【文章內(nèi)容簡介】 連續(xù)操作活塞式反應(yīng)器（ CPFR） 連續(xù)操作攪拌式反應(yīng)器（ CSTR） （一）攪拌罐式反應(yīng)器（ Stirred Tank Reactor, STR） 組成： 反應(yīng)罐 攪拌器 保溫裝置 分類： 分批攪拌罐式反應(yīng)器 流加分批攪拌罐式反應(yīng)器 連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器 分批攪拌罐式反應(yīng)器 (BSTR) 將酶和底物溶液一次性加到反應(yīng)器中，在一定條件下反應(yīng)一段時間，然后將反應(yīng)液全部取出。 1． 分批攪拌反應(yīng)器 （ Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，不需要特殊裝置，適與小規(guī)模試驗(yàn) 缺點(diǎn)是：操作麻煩，固定化酶經(jīng)反復(fù)回收使用時，易失去活性，故在工業(yè)生產(chǎn)中，間歇式酶反應(yīng)器很少用于固定化酶，但常用于游離酶。 連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器 （ Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 催化劑采用顆粒狀的固定化酶，少數(shù)應(yīng)用片狀固定化酶。 運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要不斷分出部分反應(yīng)液，同時補(bǔ)充等量的新鮮底物溶液，為不致使酶隨反應(yīng)液流失，所以在它的出口處通常有濾膜。 適于有底物抑制場合 。 缺點(diǎn)是：攪拌漿剪切力大，易打碎磨損固定化酶顆粒 3． 連續(xù)攪拌罐 超濾反應(yīng)器 酶循環(huán) （二）填充（固定）床式反應(yīng)器（ PBR） 固定化酶堆疊在一起，固定不動，底物溶液按照一定的方向以一定的速度流過反應(yīng)床，通過底物溶液的流動，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的傳遞和混合。 ? 填充床反應(yīng)器（ Packed Reactor,PBR） ,優(yōu)點(diǎn)是：高效率、易操作、結(jié)構(gòu)簡單等，因而， PBR是目前工業(yè)生產(chǎn)及研究中應(yīng)用最為普遍的反應(yīng)器。它適用于各種形狀的固定化酶和不含固體顆粒、黏度不大的底物溶液，以及接近平推流，當(dāng)有產(chǎn)物抑制時，可獲得高轉(zhuǎn)化效率。 ? 缺點(diǎn)是：傳質(zhì)和熱系數(shù)相對較低，固定化酶顆粒大小會影響壓降和內(nèi)擴(kuò)散阻力。當(dāng)?shù)孜锶芏群腆w顆?；蝠ざ群艽髸r，不宜采用 PBR。 三、流化床反應(yīng)器（ FBR） 底物溶液以足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態(tài)。 可用于處理粘性強(qiáng)和含有固體顆粒的底物，或用于需要供應(yīng)氣體或排放氣體的反應(yīng)。 適用于固定化酶進(jìn)行連續(xù)催化反應(yīng)。 流化床反應(yīng)器（ Fluidized Bed Reactor, FBR）。 FBR可用于處理黏度較大和含有固體顆粒的底物溶度，同時，亦可用于需要供氣體或排放氣體的酶反應(yīng)（即固、液、氣三相反應(yīng)）。 但因 FBR混合均勻，故不適用于有產(chǎn)物抑制的酶反應(yīng)。 四、鼓泡式反應(yīng)器 (bubble column reactor, BCR ) 利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混合兩種作用的一類反應(yīng)器，是一種無攪拌裝置的反應(yīng)器。 五、膜反應(yīng)器 將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器。 