生物制药设备文献综述综述题目微反应器及固定化酶微反应器的研究与进展英文题目Current situation and development trend of microreactor and immobilized enzyme microreactor 专业生物制药（卓越工程师）院部生命科学与技术学院学号14404806姓名龙益如目录微反应器及固定化酶微反应器的研究与进展 (3)前言 (4)1微反应器的概念、分类及结构 (5)1.1微反应器的概念 (5)1.2微反应器的分类 (5)1.3微反应器的结构 (5)2微反应器的特点 (6)2.1比表面积的增大和体积的减小 (6)2.2对反应温度的精确控制 (7)2.3对反应时间的精确控制 (7)2.4物料以精确比例瞬间均匀混和 (7)2.5结构保证安全 (7)2.6无放大效应 (7)3固定化酶微反应器 (8)3.1固定化酶微反应器概述 (8)3.2固定化酶微反应器的制备 (8)3.2.1共价键合法 (9)3.2.2物理吸附法 (10)3.2.3配位络合法 (11)3.2.4生物固定法 (11)3.2.5包埋法 (12)3.3固定化酶微反应器的应用 (12)4微反应器的应用 (15)4.1精细化工和制药工业 (15)4.2生物化学 (15)4.3多功能集于一体的微反应器 (16)5微反应器研究概况及存在的问题 (16)6展望 (18)参考文献 (19)微反应器及固定化酶微反应器的研究与进展14404806 龙益如摘要：微反应器是微化工技术的核心之一，是一类新型反应设备，在微结构的作用下，可形成微米尺度分散的单相或多相体系的强化反应过程，从而具有反应温度和时间精确控制等优点。

固定化酶微反应器是将生物分子固定技术与生化微反应相结合制备的一种固定化催化装置。

这种微型化的反应系统由于兼具固定化酶的特异性催化、可重复利用及微分析的低消耗、易分离等优点，在生命科学如蛋白质组学、酶抑制剂的筛选、生物催化等领域具有非常重要的作用。

主要介绍微反应器的特点和研究进展以及固定化酶微反应器的制备和应用等内容。

关键词：微反应器；固定化酶微反应器;微反应器放大；微反应器应用。

前言微化工技术是化工学科的前沿，以微反应器、微混合器、微分离器、微换热器等设备为典型代表，着重研究微时空尺度下“三传一反”特征与规律; 采用精细化、集成化的设计思路，力求实现过程高效、低耗、安全、可控的现代化工技术，成为国内外学术界和工业界的研究热点。

进入21 世纪，微化工技术进入快速发展期，国内外研究者们开发了多种新型微化工设备，通过对其内部微结构构型、特征尺度及表/界面效应的研究，为从新视角认识微化工过程共性规律和实现微尺度下“三传一反”耦合过程的理性解耦和建立微化学工程理论体系提供了借鉴与指导。

微反应器是微化工技术重要的核心之一，是一类新型的反应设备，一般通过微加工技术和精密加工技术制造的带有微结构( 通道、筛孔及沟槽等) 的反应设备，在微结构的作用下，可形成微米尺度分散的单相或多相体系的强化反应过程。

近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方向的研究工作发展十分迅速，带动了微反应器技术的快速发展。

固定化酶微反应器实现了酶的可重复利用和样品的微量低耗高效快速分析，非常有利于微量生物活性物质的高选择性催化与鉴定。

这既为生命科学研究提供了新的可能，也为分析科学开辟了新的方向，是一极有发展前途的研究领域。

本文将主要着眼于微反应器，并以固定化酶微反应器为例介绍相关研究及进展。

1微反应器的概念、分类及结构1.1微反应器的概念“微反应器（microreactor）”最初是指一种用于催化剂评价的动力学研究的小型管式反应器，其直径约为10 mm。

随着本来用于电路集成的微制造技术逐渐发展和推广于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化，专门修饰用微加工技术制造的化学系统，此时的“微反应器”是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构元件。

微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级，所要求的化学反应在这些通道中进行。

因此，微反应器又叫“微结构”或“微通道”反应器。

1.2微反应器的分类按照不同的分类方法，微反应器有多种类型。

下图1是分别按照操作方式、反应相态、混合方式、几何结构、和用途对微反应器进行的简单分类。

图1 微反应器的分类Fig.1 Classification of microreactors其中，按混合方式分为主动式混合器和被动式混合器。

被动式混合不需要外部能量的加入，混合过程完全通过扩散或对流完成；而主动式混合则要通过外场，如电场、温度场、磁场和超声波等强化作用实现。

1.3微反应器的结构微反应器具有分立的三维结构，具有多个直径为几微米至几百微米的反应通道，反应体积范围为几纳升至几微升，反应通道的总长度通常为几厘米，是一种建立在连续流动基础上的微管道式反应器，用以替代传统反应器，如玻璃烧瓶、漏斗，以及工业有机合成中常用的反应釜等传统间歇反应器。

在微型反应器中有大量的以精密加工技术制作的微型反应通道，可以提供极大的比表面积，传质传热效率极高。

另外，微型反应器以连续流动代替间歇操作，使准确控制反应物的停留时间成为可能。

这些特点使有机合成反应在微观尺度上得到精确控制，为提高反应选择性和操作安全性提供了可能。

微反应器在结构上常采用一种层次结构方式，先以亚单元形成单元，再以单元来形成更大的单元，依此类推，如图2。

这种特点与传统化工设备有所不同，便于微反应器以“数增放大”的方式来对生产规模进行方便地扩大和灵活地调节。

图2 微反应系统的层次结构Fig.2 The structure of microreaction system2微反应器的特点微反应器的特性决定了它在特定化学和化工领域的应用，有着大反应器无法比拟的优越性，主要表现在以下几个方面。

