【文章內容簡介】 連續(xù)操作活塞式反應器（ CPFR） 連續(xù)操作攪拌式反應器（ CSTR） （一）攪拌罐式反應器（ Stirred Tank Reactor, STR） 組成： 反應罐 攪拌器 保溫裝置 分類： 分批攪拌罐式反應器 流加分批攪拌罐式反應器 連續(xù)攪拌罐式反應器 分批攪拌罐式反應器 (BSTR) 將酶和底物溶液一次性加到反應器中，在一定條件下反應一段時間，然后將反應液全部取出。 1． 分批攪拌反應器 （ Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） 反應器結構簡單，不需要特殊裝置，適與小規(guī)模試驗 缺點是：操作麻煩，固定化酶經反復回收使用時，易失去活性，故在工業(yè)生產中，間歇式酶反應器很少用于固定化酶，但常用于游離酶。 連續(xù)攪拌罐式反應器 （ Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 催化劑采用顆粒狀的固定化酶，少數應用片狀固定化酶。 運轉過程中要不斷分出部分反應液，同時補充等量的新鮮底物溶液，為不致使酶隨反應液流失，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 超濾反應器 酶循環(huán) （二）填充（固定）床式反應器（ 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床，通過底物溶液的流動，實現物質的傳遞和混合。 ? 填充床反應器（ Packed Reactor,PBR） ,優(yōu)點是：高效率、易操作、結構簡單等，因而， PBR是目前工業(yè)生產及研究中應用最為普遍的反應器。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，當有產物抑制時，可獲得高轉化效率。 ? 缺點是：傳質和熱系數相對較低，固定化酶顆粒大小會影響壓降和內擴散阻力。當底物溶度含固體顆?；蝠ざ群艽髸r，不宜采用 PBR。 三、流化床反應器（ 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)。 可用于處理粘性強和含有固體顆粒的底物，或用于需要供應氣體或排放氣體的反應。 適用于固定化酶進行連續(xù)催化反應。 流化床反應器（ 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（即固、液、氣三相反應）。 但因 FBR混合均勻，故不適用于有產物抑制的酶反應。 四、鼓泡式反應器 (bubble column reactor, BCR ) 利用從反應器底部通入的氣體產生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用的一類反應器，是一種無攪拌裝置的反應器。 五、膜反應器 將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應器。 膜反應器（ membrane reactor, MR）可以用于游離酶的催化反應，也可以用于固定化酶的催化反應。 用于固定化酶催化反應的膜反應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器。 膜反應器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應器。 六、噴射式反應器 利用高壓蒸汽的噴射作用，實現酶和底物的混合，進行高溫短時催化反應的一種反應器。 反應器類型 適用的操作方式 適用的酶 特點 攪拌罐式反應器 分批式 , 流加分批式 連續(xù)式 , 游離酶 固定化酶 反應比較完全，反應條件容易調節(jié)控制。 填充床式反應器 連續(xù)式 固定化酶 密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業(yè)生產中普遍使用。 流化床反應器 分批式 流加分批式 連續(xù)式 固定化酶 流化床反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和 pH值的調節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應液也可進行催化反應。 反應器類型 適用的操作方式 適用的酶 特點 鼓泡式反應器 分批式 流加分批式 連續(xù)式 游離酶 固定化酶 鼓泡式反應器的結構簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質、傳熱效率高 ,適合于有氣體參與的反應。 膜反應器 連續(xù)式 游離酶 固定化酶 清洗比較困難 噴射式反應器 連續(xù)式 游離酶 通入高壓噴射蒸汽，實現酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應，適用于某些耐高溫酶的反應 1984年 A. Zaks 和 Klibanov 首次發(fā)表了關于非水相介質中脂肪酶的催化行為及熱穩(wěn)定性的研究報道，引起了廣泛的關注。傳統(tǒng)的酶學領域迅速產生一個全新的分支 ?非水酶學。 現在非水酶學方法在 多肽合成、聚合物合成、藥物合成以及立體異構體拆分等 方面顯示出廣闊的應用前景 。 八 非水介質中的酶催化反應 非水相介質：有機溶劑反應介質，氣相反應介質，超臨界流體反應介質。 優(yōu)點： 1)酶在有機介質中由于水分子的減少，相對來說酶分子的構象表現出比水溶液中更具有“ 剛性 ” 特點。因而使通過選擇不同性質的溶劑來調控酶的某些特性成為可能。 