膜反應(yīng)器（ membrane reactor, MR）可以用于游離酶的催化反應(yīng)，也可以用于固定化酶的催化反應(yīng)。 用于固定化酶催化反應(yīng)的膜反應(yīng)器是將酶固定在具有一定孔徑的多孔薄膜中，而制成的一種生物反應(yīng)器。 膜反應(yīng)器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉(zhuǎn)盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應(yīng)器。 六、噴射式反應(yīng)器 利用高壓蒸汽的噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶和底物的混合，進(jìn)行高溫短時催化反應(yīng)的一種反應(yīng)器。 反應(yīng)器類型 適用的操作方式 適用的酶 特點(diǎn) 攪拌罐式反應(yīng)器 分批式 , 流加分批式 連續(xù)式 , 游離酶 固定化酶 反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。 填充床式反應(yīng)器 連續(xù)式 固定化酶 密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。 流化床反應(yīng)器 分批式 流加分批式 連續(xù)式 固定化酶 流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和 pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)。 反應(yīng)器類型 適用的操作方式 適用的酶 特點(diǎn) 鼓泡式反應(yīng)器 分批式 流加分批式 連續(xù)式 游離酶 固定化酶 鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高 ,適合于有氣體參與的反應(yīng)。 膜反應(yīng)器 連續(xù)式 游離酶 固定化酶 清洗比較困難 噴射式反應(yīng)器 連續(xù)式 游離酶 通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng) 1984年 A. Zaks 和 Klibanov 首次發(fā)表了關(guān)于非水相介質(zhì)中脂肪酶的催化行為及熱穩(wěn)定性的研究報道，引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的酶學(xué)領(lǐng)域迅速產(chǎn)生一個全新的分支 ?非水酶學(xué)。 現(xiàn)在非水酶學(xué)方法在 多肽合成、聚合物合成、藥物合成以及立體異構(gòu)體拆分等 方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景 。 八 非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng) 非水相介質(zhì)：有機(jī)溶劑反應(yīng)介質(zhì)，氣相反應(yīng)介質(zhì)，超臨界流體反應(yīng)介質(zhì)。 優(yōu)點(diǎn)： 1)酶在有機(jī)介質(zhì)中由于水分子的減少，相對來說酶分子的構(gòu)象表現(xiàn)出比水溶液中更具有“ 剛性 ” 特點(diǎn)。因而使通過選擇不同性質(zhì)的溶劑來調(diào)控酶的某些特性成為可能。 例如在有機(jī)溶劑中，可以利用酶與配體的相互作用性質(zhì)，誘導(dǎo)改變酶分子的構(gòu)象，調(diào)控酶的底物專一性 ,、立體選擇性和手性選擇性等。 (3) 由于引起酶變性的許多因素都與水的存在有關(guān) , 因此在有機(jī)介質(zhì)中酶的穩(wěn)定性得到顯著提高。 (2) 在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以改變酶促反應(yīng)的熱力學(xué)平衡向有利于合成方向（而不是水解方向）進(jìn)行。 (5) 在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行的酶促反應(yīng)，可以省略產(chǎn)物的萃取分離過程 , 提高收率，從低沸點(diǎn)的溶劑中分離純化產(chǎn)物比水中容易；酶不溶于有機(jī)介質(zhì)，易于回收再利用。 (4) 由于有機(jī)溶劑的存在 , 水量減少，大大降低了許多需要水參與的副反應(yīng)，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基轉(zhuǎn)移等。 (6) 脂溶性底物和產(chǎn)物在有機(jī)溶劑中的高度溶解性 , 有利于提高底物濃度總的水平。同時由于底物和產(chǎn)物的高脂溶性，使它們在酶分子表面的實(shí)際濃度較低 , 可以減少底物或產(chǎn)物對酶引起的抑制作用。 (7)在有機(jī)溶劑的存在下，一般不存在微生物污染問題。 (8) 由于酶不溶于有機(jī)溶劑中，所以是一個非均相反應(yīng)體系。應(yīng)用振蕩或攪拌改善底物及產(chǎn)物的交換是反應(yīng)的關(guān)鍵。 （一）有機(jī)相酶反應(yīng)具備條件 1． 保證必需水含量。 2． 選擇合適的酶及酶形式。 3． 選擇合適的溶劑及反應(yīng)體系。 4． 選擇最佳 pH值。 必需水 (Essential Water)： 維持酶催化活性所必須的最少量的水。與酶分子緊密結(jié)合的一層左右的水分子，對酶活性至關(guān)重要的。不同酶與必需水結(jié)合的緊密程度及所結(jié)合的必需水量是不同的。 把有機(jī)溶劑中酶催化反應(yīng)理解為宏觀上是非水相，而微觀上是微水相反應(yīng)。因此非水體系又稱低水體系。 脂肪酶活性與水的關(guān)系 加水量 %(V/V) 相對活力 % 0 7 92 100 75 在反應(yīng)體系中，必需水量也決定于有機(jī)溶劑。 影響酶反應(yīng)體系中需水含的因素 a．不同酶需水量不同 b. 同一種酶在不同有機(jī)溶劑中需水量不同 溶劑疏水性越強(qiáng)，需水量越少 二、有機(jī)溶劑的選擇 有機(jī)溶劑與酶活性： 溶劑主要是通過對體系中水、酶以及底物和產(chǎn)物的作用來間接地或直接地影響酶活性： (1)對吸附在酶分子上的水分的影響，溶劑可以奪走吸附在酶分子表面的必需水，破壞了維持酶蛋白構(gòu)象的氫鍵和疏水作用，降低了酶的活性和穩(wěn)定性。 (2)對底物和產(chǎn)物的影響，有機(jī)溶劑可以直接與底物、產(chǎn)物分子發(fā)生反應(yīng)，或者可以通過底物和產(chǎn)物在水相和有機(jī)相的分配，從而影響其在酶分子表面的水層中的濃度來改變酶的活性。 (3)對酶的直接影響，溶解于水層中的溶劑分子可以抑制處于水中的酶或使酶失活，酶與兩相界面的直接接觸也可導(dǎo)致酶的失活 2．選擇有機(jī)溶劑必須考慮因素 (1)有機(jī)溶劑與反應(yīng)的匹配性（即相容性） 包括反應(yīng)產(chǎn)物與溶劑的匹配性，極性產(chǎn)物傾向于保留在酶附近，可能引起產(chǎn)物抑制或不必要的副反應(yīng)發(fā)生。 相容性 例：對于酶促糖改性而言，使用疏水性的，與水不互溶的溶劑是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)椴蝗苄缘孜锖筒蝗苄缘拿钢g無相互作用，必須用親水性的溶劑（如吡啶或二甲基甲酰胺） (2)溶劑必須對于該主反應(yīng)是惰性 例：酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)涉及到醇對于酯的親核攻擊而產(chǎn)生另一種酯，如果溶劑也是酯，就會生成以溶劑為基礎(chǔ)的酯，如果溶劑是醇，也會得到類似結(jié)果。 (3)必須考慮的其他因素 溶劑的密度、黏度、表面張力、毒性、廢物處理和成本等（溶劑因底物而宜） 溶劑參數(shù) lgP：即一種溶劑在辛醇 /水兩相間分配系數(shù)的常用對數(shù)值，它能直接反映溶劑的疏水性。 