酶工程制药项目一拓展

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Reactors for Enzymatic Catalysis,酶工程制药,酶反应器,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（enzyme reactor）,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,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,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,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,酶工程制药,1、搅拌罐式反应器,（stirred tank reactor，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（feeding batch）,连续式（continuous）,反应罐,搅拌器,保温,装置,酶工程制药,（1）分批搅拌罐反应器,（batch stirred tank reactor，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,Subtrate,Cells,时间,浓,度,0,酶工程制药,（2）连续搅拌罐反应器,（continuous stirred tank reactor，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,Subtrate,Cells,时间,浓,度,0,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,酶工程制药,2、填充床反应器,（packed bed reactor，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,Subtrate,Product,轴向位移,x,浓,度,0,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。,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,酶工程制药,3、流化床反应器,（fluidized bed reactor，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,CST,R,和 PBR,之间,颗粒大小、密度差异不能太大，否则易被“吹出”,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。,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,酶工程制药,4、鼓泡塔反应器,（bubble column reactor，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,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,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,酶工程制药,5、膜反应器,（membrane reactor，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,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 200500,m，外径 300900,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）,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。,酶工程制药,操作方式,反冲式,反循环式,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。,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,酶工程制药,6、喷射式反应器,（projectional reactor，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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,设计的原理和依据,酶促反应动力学，以及受温度、压力、pH 等操作参数的影响,反应器的型式和反应器内流体的传递特性,需要的生产量及生产工艺流程,上述 3 项组合建立的式子称为,设计方程式,或,操作方程式,酶工程制药,酶反应器的设计,建立数学模型,把所要设计和控制的各个变量（设计变量和操作变量）以数量表示，制订出可进行最优化的定量函数（目标函数或评价函数）,反应器设计中的关系式,流动特性,物料平衡,热量平衡,反应动力学, 动量衡算, 动量传递, 质量衡算, 质量传递, 热量衡算, 热量传递, 反应速率,“三传一反”,酶工程制药,酶反应器的设计,步骤一：确定反应器类型, 反应器的选择,步骤二：确定反应器的制造材料,一般的产品采用不锈钢制造容器即可，无特殊要求,步骤三：热量衡算,酶催化反应般在 3070,o,C 常温下进行，热量衡算较简单,根据冷却水的流量和温度变化来计算,喷射式反应器：根据蒸汽的热焓和用量计算,酶工程制药,酶反应器的设计,步骤四：物料衡算,直接决定了产量和产率,(1) 确定酶反应动力学参数,(2) 计算底物用量,(3) 计算反应液总体积,(4) 计算酶用量,(5) 计算反应器数目,酶工程制药,酶反应器的设计 物料衡算,(1) 确定酶反应动力学参数,底物浓度,通过米氏方程定量,注意底物抑制情况,酶浓度,考虑生产成本问题，不宜使用过多的酶,温度、pH 值 采用最适值或在其附近,激活剂、抑制剂 激活 / 抑制动力学,酶工程制药,酶反应器的设计 物料衡算,(2) 计算底物用量,产量：以“年产量,P,y,（kg/y）”表示,分批式：“日产量,P,d,（kg/d）”,连续式：“每小时产量,P,h,（kg/h）”,产物转化率,Y,P/S,：产物生成量,P,(kg) 与投入底物量,S,(kg) 