TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ


Chủ đề: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ENZYME, CÁC YẾU
TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNGCỦA ENZYME
TRONG DUNG DỊCH PHẢN ỨNG
Mơn: CƠNG NGHỆ ENZYME
1.THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ENZYME
Thiết bị phản ứng enzyme là nơi diễn ra các phản ứng chuyển hóa các hợp chất nhờ sự xúc
tác của enzyme.
Thiết bị phản ứng enzyme gồm một hay nhiều bình phản ứng nối tiếp nhau bởi các bộ phận
hổ trợ như cánh khoấy hay khối vật liệu đệm,… Có 5 loại thiết bị phản ứng cơ bản:
- Thiết bị phản ứng gián đoạn
- Thiết bị phản ứng liên tục
- Thiết bị phản ứng dạng màng
- Thiết bị phản ứng dạng cột
- Thiết bị phản ứng tầng sôi
1.1 Thiết bị phản ứng gián đoạn: (Stirred Tank Reactor - STR )
1.1.1: Cấu tạo.


Thiết bị phản ứng enzyme gián đoạn thường gồm một bình phản ứng có trang bị bộ phận
khuấy vầ các tấm ngăn làm tăng hiệu quả khuấy.

1.1.2: Nguyên tắc hoạt động.
Dung dịch cơ chất được đưa vào bình phản ứng theo từng mẻ. Sau một thời gian khuấy,
phản ứng enzyme kết thúc, toàn bộ dung dịch phản ứng enzyme được lấy ra khỏi thiết bị.
Như vậy, cả enzyme và cơ chất đều có một thời gian lưu như nhau trong thiết bị
Trong một số trường hợp, người ta có thể bổ sung thêm enzyme hoặc cơ chất để phản ứng
diễn ra triệt để( fed- batch operation )
1.1.3: Ưu, nhược điểm

- Ưu điểm:
+ Tính linh động cao: có thể dùng thiết bị đó để thực hiện các phản ứng khác nhau
tạo ra các sản phẩm khác nhau
+ Đạt độ chuyển hóa cao do có thể khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu
+ Chi phí đầu tư thấp do ít phải trang bị các thiết bị điều khiển tự động
+ Nhược điểm:
+ Năng suất thấp
+ Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa thấp
+ Mức độ độc hại và nguy hiểm đối với người sản xuất cao
+ Khó điều chỉnh và khống chế quá trình


1.2 Thiết bị phản ứng liên tục: ( Continuous Flow Reactor - CFR)
1.2.1: Cấu tạo.
Thiết bị phản ứng liên tục có cấu trúc như thiết bị gián đoạn nhưng vận hành liên tục với
vận tốc dòng cơ chất vào thiết bị bằng vận tốc dòng sản phẩm + cơ chất ra khỏi thiết bị.
Thiết bị phản ứng liên tục chỉ vận hành với enzyme cố định.
Có thể hoạt động theo hai phương thức: Có khuấy trộn và khơng có khuấy trộn.

1.2.2: Nguyên tắc hoạt động.
Dòng cơ chất được trộn lẫn hoàn toàn và tức thời với toàn bộ dung dịch phản ứng của thiết bị,
enzyme tiếp xúc với dung dịch có nồng độ cơ chất thấp và nồng độ sản phẩm cao.
Trong điều kiễn vận hành lý tưởng, toàn bộ dung dịch trong thiết bị được đảo trộn đồng đều.
Dòng sản phẩm được lưu laị trong thiết bị ngắn hoặc lâu hơn do hiện tượng đảo ngược của
dòng chảy

1.2.3: Ưu, nhược điểm.
+ Ưu điểm:
- Có khả năng cơ giới hóa tự động hóa cao



- Năng suất cao
- Chất lượng sản phẩm ổn định
+ Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư cao
- Tính linh động thấp, ít có khả năng thực hiện các phản ứng khác nhau tạo các
sản phẩm khá nhau
1.3: Thiết bị phản ứng dạng màng( membrane reator – MR)
1.3.1: Cấu tạo:
Thiết bị dạng màng được trang bị một màng bán thấm cho phép các phân tử sản phẩm đi
qua mà không cho phép các phần tử enzyme đi qua.
Thiết bị dạng màng có thể hoạt động gián đoạn hay liên tục.

1.3.2: Nguyên tắc hoạt động.
Dòng cơ chất được đưa vào một trong hai đầu của thiết bị, được bộ cánh khuấy khuấy trộn
đồng đều
Các cơ chất có thể khuếch tán qua màng  dịng sản phẩm đã được lọc đi ra ngồi
Các chất căn bã cịn lại sẽ dính trên màng, sau một thời gian làm việc thì ta phải thay màng


1.3.3: Ưu, nhược điểm.
+ Ưu điểm:
-

Giảm chi phí, và các vấn đề thường gặp phải

-

Có sự kiểm sốt chặt chẽ về vận tóc dịng


-

Tránh được các khó khăn như sự phân cực nồng độ hay vô hoạt enzyme

-

Cho phép dễ dàng thay thế enzyme đặc biệt khi enzme không bền

+ Nhược điểm:
-

Có giá thành cao

-

Chịu ảnh hưởng của hiệu ứng ức chế

1.4: Thiết bị phản ứng dạng cột: (Packed Bed Reactor - PBR)
1.4.1: Cấu tạo
Thiết bị phản ứng dạng cột có hình trụ, được lấp đầy chất mang có gắn enzyme bằng một
trong các nguyên tắc cố định enzyme.