三、 溶劑及反應(yīng)體系的選擇 水溶性有機(jī)溶劑：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、戊醚等 六 、有機(jī)介質(zhì)對酶性質(zhì)的影響 穩(wěn)定性 活性 專一性 反應(yīng)平衡方向 （一）穩(wěn)定性 （１）熱穩(wěn)定性提高 （２）儲存穩(wěn)定性提高 結(jié)論 在低水有機(jī)溶劑體系中，酶的穩(wěn)定性與含水量密切相關(guān)；一般在低于臨界含水量范圍內(nèi)，酶很穩(wěn)定；含水量超出臨界含水量后酶穩(wěn)定性隨含水量的增加而急劇下降。 （二）活性 單相共溶劑體系中，有機(jī)溶劑對酶活性影響 （ 1） 有機(jī)溶劑直接作用于酶 （ 2） 有些酶的活性會隨著某些有機(jī)溶劑濃度升高而增大，在某一濃度（最適濃度）達(dá)到最大值；若濃度再升高，則活性下降。 低水有機(jī)溶劑體系中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性亦變化 例：有人對吸附在不同載體上的胰凝乳蛋白酶或乙酸脫氫酶在各種水濃度下的酶活性研究表明，酶活性隨水活度大小而變化，在一定水活度下，酶活性隨載體不同而變化 在反向微團(tuán)體系中，微團(tuán)效應(yīng)使某些酶活性增加 超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性稱為超活性（ Superactivity）。 認(rèn)為：超活性是由圍繞在酶分子外面的表面活性劑這一外殼之較大剛性所引起。 （三）專一性 某一些有機(jī)介質(zhì)可能使某些酶的專一性發(fā)生變化，這是酶活性中心構(gòu)象剛性增強(qiáng)的結(jié)果。 有些在水中不能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)途徑，在有機(jī)介質(zhì)中卻成為主導(dǎo)反應(yīng)。 （四）反應(yīng)平衡方向 酶 合成產(chǎn)物 有機(jī)溶劑 使用濃 度（ %） 合成收率 （ %） 枯草桿菌蛋白酶 核糖核酸 酶 甘油 90 50 無色桿菌蛋白酶 人胰島素 DMF和乙醇 30 80 羧肽酶 牛胰核糖 核酸酶 甘油 90 50 凝血酶 人生長激 素 甘油 80 20 嗜熱桿菌蛋白酶 天冬甜味 素 乙酸乙酯 胰凝乳蛋白酶 腦啡肽 乙醇或 DMF 七、酶形式的選擇 （ 1）酶粉： 例如：有人研究 a胰凝乳蛋白酶在酒精中轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)催化活性隨反應(yīng)體系中酶量的減少而顯著增加。 （２） 化學(xué)修飾酶（疏水性修飾、反相膠束）： 例如： SOD酶經(jīng)糖脂修飾后變成脂溶性，它對溫度、 PH、蛋白酶水解的穩(wěn)定性均高于天然 SOD。 （３） 固定化酶： 把酶吸附在不溶性載體上（如硅膠、硅藻土、玻璃珠等）制成固定化酶，其對抗有機(jī)介質(zhì)變性的能力、反應(yīng)速度、熱穩(wěn)定性等都可提高。 （３） 固定化酶： 有機(jī)相中固定化后載體對酶的影響 中底物和產(chǎn)物的局部濃度。 通過選擇合適的載體可使體系中的水進(jìn)行有利分配。 用，可穩(wěn)定酶的催化活性構(gòu)象。 例： α胰凝乳蛋白酶與聚丙烯酰胺凝膠共價結(jié)合后，在乙醇中的穩(wěn)定性明顯提高，并且對有機(jī)溶劑的抗性隨酶與載體間共價鍵數(shù)量的增加而增強(qiáng)。 應(yīng)的相對速度。 例 在低水活度下把胰凝乳蛋白酶固定在聚酰胺載體上，水解反應(yīng)被抑制卻有利于醇解反應(yīng)。 八、酶在微水體系中的應(yīng)用 有機(jī)合成 氧化 光學(xué)活性物質(zhì)的合成 手性藥物的合成 油和脂肪的精制（生物柴油） 生物表面活性劑的合成 肽的合成 其他的專一性合成 化學(xué)分析（膽固醇的測定） 聚合（高聚物合成，環(huán)保材料合成） 解聚 外消旋混合物的分離 脂肪酸酯的合成 酶催化的酯交換反應(yīng)和酯合成反應(yīng)也成功的應(yīng)用到需要量小、價值高的食品、醫(yī)藥產(chǎn)品、化妝品添