚韧，可塑 性小的可选用填充床反应器。其效果较好，目前高果糖浆工业生产上采用的固定化葡萄 糖异构酶颇为适用。若酶粒易于膨胀，采用填充床易于堵塞酶层，使底物流经酶层增加压 差，形成运转困难。对抗切变力较强的颗粒酶可选用搅拌罐式反应器。酶粒细小、相对密 度较小的可用流化床反应器。纤维状固定化酶可用列管式反应器。超滤等半渗透膜可用 膜反应器。

(2)底物的物理性能 底物的物理性状有透明溶液、乳浊液、含颗粒物液及胶状液 等。透明溶液及乳浊液可适用于任何种类型的反应器，在运转时不会造成困难。含颗粒 或胶状溶液的底物不宜用于填充床及膜式反应器。

(3) 固定化酶的稳定性 采用不同的酶源，不同的固定化方法所制成的固定化酶的 比活力及固定化酶结构等性能均有差异。对反应半衰期长、能量强的固定化酶，以采用填 充床反应器为宜。若酶的比活力低，用酶量大，酶在反应过程中易于泄漏，在运作过程中 需要多次添补新酶，则采用搅拌罐式或流化床反应器为宜。

(4) 酶反应动力学影响对反应器的选择 基本上视为理想的三种反应器是分批搅拌 罐式反应器(BSTR)、填充床反应器(PFR)、连续式搅拌罐反应器(CSTR)。假定固定化酶 遵循Michaslis-Menfen方程，则可用下列基本方程式描述这些反应器性能：

BSTR：

PFR：

CSTR：

BSTR和PFR的动力学在形式上相同。它们间生产力的惟一差别是每一次反应之 间的间隙时间PFR为零。因为反应过程与反应器大小无关，PFR和CSTR的生产力与每 一反应器所需酶量有关。假如分析这两类反应器所需酶量的比例(E_CSTR/E_PFR)与不同的 S₀/K_m时的转化率(X)之间的关系，我们可以看到，当进料底物浓度S₀>>K_m，两方程成 为相同;当S₀<<X_m，两反应器便有很大差别。例如当X=0.99，S₀＝0.1K_m，以同样流速 通过底物时，CSTR需要PFR的21倍的酶。

一种固定化酶工艺的生产力和转化率是互相关联的。实际生产中转化率(X)通常是 0.8～0.99。为了增加X而增加的酶量与S₀/K_m有极大关系。服从米氏方程的酶，当 S₀/K_m很大时，在任何反应器中需要的酶量与X成正比。但当S₀/K_m相对的小，例如 S₀/K_m＝0.1时，若要将X从0.95增加到0.98，BSTR或PFR只需追加30%酶活力，而 CSTR则需追加250%。这样，为提高少量转化率，就会造成生产力的大为减少。所以设 计反应器时，必须慎重考虑转化率。而对固定化酶反应稳定、底物昂贵而产物分离困难的 转化工艺，应着重考虑产率而不是考虑生产力。

若高含量的底物对酶有抑制作用，不宜采用BSTR或PFR反应器。如果采用BSTR 反应器，可以陆续流加底物或间隙加料，则可冲稀底物含量减轻其抑制作用。CSTR反应 器由于底物与产物相混合，底物的含量相对较低，底物对酶的抑制作用很小。如果产物对 酶有抑制作用，采用PFR反应器为宜，因底物流经酶层，酶层上部产物含量很低，对酶的 影响较小，只是在酶层的底部抑制作用较大。流动床反应器及搅拌罐式反应器因酶始终 暴露在高含量产物的反应液中，对酶活力的影响甚大。对此情况，为了减少酶的损耗，采 用分批式反应器为宜。

固定化酶反应速度受到底物扩散速度的制约，这说明固定化酶的反应速度对底物浓 度的依赖更为密切了，米氏常数(K_m)表观上增加。由此说明CSTR反应器比PFR、 BSTR反应器更差。在BSTR或PFR中，底物浓度因受扩散制约而随时间或反应器床的 距离而改变。

多孔性固定化酶的扩散制约现象可以采用下列手段减小： ①减少固定化酶的比活 力; ②提高底物浓度; ③减少酶颗粒的直径; ④提高底物流径酶层的速度或加快搅拌速 度。当提高流速时，固定化酶表面的液体膜阻力减少，但提高流速也即提高了酶层压力梯 度，便产生压差。一般可采用分段装柱解决。

(5) 不同反应器的操作要求、使用范围及制作成本 酶在反应过程中会产生不同的 变化，要求采用不同的操作，如有的是好氧反应，有的则要求嫌气操作，有的产生气体;有 的反应液pH、温度发生变化，总之，根据固定化酶的性质与产物的价值等等因素需要选择 不同类型的反应器。表6-18为某些商品固定化酶采用的反应器。

表6-18 某些商品固定化酶采用的反应器