1.4.2: Nguyên tắc hoạt động:


Cơ chất đi vào chảy dòng qua cá lớp hạt enzyme cố định theo chiều từ trên xuống song song
với trục dọc của thiết bị và không bị khuấy trộn ngược
Sau khi đi qua lớp enzyme cố định, sản phẩm sẽ đi ra ngoài theo cửa trên cảu thiết bị.

1.4.3: Ưu, nhược điểm

+ Ưu điểm:
•

-Cơ chất tại mọi khu vực trong thiết bị đều có cơ hội tiếp xúc với enzyme như nhau

•

-Cơ chất tại mọi khu vực trong thiết bị đều có cơ hội tiếp xúc với enzyme như nhau

+ Nhược điểm:
•

Kích thước lớn, khó khăn trong kiểm sốt nhiệt độ và kiểm sốt pH

•

Có hiện tượng đảo trộn ngược trong thiết bị

1.5: Thiết bị phản ứng tầng sôi:
1.5.1: Cấu tạo
Đây là thiết bị trung gian giữa thiết bị dạng cột và thiết bị phản ứng liên tục có khuấy trộn.
Thiết bị này bao gồm một lớp hạt enzyme cố định được thổi ngược lên phía trên nhờ dịng
cơ chất, có hoặc khơng kết hợp với dịng khí (oxi hay khí trơ ) hoặc các chất cần thiết cho
phản ứng diễn ra trong thiết bị


1.5.2: Nguyên tắc hoạt động.
Dòng cơ chất đi vào thổi ngược các hạt enzyme cố định lên phía trên, có hoặc khơng kết hợp
với dịng khí diễn ra trong q trình phản ứng.
Trong suốt quá trình các hạt eyme được giữ lơ lửng tạo thành trạng thái tầng sôi trong thiết bị

Sản phẩm sau khi đi qua lớp enzyme cố định sẽ đi ra ngoài theo của trên cuat thiết bị.
1.5.3: Ưu, nhược điểm.
+ Ưu điểm:
-

Có đường kính nhỏ và vận tốc dịng lớn thường có đặc tính của một thiết bi tầng sôi lý
tưởng

-

Thiết bị đặc biệt phù hợp trong trường hợp cơ chất sử dụng hoặc sản phẩm q trình ở
dạng khí

+ Nhược điểm:
- Khó khăn khi nâng cấp thiết bị
1.6 Lựa chọn thiết bị phản ứng enzyme:
Để lựa chọn thiết bị phản ứng enzyme phù hợp cần:


 Đặc tính của phản ứng enzyme:
+ Phản ứng có thuận nghịch, có bị ức chế bởi cơ chất và có bị ức chế bởi sản phẩm cuối
hay khơng.
+ Đặc tính sản phẩm
+ Dạng enzyme sử dụng ( cố định hay tự do)
+ Động học phản ứng enzyme
+ Các tính chất lý hóa của các chất mang trong trường hợp sử dụng enzyme cố định
 Năng suất và quy mô của q trình
 Mức độ kiểm sốt phản ứng và khả năng kiểm sốt tự động q trình phản ứng
enzyme: pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất hay sản phẩm
 Phụ thuộc chi phí của bản thân thiết bị và phương thức vận hành chúng

2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME TRONG DUNG DỊCH
PHẢN ỨNG:
2.1 Nhiệt độ:
-

Tốc độ phản ứng tỷ lê thuận với nhiệt độ trong một giới hạn nhất định

-

Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng emzyme cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu,
mỗi enzyme có nhiệt độ tối ưu khác nhau

-

Nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme giảm  enzyme bị biến tính

-

Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tối ưu hoạt tính enzyme yếu nhưng có thể tăng trở lại khi
tăng dần nhiệt độ

2.2 pH:
-

Ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của enzyme và cơ chất

-

Tùy enzyme sẽ có pH tối ưu khác nhau


-

Để đạt hiệu quả xúc tác, nghiên cứu và xác định nhiệt độ và pH tối ưu của enzyme là
rất quan trọng

2.3 Chất kìm hãm và hoạt hóa enzyme:
2.3.1: Chất kìm hãm:


 Chất kìm hãm: là chất làm giảm hoạt tính của enzyme do làm giảm ái lực của ezyme
với cơ chất hoặc làm enzyme mất khả năng kết hợp với enzyme
 Tác dụng: Làm giảm hoạt tính enzyme nhưng khơng bị thay đổi bởi enzyme. Cơ chế
kìm hãm có thể thuận nghịch hoặc khơng thuận nghịch
-

Có 3 loại chất kìm hãm:
+ Chất kìm hãm khơng cạnh tranh
+ Chất kìm hãm cạnh tranh
+ Kìm hãm bởi sản phẩm phẩm ứng

2.3.2: Chất hoạt hóa:
 Chất hoạt hóa: là chất làm tăng hoạt tính của eyme chúng có bản chất hóa hoạc khác
nhau
 Tác dụng:
- Giúp tăng hoạt tính enzyme ở nồng độ nhất định
- Tác dụng ức chế khi vượt quá nồng độ này
- Giúp phá vỡ một số liên kết trong phần tử tiền enzyme hoặc phục hồi các nhóm
chức năng trong trung tâm hoạt động của enzyme