之比,S,0, 反应前的底物浓度，g,L,-1,S,t, 反应后的底物浓度，g,L,-1,(9-1),(9-2),酶工程制药,酶反应器的设计 物料衡算,(2) 计算底物用量,收率,R,：分离得到产物量,P,sep,和反应生成产物量,P,form,之比,底物用量,S,：由产量,P,、转化率,Y,P/S,和收率,R,计算得到,注意：,P,y,、,P,d,、,P,h,和,P,的单位是不同的,(9-3),(9-4),酶工程制药,酶反应器的设计 物料衡算,(3) 计算反应液总体积,反应液总体积,V,t,由底物用量及其初始浓度计算,(4) 计算酶的用量,所需酶量,E,为酶浓度 ,E, 与反应液体积,V,t,的乘积,注意 1：酶的用量以,活力单位 U,表示,注意 2：一般从,经济角度,来考虑酶的用量,(9-5),(9-6),酶工程制药,酶反应器的设计 物料衡算,(5) 计算反应器数目,反应器的有效体积,V,0,单个反应器可容纳反应液的最大体积，一般为总体积的 7080%,反应器的生产强度,Q,P,（连续式）反应器在单位时间内，单位体积反应液所生产的产物的质量，一般以 g,L,-1,h,-1,为单位,P,h, 每小时获得的产物量，g,h,-1,V,h, 每小时获得的反应液体积，L,h,-1,(9-7),酶工程制药,酶反应器的设计 物料衡算,(5) 计算反应器数目,对于分批式反应器，用每天获得的反应液总体积,V,d,表示：,对于连续式反应器，用每小时获得的反应液总体积,V,h,表示：,或用生产强度,Q,P,计算：,(9-8),(9-9),(9-10),酶工程制药,四、酶反应器的操作,反应器操作的要求,选择高品质的酶,选择恰当的酶应用形式,选择和设计合适的酶反应器,确定合理的反应操作条件,各因素相互关联，相互影响！,酶工程制药,酶反应器的操作,操作条件确定及其调控,反应温度,pH 值,底物浓度,酶浓度,搅拌速度,流动速度（连续式）,酶反应器操作注意事项,酶工程制药,酶反应器的操作条件及其调控,反应温度,反应温度一般维持在酶的最适温度附近,恒温方法：冷却 / 加热系统,pH 值,保持反应体系的 pH 值在最适 pH 值附近,分批式反应器：先将底物溶液调到酶最适 pH,连续式反应器：调好 pH 的底物溶液连续加到期反应器中,加酸 / 碱调节,采用缓冲液维持反应体系 pH,酶工程制药,酶反应器的操作条件及其调控,底物浓度,底物浓度并非越高越好（为什么 ？）,适宜的底物浓度：510,K,m,分批式：逐步流加法,连续式：控制流动速率使底物浓度保持恒定,酶浓度,底物量一定时，催化速率与酶浓度成正比,酶的成本为限制性因素,酶的循环数：使用一段时间后需对酶进行补充更换,酶工程制药,酶反应器的操作条件及其调控,搅拌速度,搅拌的目的：加强底物与酶的碰撞；强化热量传递,控制搅拌速度，防止过快或过慢,料液流动速度（连续式反应器）,反应器,流速快,流速慢,填充床反应器,酶与底物接触不充分，反应不完全；压降较大,酶和底物接触时间长，反应完全；生产效率较低,流化床反应器,物料被吹出；固定化酶结构有可能被破坏,物料不能充分流化，影响催化剂与底物的接触,膜反应器,浓差极化使膜孔堵塞,反应液充分混合，可减少浓差极化；产率较低,酶工程制药,酶反应器操作注意事项,保持反应器操作的稳定性,(1) 控制酶反应器中的流动状态,流动方式不当造成的后果,酶与底物接触不良,产生副反应,压降加大，产生沟流或堵塞,原因,解决办法,搅拌不均或过快，酶分布不均,调节搅拌速度,填充床中柱高和流速产生压降造成载体压缩或破碎,对固定化材料进行改进；采用球型填料；严格控制流速,壅塞现象（固体或胶体物沉积妨碍了底物与酶接触）,间隔式填充，反冲床重新装柱，通上行气流；底物预处理并高速循环,酶工程制药,酶反应器操作注意事项,保持反应器操作的稳定性,(2) 维持恒定的生产能力,控制流速,连续或间隔降低流速可维持转化率恒定，但要根据产物量决定流速，而不能按活性或一定时间内达到的百分转化率,控制温度,较复杂的温度变化可用微机处理，精确控制和调节恒温水的流量,反应器串、并联,错开起动,采用错开起动，掌握好反应器切换的时间，能使在预定的输出或转化水平时具有最小波动，反应器也能平稳工作,酶工程制药,酶反应器操作注意事项,防止酶的变性失活,防止酶的变性或中毒失活,防止固定化酶自溶或载体磨损造成的酶损失,影响因素,解决办法,温度,等于或低于最适温度,pH、离子强度,严格控制在适宜范围,抑制剂,进料中添加螯合剂如 EDTA 可以除去重金属离子,剪切力,防止过度剧烈的搅拌或固定化颗粒的激烈碰撞,酶工程制药,酶反应器操作注意事项,防止微生物污染,酶反应器虽不必在完全无菌下操作，但要具备一定的卫生条件,不易发生染菌的情况,某些产物能抑制微生物生长：抗生素、酒精、有机酸等,某些高温下的酶催化反应：,-淀粉酶、,Taq,DNA 聚合酶,在过酸过碱、有机相中的反应,避免染菌的主要方法,向底物加杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂或将底物料液预先过滤,高浓度底物可提高渗透压，降低水活度，抑制微生物生长,每次使用后消毒，如用酸性水或含 H,2,O,2,、季铵盐的水反冲,连续运转中可周期性用 H,2,O,2,或 50% 甘油水溶液处理反应器,酶工程制药,The End,酶工程制药,休息,休息,酶工程制药,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,酶反应器。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备，称为酶反应器（enzyme reactor）。 使产品的质量最高，生产成本最低。 根据反应器结构的不同分类。对可溶性、不溶性底物均适用，也适用于胶体状底物。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。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。催化剂（酶、细胞）与底物、产物分离容易。分批、流加、连续式。影响因素：固定化酶的形状、颗粒大小、稳定性。酶促反应动力学，以及受温度、压力、pH 等操作参数的影响。 直接决定了产量和产率。反应液总体积 Vt 由底物用量及其初始浓度计算。单个反应器可容纳反应液的最大体积，一般为总体积的 7080%。对于连续式反应器，用每小时获得的反应液总体积 Vh 表示：。(9-9)。各因素相互关联，相互影响。反应温度一般维持在酶的最适温度附近。酶的循环数：使用一段时间后需对酶进行补充更换,