【背景介紹】
雖然藥物研究中自動化的趨勢越來越強，但是高通量化學仍往往以釜式的形式進行；而使用連續流的工藝卻僅限于生產過程中。與間歇反應器不同，流動裝置的產出可以在不改變硬件或設置條件的情況下做出改變。這種靈活性節省了開發的時間和成本。連續方法的主要優點在于易于自動化、可重復性進行、反應安全以及過程更容易控制。其改進的控制能力還可以提供更好的產量和生產率（圖1）。完全優化的流程可用于在單一工藝中從廉價和簡單的起始原料連續合成復雜的產品。這在釜式工藝中是一項無法完成的任務。

圖1 連續方法的主要優點

傳統上的觀點認為，流動系統不能有效地處理多相體系和長反應時間的反應?，F代合成化學的高速發展卻彌補了連續流動過程的不足，即使用固定化催化劑或試劑。在合成化學中已經有很多運用連續流動過程的實例。然而，流動反應器在生物反應中的應用仍然是很有限的。

在微型反應器中，層流反應器占有主導地位，其在一個非常小的通道中混合反應物。當然，這些類型的反應器受到其規模的限制，但它們所表現出的優勢對流動化學的成功至關重要。C-Tech Innovation公司的工作將利用這些優勢，將工藝擴大到生產前規模的級別。

三家英國科技公司，C-Tech Innovation、Ingenza和AM Technology正在合作開發用于生物轉化的新流動化工藝技術。該項目將整合生物工藝開發的各個方面，從催化劑的發現和工程，到工藝設計，再到高價值產品的小規模制造。該項目的主要重點是間歇工藝和連續流工藝之間進行比較。使用簡單的手性拆分作為試驗反應，比較了1L罐式反應、Coflore ACR（實驗級連續多級攪拌反應器）和Coflore ATR（工業級連續多級攪拌反應器）反應器的表現。該項目提供了一個機會，使反應器形式發生必要的根本改變，以適應生物催化過程的特點，并將反應過程比較發表于chemical engineering research and design 9 0 ( 20 1 2 ) 726–731 ，doi:10.1016/j.cherd.2012.01.018。

過程強化從根本上提高了空間和時間的產出，同時也開發了能夠容納游離和固定化酶/細胞的裝置，以提高生物催化劑的性能，建立不受壓降與許多柱式連續反應器相關的不良傳質和催化劑載體磨損等問題困擾的連續工藝。該項目中提出的反應器改造、重新設計與試驗將為反應器的安全運行提供便利。這些工具將縮短工藝開發進程，并幫助建立高效的連續生物催化過程。

【實驗過程】

使用野生型D-氨基酸氧化酶（DAAO）可將D-氨基酸氧化，得到L-氨基酸和酮酸的混合物，從而生物催化拆分DL-氨基酸（圖2）。該生物催化劑由表達DAAO酶的畢赤酵母發酵生產。將發酵產生的完整細胞凍干并加入到生物轉化容器中。氧氣作為氧化劑，通過一個充氣的氣體入口加入反應。由于所用容器的氣液傳質限制，氧氣通常是限制因素。反應由HPLC監測，當L-氨基酸的對映體過量（ee）>99%時，認為反應完成。

圖2 生物催化拆分DL氨基酸

在氨基酸氧化酶的情況下，將金屬催化還原與氧化酶生物催化劑結合，以實現外消旋起始材料的去對稱化，進而制備高光學純度的目標產物。在生物過程中其他試劑的使用引入了額外的參數，這些參數若使用傳統的攪拌槽反應器容器，就會增加為實現每個目標而開發和優化流程的復雜性和時間。反應的副產物是過氧化氫，它可以通過以下方式影響反應:（a）引起生物催化劑的分解，（b）與酮酸產物反應產生C-1羧酸（例如丙酮酸至乙酸）。

因此，該項目的主要創新點是將高度適應性和可控性的Coflore反應器與生物轉化相結合，該生物工藝從根本上具備成本競爭力，并且其工藝的開發時間也大大縮短。

【Coflore連續多級攪拌反應器】

Coflore ACR是一種多級流動反應器，用于實驗室開發和基于傳統化學工藝的小規模制造。ACR的核心是一個反應模塊，其上有10個大小相等的反應池，通過溝槽通道相互連接（圖3）。設計中采用了傳熱板和10個玻璃窗來監控每個單元。在每個反應池內部，可以安裝攪拌器，它們可以承載不同的功能，例如提供靈活的反應池體積，確保一致的混合，適應不同粘度的流體，并為催化劑提供控制。反應器塊安裝在攪拌平臺上，該攪拌平臺使攪拌器移動，并且可以通過改變攪拌強度以實現從輕微到劇烈的震動（圖4）.簡單的內部幾何結構和貫穿Coflore反應器的強烈混合能力提供了保持多相混合物懸浮和分散的有效方法，進而保持反應物通過反應器時的有序流動。

