As a basic research for the design of continuous enzyme reactor systems, the performances of two ideal enzyme reactor, system(plug flow reactor (PER), continuous stirred tank reactor(CSTR)) were studied using the following four types of reaction kinetic model and corresponding enzyme.
1. One substrate - single intermediate (Type I- Michaelis Menten kinetics) : 3-Ketosteroid-delta-1-dehydrogenase.
2. Reversible one substrate (Type II) : Glucose isomerase
3. Double inhibition by two products (Type III) : penicillin amidohydrolase
4. Inhibition by substrate (Type IV) : Invertase
All kinetic constants were taken from the references(6, 25, 31, 29). With the use of sound mathematical models, the performances of enzyme reactor systems were simulated by using a computer.
Furthermore, it was possible to predict the optimal operating conditions in terms of productivity (that is, number of moles of product formed per unit reactor volume per unit time). In optimization of reactor systems, such important process variables as substrate feed concentration, reactor space time, enzyme loading, and the result of reactor performance, fractional conversion are studied. The functional relationships between these variables and the productivities have been developed, and these correlations have been used in predicting the performance of enzyme reactor systems under a wide range of operating conditions. Based on these results, the optimal operating conditions of enzyme reactor system have been selected.
Since the dimensionless variables are used in the kinetic models, the results of simulation can be generalized. The Michaelis-Menten kinetics may be directly applied to new enzyme exhibiting the same kinetic types. The results of other enzymes may also be used by simply changing the kinetic constants for other enzyme with the same kinetic models.
The effect of enzyme loading was studied and the increased productivity and the reduced space time in linear proportionally were found with the increase of the loading of enzyme in ideal homogeneous enzyme reactor systems.
Based on the result of the studies on the reactor capacity ratio of CSTR to PFR, it was found that the PFR system was more favorable for the Michaelis-Menten kinetics, the reversible one substrate kinetics and the double inhibition kinetics. For invertase kinetics it was found from the evaluation of ratio size with the plot of an inverse of reaction rate versus substrate, concentration that the PFR model is more favorable at the lower concentration of initial substrate than 0.285 mole/ℓ and the CSTR-PFR reactor arrangement is more advantageous at the higher concentration.
In PFR systems, the reaction conditions and perturbance are difficult to control. To overcome the control problems and for the maximization of the productivity, the two stage CSTR system in penicillin amidohydrolase was considered and evaluated as a practical reactor system model. Its producvity increased by 70% as compared with the single stage CSTR system.
In the design of enzyme reactor system not only the productivity be maximized but also some compromize be made for process control of physical variables at the expense of productivity.
The overall objective of this basic study was for the optimal design of enzyme reactor system.
연속식 효소 반응기 설계에 관한 기초연구로서, 두가지의 이상적인 효소 반응기(PFR 및 CSTR)의 Performance 에 대해 아래의 4가지 경우의 반응모형(kinetic model) 및 예로든 특정한 효소에 관하여 연구하였다.
1. One-substrate-single intermediate (모형 I) : 3-Ketosteroid-delta-l-dehydrogenase
2. Reversible one substrate (모형 II) : 포도당 이성화효소
3. Double inhibition by two products (모형 III) : Penicillin amidohydrolase
4. Inhibition by substrate (모형 IV) : Invertase
모든 반응속도 정수들은 참고문헌에서 얻었다(6,25,31,29).
견실한 수학적 모형을 이용하여, 효소반응기의 performance 에 대하여 computer 에서 모의 실험하여 보았다. 이때 얻은 결과를 생산성(Productivity)로 표시하여 최적 운전조건을 추측할 수 있었다. 즉 중요한 공정변수들인 초기 기질농도, 반응기의 체류 시간, 사용하는 효소의 양, 및 전화율 (fractional conversion)과 생산성간의 적절한 함수적 관계를 만든 후, 이 식을 이용하여 효소 반응기의 Performance 를 광범위한 공정조건내에서 구하여 보고 이때 같이 계산된 생산성이, 공정의 가능한 범위내에서 최대값을 나타내는 곳을 찾을 수 있다. 이렇게 찾아진 점이 바로 최적의 공정조건이 된다.
본 연구에서는 사용한 모든 수학적 모형을 무차원 변수 및 정수들로 표시하여, 얻어지는 결과를 좀 더 일반화 시켰다.
따라서 one substrate-single intermediate (MichaelisMenten type)의 반응속도를 나타내는 모든 효소들은, 얻은 결과에 직접 적용할 수 있게 되었고, 그외 다른 반응 속도론의 경우는 무차원 정수만을 바꾸어서 용이하게 전자계산기로 계산하여 원하는 결과를 찾을 수 있다.
효소의 농도를 변화시켜가며 조사하여 본 바에 의하면, 복합적인 유리한 현상이 나타남을 볼 수 있었다. 즉 효소의 충진이 클수록 비례하여 생산성은 증가하고 그리고 반응기 체류 시간이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
CSTR 과 PFR 의 두 반응기의 능력비를 계산하여 좀 더 효과적인 것을 찾아본바에 의하면, 모형 I, II, III 의 경우는 PFR 이 효과적이었고 모형 IV 의 경우는 초기의 기질농도가 0.285M 보다 적을 때는 PFR 이, 클때는 CSTR 과 PFR 을 연결한 반응기 형태가 유리함을 알 수 있었다.
그러나 실제의 경우, 물리적 변동현상의 조절이 최적 반응기를 설계할 때 큰 문제로 대두될 것을 예측할 수 있겠다. 따라서 이러한 물리적인 문제를 극복하는 예로써, 그리고 최대의 생산성에 접근하는 예로써, penicillin amidohydrolase 의 경우 두 단계의 CSTR 장치를 생각하여 보았다. 이때의 생산성은 한단계 CSTR 의 것보다 주어지는 가능한 공정조건내에서 70% 의 증가를 나타내었다.
이와같이 생산성 및 실제적인 물리적 제한에 관한 개념밑에서 효소 반응기를 설계하여야 한다.
이상의 모든 조사는 최적의 효소반응기 설계를 위한 기초연구로써 실시되었다.