例如在有機溶劑中，可以利用酶與配體的相互作用性質，誘導改變酶分子的構象，調控酶的底物專一性 ,、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 , 因此在有機介質中酶的穩(wěn)定性得到顯著提高。 (2) 在適當的條件下，可以改變酶促反應的熱力學平衡向有利于合成方向（而不是水解方向）進行。 (5) 在有機介質中進行的酶促反應，可以省略產物的萃取分離過程 , 提高收率，從低沸點的溶劑中分離純化產物比水中容易；酶不溶于有機介質，易于回收再利用。 (4) 由于有機溶劑的存在 , 水量減少，大大降低了許多需要水參與的副反應，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和?；D移等。 (6) 脂溶性底物和產物在有機溶劑中的高度溶解性 , 有利于提高底物濃度總的水平。同時由于底物和產物的高脂溶性，使它們在酶分子表面的實際濃度較低 , 可以減少底物或產物對酶引起的抑制作用。 (7)在有機溶劑的存在下，一般不存在微生物污染問題。 (8) 由于酶不溶于有機溶劑中，所以是一個非均相反應體系。應用振蕩或攪拌改善底物及產物的交換是反應的關鍵。 （一）有機相酶反應具備條件 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。與酶分子緊密結合的一層左右的水分子，對酶活性至關重要的。不同酶與必需水結合的緊密程度及所結合的必需水量是不同的。 把有機溶劑中酶催化反應理解為宏觀上是非水相，而微觀上是微水相反應。因此非水體系又稱低水體系。 脂肪酶活性與水的關系 加水量 %(V/V) 相對活力 % 0 7 92 100 75 在反應體系中，必需水量也決定于有機溶劑。 影響酶反應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溶劑中需水量不同 溶劑疏水性越強，需水量越少 二、有機溶劑的選擇 有機溶劑與酶活性： 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)對底物和產物的影響，有機溶劑可以直接與底物、產物分子發(fā)生反應，或者可以通過底物和產物在水相和有機相的分配，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致酶的失活 2．選擇有機溶劑必須考慮因素 (1)有機溶劑與反應的匹配性（即相容性） 包括反應產物與溶劑的匹配性，極性產物傾向于保留在酶附近，可能引起產物抑制或不必要的副反應發(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實的，因為不溶性底物和不溶性的酶之間無相互作用，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是惰性 例：酯基轉移反應涉及到醇對于酯的親核攻擊而產生另一種酯，如果溶劑也是酯，就會生成以溶劑為基礎的酯，如果溶劑是醇，也會得到類似結果。 (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 lgP：即一種溶劑在辛醇 /水兩相間分配系數的常用對數值，它能直接反映溶劑的疏水性。 三、 溶劑及反應體系的選擇 水溶性有機溶劑：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 、有機介質對酶性質的影響 穩(wěn)定性 活性 專一性 反應平衡方向 （一）穩(wěn)定性 （１）熱穩(wěn)定性提高 （２）儲存穩(wěn)定性提高 結論 在低水有機溶劑體系中，酶的穩(wěn)定性與含水量密切相關；一般在低于臨界含水量范圍內，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，有機溶劑對酶活性影響 （ 1） 有機溶劑直接作用于酶 （ 2） 有些酶的活性會隨著某些有機溶劑濃度升高而增大，在某一濃度（最適濃度）達到最大值；若濃度再升高，則活性下降。 低水有機溶劑體系中，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 在反向微團體系中，微團效應使某些酶活性增加 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 某一些有機介質可能使某些酶的專一性發(fā)生變化，這是酶活性中心構象剛性增強的結果。 有些在水中不能實現的反應途徑，在有機介質中卻成為主導反應。 （四）反應平衡方向 酶 合成產物 有機溶劑 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酯反應，發(fā)現催化活性隨反應體系中酶量的減少而顯著增加。 （２） 化學修飾酶（疏水性修飾、反相膠束）： 例如： SOD酶經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，其對抗有機介質變性的能力、反應速度、熱穩(wěn)定性等都可提高。 （３） 固定化酶： 有機相中固定化后載體對酶的影響 中底物和產物的局部濃度。 通過選擇合適的載體可使體系中的水進行有利分配。 用，可穩(wěn)定酶的催化活性構象。 例： α胰凝乳蛋白酶與聚丙烯酰胺凝膠共價結合后，在乙醇中的穩(wěn)定性明顯提高，并且對有機溶劑的抗性隨酶與載體間共價鍵數量的增加而增強。 應的相對速度。 例 在低水活度下把胰凝乳蛋白酶固定在聚酰胺載體上，水解反應被抑制卻有利于醇解反應。 八、酶在微水體系中的應用 有機合成 氧化 光學活性物質的合成 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和酯合成反應也成功的應用到需要量小、價值高的食品、醫(yī)藥產品、化妝品添