圖3 ACR裝置圖

圖4 安裝在振動臺中的ACR

整個裝置占地面積小，適合在標準研究實驗室臺面或通風柜上使用。該反應器的初步試驗集中在了解反應物的物理行為，如混合、懸濁液的吞吐量以及三相反應的性能。這些試驗的結果顯示了在工藝效率方面的實際改善（與傳統攪拌槽系統相比，顯示出了產量增加、混合改善以及試劑的有效使用等優勢）。在本研究中，產品在控溫的條件下流過十個攪拌槽。動態混合可允許在實驗室規模上測試不同的停留時間（最多幾個小時），且不會對混合和塞流能力產生不利影響。氧氣從第一個反應池的前端注入，并向上流向出口。這種混合足以使得氣體在液體中實現很好的分散，從而實現良好的傳質和快速的反應時間（圖5）。標準連續流反應器最棘手的問題是，由于在背壓調節器和小規管接頭處或在反應器通道的急轉彎處出現固體堆積而產生的垢。而Coflore ACR可以很好的防止結垢的產生。

圖5 在ACR中的氣固兩相

攪拌器快速反向橫向移動，從而產生無需擋板的高效混合。與傳統的旋轉混合方法相比，這種橫向混合方法避免了不同密度材料的離心分離問題。攪拌器不使用驅動軸作為動力，這就否定了進一步機械密封或磁力聯軸器的要求，并避免了與密封泄漏、緩沖液和穩定襯套相關的問題。關于混懸體系的處理，目前可用的反應器只是針對具體的反應路線而并沒有給出一般的解決方案。而Coflore ACR的設計非常簡單，沒有死體積導致固體堆積。這種特殊的混合方式是保持懸浮液均勻分散和防止固體沉降的理想方式。

圖6–ATR是工業級連續多級攪拌反應器，使用與ACR相同的混合技術。容量:0.25–10 L

圖7- COFLORE ATR工業級連續多級攪拌反應器平臺

【CofloreTM攪拌管式反應器】

Coflore ATR是一個具有松散攪拌元件的管式反應器（圖6）。通過增加反應池的長度，當從實驗室規模擴大到工業規模時，工藝關鍵參數（塞流、混合和傳熱）基本保持不變。

圖8 從側面看，大直徑彈簧以高混合速度工作，具有高氣體分數。增加的氣體濃度導致更高的混合強度，以產生良好的小氣泡的分散

圖9從上方觀察。以中等速度運轉的小直徑彈簧。這會產生大小均勻的氣泡和良好的分散性

反應器本體安裝在搖動平臺上，由一系列夾套反應器管組成。當反應器主體被搖動時，松散的攪拌器元件產生強烈的徑向混合。攪拌器的設計可以進行改變與調整，以實現良好的混合和適應的表面體積比（高達1000m2/m3）。

Coflore ATR原型是一個10級反應器，容量為10升，總長度為8米（圖7）。初始混合試驗在40mm玻璃反應器管（為了獲得良好的可視性）中進行，使用簡單彈簧作為混合器。這次實驗的目的是觀察空氣/水混合物在攪拌條件下的分布情況。反應器的管道安裝在水平位置，照片（圖8和9）給出了不同操作條件下反應器管內氣泡的擴散模式。

【實驗結果】

間歇反應器

測試中的系統是使用非固定化酶全細胞體系分解DL-丙氨酸、產生L-氨基酸和酮酸的混合物。反應中需要氧氣作為氧化劑，并通過充氣氣體入口加入到反應中。反應在每升水1摩爾丙氨酸（89.09g）的濃度下進行。所有實驗都進行了兩次，結果取平均值。如果結果之間存在較大差異，則重復單個實驗。

圖10顯示了具有兩種不同催化劑負載量的1L間歇反應器中的反應過程。結果表明，在此條件下，催化劑負載量對反應速率的影響很小。在圖11中，攪拌器速度作為考察的自變量。結果表明，隨著攪拌器轉速的增加，反應速率顯著增加。然而，在大約5小時后，該反應似乎下降到相當低的速率，并且保持恒定。在較高攪拌速度下，初始反應速率的提高可歸因于與更有效的混合相關聯的氧攝取效率的提高。5h后反應速率較慢且相對恒定，這可以解釋為由于酶的消耗，反應的限制因素由氧攝取轉變為酶限制。

圖 101L釜式反應器中的酶裝載量對反應的影響。攪拌速度為400rpm。氧氣:1L/min

該反應也在一個較小的250毫升間歇式反應器中進行，并且在相同的攪拌器速度下，給出了比1L容器更高的反應速率。這可歸因于容器尺寸較小，而對混合效果的改善。在4L下進一步放大（圖12）。隨著反應過程的擴大，反應速率大大減慢。因此隨著容器尺寸的增大，在較大范圍內，由于混合效率較低，這一問題將更加嚴重。