2.1比表面积的增大和体积的减小在微反应设备内，由于减小了流体厚度，相应比表面积得到了显著的提高。

通常微通道设备的比表面积可以达到10000～50000 m2/m3，而常规实验室或工业设备的比表面积不会超过1000 m2/m3或100 m2/m3。

因此，比表面积的增加除了可以强化传热外，也可以强化反应过程，例如，高效率的气相催化微反应器就可以采用在微通道内表面涂敷催化剂的结构。

目前已有的界面积最大的微反应器为降膜式微反应器，其界面积可以达到25000m2/m3，而传统鼓泡塔的界面积只能达到100 m2/m3，即使采用喷射式对撞流的气液接触式反应器的比表面积也只能达到2000 m2/m3左右。

若在微型鼓泡塔中采用环流流动，理论上其比表面积可以达到50000 m2/m3以上。

2.2对反应温度的精确控制微型反应设备极大的比表面积决定了微型反应器有极大的换热效率，即使是反应瞬间释放出大量热量，微型反应器也可及时将其导出，维持反应温度稳定。

而在常规反应器中的强放热反应，由于换热效率不够高，常常会出现局部过热现象。

2.3对反应时间的精确控制常规的批次反应往往采用将反应物逐渐滴加的方式来防止反应过于剧烈，这就使一部分物料的停留时间过长。

而微型反应器技术采取的是微管道中的连续流动反应，可以精确控制物料在反应条件下的停留时间。

一旦达到最佳反应时间就立即将物料传递到下一步反应，或终止反应，这样就有效避免了因反应时间长而导致的副产物。

2.4物料以精确比例瞬间均匀混和在那些对反应物料配比要求很严格的快速反应中，如果混合不够好，就会出现局部配比过量，导致产生副产物，这一现象在批次反应器中很难避免，而微型反应器的反应通道一般只有数十微米，物料可以按配比精确快速均匀混和，从而避免了副产物的形成。

2.5结构保证安全与间歇式反应釜不同，微型反应器采用连续流动反应，因此在反应器中停留的化学品数量总是很少的; 而且由于微型反应器换热效率极高，即使反应突然释放大量热量，也可以被迅速导出，从而保证反应温度的稳定，减少了发生安全事故和质量事故的可能性。

2.6无放大效应微反应器是单独的反应系统，快速放大只是简单的将微反应器进行平行叠加，即所谓的数增放大（Numbering- up）。

在对整个系统进行优化时，只需对单个反应器进行模拟和分析，这使在反应器的开发过程中，不需要制造昂贵的中试设备，而且节省了中试时间，缩短了开发周期。

3固定化酶微反应器3.1固定化酶微反应器概述酶作为天然的生物催化剂，能高效特异催化各种生化反应，在生命活动中发挥着关键作用。

由于酶作用的底物主要是各种蛋白，而生命体内的蛋白含量低且制备难。

因此，发展建立灵敏快速高效的分析方法以便在离体下实现酶对微量蛋白的高效催化和快速检测是当前所面临主要问题之一，已成为生物学、化学、医学和药学等共同关注的热点。

固定化酶微反应器的出现为解决这一问题提供了重要支撑。

固定化酶微反应器是生物分子固定技术和微反应相结合的一种微生化反应装置。

这种微型化的酶反应器利用化学、物理或生物方法，将目标酶在保持活性的前提下构筑于特定载体上而发挥生物催化作用。

由于它集合了固定化酶及微量分析的优势，具备稳定性强、可重复利用和易分离等优点，是一种低耗高效且易于自动化的酶催化反应工具，在蛋白质酶解、生物转化以及抑制剂筛选等方面具有独特优势。

3.2固定化酶微反应器的制备固定化酶微反应器的制备因酶类型、载体材料及固载方式不同而有所区别。

本文着重从酶和载体的固定方式并结合载体材料，论述近年来固定化酶微反应器的各种制备方法。

图3 酶的固定化方法Fig.3 The methods for enzyme immobilization3.2.1共价键合法共价键合法是化学制备固定化酶微反应器最常用的方法，主要利用各种连接臂、交联剂和活化剂等使酶共价偶合或交联于载体。

酶和载体间多基于酰胺键合，连接臂或交联剂多为含双活性基团的物质，如戊二醛( GA) 、1-乙基-3-( 3-二甲基氨丙基) -碳二亚胺( EDC) /羟基琥珀酰亚胺( NHS) 等。

酶的固定化可实现分析物与酶的高效反应和分离，而共价法的优点在于酶和载体结合牢固，反应器稳定性好。

国外科研工作者基于硅玻璃载体发展了一种灵活可变的共价键合酶技术。

如图4，先将［( 氯甲基) 苯基乙基］三氯硅烷与载体表面硅羟基连接，用二乙基二硫代氨基甲酸钠( DDTC) 官能化，之后放入异丁烯酸( MAA) 水溶液中紫外照射，使表面形成异丁烯酸聚合物刷; 用EDC /NHS 活化聚合物刷末端羧基之后与酯酶键合。

该法既可通过改变聚合物层厚度来调控催化位点的数量，也可选择单体类型提供与酶易于结合的官能团。

反应器稳定性很高，放置40d 后仍可反复使用。

交联剂的性质对反应器性能有较大影响。

图4 基于硅玻璃载体的共价结合酶反应器示意图共价法制备的反应器稳定性虽好，但一旦制备往往无法再生或更换，且限于载体性能无论是固载酶的活性还是催化效率都有待进一步提高。