酶工程制药项目一拓展

酶反应器ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器概述–用于酶进行催化反应的容器及其附属设备，称为酶反应器（enzymereactor）–功能：提供酶催化反应的场所，并提供合适的反应条件酶反应器消毒原料预处理产物分离提纯生物催化剂(酶、细胞)除菌能量热量产品空气过程调控ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的基本要求–评价生物反应器的主要标准•生产能力的大小•产品质量的高低——使产品的质量最高，生产成本最低！生物反应器生物催化剂应具有较高的比活和浓度，以达到最大转化率能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件应具有良好的传质和混合性能应具有最佳的无菌条件，避免受到杂菌污染ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•主要内容–酶反应器的类型–酶反应器的选择–酶反应器的设计–酶反应器的操作ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》一、酶反应器的类型——根据反应器结构的不同分类–搅拌罐反应器–填充床反应器–流化床反应器–鼓泡塔反应器–膜反应器–喷射式反应器ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》1、搅拌罐式反应器（stirredtankreactor，STR）–最常用的生物反应器，俗称“发酵罐”–反应器组成•反应罐•搅拌器•保温装置–搅拌式反应器操作方式•分批式（batch）•流加分批式（feedingbatch）•连续式（continuous）反应罐搅拌器保温装置ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》（1）分批搅拌罐反应器（batchstirredtankreactor，BSTR）•底物与酶一次性投入反应器内，反应后，产物一次性取出•如果采用固定化酶（细胞），反应完成之后，用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应•搅拌桨剪切力大，可能破坏固定化酶的结构，故一般适用于游离酶/细胞•操作过程染菌的几率较小SubtrateCells时间浓度0ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》（2）连续搅拌罐反应器（continuousstirredtankreactor，CSTR）•仅适用于固定化酶（细胞）•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泵入底物溶液，同时以相同流速输出反应液（含产物）•流速保持恒定，但不能过大•反应条件调节、控制较容易•染菌风险高，料液和管路的无菌要求高SubtrateCells时间浓度0ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–搅拌罐反应器的特点•结构简单•内容物混合均匀，传质阻力较小•反应条件容易控制•对可溶性、不溶性底物均适用，也适用于胶体状底物•搅拌动力消耗大•固定化酶的结构容易受剪切力影响而破坏ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》2、填充床反应器（packedbedreactor，PBR）–把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床（填充床，可直立或平放）内，底物按一定方向以恒定流速通过床层，反应后产物以同样恒定的流速流出•床层内的流动接近“平推流”•沿流动方向，底物和产物浓度是逐渐变化的，但在理想情况下，同一横截面上浓度相同SubtrateProduct轴向位移x浓度0ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–循环式填充床反应器将填充床和循环槽偶联，不断补充含有底物的新鲜料液，并及时分离出产物，可以减少产物抑制，保证产物的连续生产。ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–填充床反应器的特点•单位体积催化剂负载量高，催化效率高•可减少产物抑制•流体垂直向下流动时，底部的固定化酶颗粒受到床层压力较大（床层的垂直压降），颗粒容易破碎•流体在床层内微观流动形态复杂，存在“沟流”和“短路”现象，特别是颗粒不均一或填充不均匀时•床层有发生堵塞的可能ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》3、流化床反应器（fluidizedbedreactor，FBR）•通过流体至下而上的流动使固定化酶颗粒在悬浮翻腾状态下进行催化反应的反应器•液体的混合程度介于CSTR和PBR之间•颗粒大小、密度差异不能太大，否则易被“吹出”ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–循环式流化床反应器将流化床和循环槽偶联，使底物循环利用，并可减少产物抑制，保证产物的连续生产。操作时应控制好料液的流动速率，以防小颗粒被吹出。ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–流化床反应器的特点•具有良好的传质及传热性能，反应条件控制较容易•床层压降小，不易堵塞，适于处理黏度高的液体•能处理粉末状底物•颗粒酶易机械破损•单位体积内催化剂密度低•需保持一定流速，运行成本高ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》4、鼓泡塔反应器（bubblecolumnreactor，BCR）•利用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反应器•无搅拌器，靠气流作用搅拌•适用于游离/固定化酶（细胞）•气体入口处有气流分布器，产生分散均匀的小气泡ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–鼓泡塔反应器的型式简单鼓泡式内循环式外循环式ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–鼓泡塔反应器的特点•气－液－固三相系统，涉及气体吸收或产生的反应，采用此类型反应器效果较好•气－液传质、传热效果好•可用于连续反应，也可用于分批反应•剪切力小，对结构较脆弱的细胞和固定化载体有利•单