連續流條件

該反應在流動條件下重復進行。使用Coflore ACR反應器是因為它能提供良好的氣/液混合，并能容忍不溶性固體的存在。

圖13顯示了在實驗室規模的ACR中與250ml間歇反應器相比反應速率略有增加。ACR較高的性能歸因于其較小的直徑與橫向混合的使用。在ATR反應器中，將1L釜式與1L連續流的結構進行比較時，也可看到此處的效果（圖14）。ACR結果顯示在2.5小時左右出現"平臺"效應，這在ATR中并沒有出現。作者擬進行進一步的實驗，以研究生物催化劑在不同攪拌條件下每個單獨的反應器系統中的穩定性。

圖11–1升間歇反應器中攪拌器速度的影響。酶載量為7G/L，氧流量為0.625L/min

圖12–釜式過程的放大。酶量為21g/L，攪拌速度為400rpm。氧氣:如圖例所示

圖13-連續流和釜式過程的比較。酶量為21g/L，攪拌速度為400rpm

圖14-連續流和釜式處理的比較。酶量為21g/L，攪拌速度為400rpm

圖15–ATR中的放大。酶載量為21g/L

在連續模式下按比例放大的主要優點是避免在使用較大反應器時出現圖12所示的性能損失。由于連續流反應器幾何形狀、不同尺寸之間的相似性和動態混合技術，當從1升放大到10升時，可以實現幾乎相同的結果，而不會看到釜式系統中從1升放大到4升時酶的活性已經明顯的損失（圖15）。作者還預計通過多級添加氧氣（以優化反應器內的氣/液分散）和更高的操作壓力（以增加吸氧率）可實現對該工藝的進一步改進。

【結論】

1、釜式反應不僅混合效率會隨著放大而降低，而且大型容器上的高攪拌速度會帶來各種問題。本實驗的結果報告了一種方法和技術，它允許從實驗室規模研究水平快速轉移到生產規模的工藝開發，并且減少優化時間。

2、與間歇系統相比，AM連續多級攪拌反應器的優點如下:

（1）    柔性的容量:Coflore ACR為0.01–0.1L，Coflore ATR為0.25–10L；

（2）    靈活的熱傳遞:外冷/加熱夾套可達1000m2/m3；

（3）    混合:與保留時間無關的強徑向混合；

（4）    壓降低:流道大，壓降低；

（5）    良好的產品處理能力:大的混合通道可以很好地處理2到3相混合物；

（6）    簡單的設計:簡單的管道，沒有旋轉軸、密封或擋板；

（7）    結構材料多樣:可選擇不銹鋼、各類合金或塑料。

原文：

Biocatalytic oxidase: Batch to continuous，chemical

engineering research and design 9 0 ( 2 0 1 2 ) 726–731 ，doi:10.1016/j.cherd.2012.01.018。

【一正科技簡介】

作為荷蘭Chemtrix微通道反應器（適合液液氣液快速反應），英國AM連續多級攪拌反應器（適合氣液固多相慢反應），瑞典SpinChem旋轉床反應器（酶催化，固定化酶，催化劑需要回收的反應），澳大利亞CSIRO催化劑固定化連續反應器（適合催化劑固定的連續流反應），比利時Creaflow光催化反應器（氣液固光催化反應），英國C-Tech電化學連續反應器，英國Nitech連續結晶器，德國CINC連續萃取分離器，英國AWL連續過濾器在中國區的獨家代理商和技術服務商，深圳市一正科技有限公司為廣大高校和企業提供連續合成、在線萃取、連續結晶、在線過濾干燥、在線分析等整套連續工藝解決方案。

公司與復旦大學、南京大學、中山大學、華東理工大學、南京工業大學、浙江工業大學、河北工業大學等高校研究機構合作成立微通道連續流化學聯合實驗室，致力于推動連續流工藝在有機合成、精細化工、制藥行業、能源材料、食品飲料等領域的應用，合作實驗室可以為客戶的傳統間歇釜式工藝在連續流工藝上的轉變提供工藝驗證、連續流工藝開發工作，促進制藥及精細化工企業由傳統間歇工藝向綠色、安全、快速、經濟的連續工藝轉變。

公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺州、江蘇南京合作組建了連續流微通道工業化應用技術中心（以下簡稱“工業化技術中心”），旨在打造集連續流微通道工藝開發、中試試驗、工業化驗證、技術交流于一體的綜合性連續流微通道應用技術服務中心，以為廣大生物醫藥企業、化工類企業提供專業、完善的智能化連續流工藝整套系統解決方案及一流的技術服務方案。

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Biocatalytic oxidase Batch to continuous