位体积内催化剂密度低ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》5、膜反应器（membranereactor，MR）•将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器•游离酶和固定化酶均适用•膜反应器分类–平板状或螺旋状反应器–转盘型反应器–空心酶管反应器–中空纤维膜反应器–超滤膜反应器ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》（1）中空纤维膜反应器•数千根醋酸纤维制成的中空纤维管固定在反应器中–内径200～500m，外径300～900m–内层紧密光滑，多微孔，具一定分子量截留值（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）ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•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。ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•操作方式反冲式反循环式ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》（2）超滤酶膜反应器将超滤膜分离器与连续搅拌式反应器（CSTR）偶联，将酶和小分子底物/产物通过超滤分离，由于酶分子量大，不能透过超滤膜而被截留，可循环使用。透过超滤膜的产物和部分未反应完全的底物再进入下一工序进行分离。ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–膜反应器的特点•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•可作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有抑制作用时•酶易在膜上吸附损失或浓缩极化•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ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》6、喷射式反应器（projectionalreactor，PR）•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•适用面较狭窄，仅用于耐高温游离酶的连续催化反应ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》反应器类型操作方式适用酶优点缺点–酶反应器特点小结ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》–酶反应器特点小结反应器类型操作方式适用酶主要特点搅拌罐分批、流加、连续式游离酶固定化酶设备简单，操作方便；酶与底物混合较均匀；传质阻力小；反应条件易控填充床连续式固定化酶设备简单，操作方便；单位体积内催化剂密度高；床层有一定压降流化床连续式固定化酶混合均匀，传热传质效果好；不易堵塞，可处理黏度较大的料液鼓泡塔分批、流加、连续式游离酶固定化酶剪切力小；混合效果好，传热传质效率高；适用于有气体参与的反应膜反应器连续式游离酶固定化酶集反应和分离于一体，效率高；膜孔容易堵塞；存在浓差极化现象；放大成本高喷射式连续式游离酶瞬时催化，仅适用于耐高温游离酶ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》二、酶反应器的选择–依据酶的应用形式•游离酶•固定化酶–依据酶反应动力学性质–依据底物/产物理化性质–其他考虑因素•操作的简便性•运行的经济性ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的选择——酶的应用形式–游离酶适用的反应器•特点：均相反应•常用：搅拌罐式反应器•有气体参与：鼓泡塔反应器•昂贵的酶：膜反应器——酶回收较容易•耐高温酶：喷射式反应器–不宜采用的反应器•填充床式反应器•流化床式反应器ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的选择——酶的应用形式–固定化酶适用的反应器•特点：非均相反应，多采用连续式操作•影响因素：固定化酶的形状、颗粒大小、稳定性•颗粒状固定化酶/细胞–搅拌罐反应器——桨叶剪切力大，对颗粒有机械强度要求–填充床反应器——颗粒堆积密度大；床层压降大–流化床反应器——混合效果好；动力消耗大；有机械强度要求–鼓泡塔反应器——即“三相流化床”•非颗粒状固定化酶/细胞——膜反应器–不宜采用的反应器•喷射式反应器ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的选择——依据酶反应动力学性质–影响因素：1)酶与底物的混合程度•要使酶与底物有效结合，必须保证酶与底物分子有效地碰撞•混合效果好–搅拌罐反应器–流化床反应器–鼓泡塔反应器•混合效果较差–填充床反应器–膜反应器•改善混合特性——辅助搅拌ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的选择——依据酶反应动力学性质–影响因素：2)底物浓度及其抑制作用•底物的浓度受其对酶抑制情况的制约防止底物浓度过高•游离酶–膜反应器连续式操作–搅拌罐反应器流加式操作/连续式操作•固定化酶–搅拌罐反应器–填充床反应器–流化床反应器–膜反应器连续操作ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的选择——依据酶反应动力学性质–影响因素：3)产物浓度及其抑制作用•产物的过度积累造成抑制设法将产物移出反应器•游离酶——膜反应器•固定化酶——膜反应器、填充床反应器–影响因素：4)酶反应温度•耐高温酶喷射式反应器–优点：加速反应，缩短反应时间，催化效率高ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》•酶反应器的选择——依据底物/产物理化性质–底物/产物的物理状态•溶解状态（包括乳浊液）•颗粒态•高黏度液体•含气体•分子量较大•具有辅酶的反应适用于各类反应器宜采用搅拌罐/流化床反应器宜采用鼓泡塔反应器一般不采用膜反应器一般不采用膜反应器ReactorsforEnzymaticCatalysis《酶工程制药》三、酶反应器的设计–设计目的•设计出一个既能发挥生物反应的优点，又可克服一些限制因素，以最低的生产成本，获得最高的产量和质量的酶反应器–