第六章酶反应器案例优秀PPT.ppt

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1、第六章酶反应器酶反应器v酶反应器酶反应器(Enzyme reactor)(Enzyme reactor)：以游离酶或固定化：以游离酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应所需的容器及其附属酶作为催化剂进行酶促反应所需的容器及其附属设备称为酶反应器，它是用于完成酶促反应的核设备称为酶反应器，它是用于完成酶促反应的核心装置，是连接原料和产物的桥梁。心装置，是连接原料和产物的桥梁。v作用：为酶催化反应供应合适的场所和最佳反应作用：为酶催化反应供应合适的场所和最佳反应条件，在酶的催化下使底物最大限度的转化成产条件，在酶的催化下使底物最大限度的转化成产物。物。v特点：特点：v不同于细胞生物反应器：不同于细胞生

2、物反应器：v不同于化学反应器：在低温、低压下发挥作用，不同于化学反应器：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能也比较少反应时的耗能和产能也比较少一步或几步催化反应的设备，结构简洁只需考虑适合生物催化剂有效发挥催化功能的反应条件，过程限制简洁酶催化反应过程示意图酶催化反应过程示意图过程调控过程调控酶反应器酶反应器 消消毒毒原料原料预处理预处理 产物分产物分别提纯别提纯 产产品品生物催化生物催化剂制备剂制备空气空气除菌除菌能量能量热量热量第六章第六章 酶反应器酶反应器v 酶反应器的类型及特点酶反应器的类型及特点v 酶反应器的选择与设计酶反应器的选择与设计v 酶反应器的操作酶反应器的操作v本章重

3、点内容本章重点内容1.1.酶反应器的类型及特点酶反应器的类型及特点2.2.酶反应器的选择依据酶反应器的选择依据3.3.酶反应器的操作酶反应器的操作6 6.1 1 酶反应器的类型及特点酶反应器的类型及特点v按结构分类按结构分类搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor,STR）填充床式反应器(packed bed reactor,PBR)流化床式反应器(Fluidized Bed Reactor,FBR)鼓泡式反应器(bubble column reactor,BCR)喷射式反应器（projection reactor,PR）酶膜反应器(Membrane Reactor,MR)v按

4、操作方式分类按操作方式分类分批式反应器(batch)连续流式反应器(continuous)流加分批式反应器(feeding batch)v结构结构+操作方式操作方式连续流式搅拌罐式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR）分批式搅拌罐式反应器（Batch Stirred Tank Reactor,BSTR）酶反应器分类酶反应器分类传统酶反应器搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor,STR）填充床式反应器(packed bed reactor,PBR)流化床式反应器(Fluidized Bed Reactor,FBR)鼓泡式反应器(bub

5、ble column reactor,BCR)喷射式反应器（projection reactor,PR）新型酶反应器酶膜反应器(Membrane Reactor,MR)1、搅拌罐式反应器、搅拌罐式反应器 最常用的一种传统形式的酶反应器。v结构组成：结构组成：容器（反应罐）、搅拌器及保温装置。v按操作方式分为：按操作方式分为：分批式搅拌罐式反应器：底物和游离酶一次性投入反应器，产物一次性取出；底物和游离酶一次性投入反应器，产物一次性取出；游离或固定化酶在反应结束后经过滤回收，转入游离或固定化酶在反应结束后经过滤回收，转入 下一批反应。下一批反应。连续流式搅拌罐式反应器：向反应器中投入固定化酶和底

6、物溶液，不断向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断 搅拌，反应平衡后，以恒定流速连续流入底物，搅拌，反应平衡后，以恒定流速连续流入底物，以相同流速输出产物。以相同流速输出产物。6 6.1 1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点1、搅拌罐式反应器、搅拌罐式反应器v优点：结构简洁，易操作；酶与底物混合充分匀优点：结构简洁，易操作；酶与底物混合充分匀整；传质速度快，反应能快速达到稳态；能处理整；传质速度快，反应能快速达到稳态；能处理胶体状底物、不溶性底物。胶体状底物、不溶性底物。v缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪切力，固定化载体易被破坏、游离

7、酶易发生泡沫切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶的失活损失。的失活损失。v发展与改进：在反应器出口装上滤器发展与改进：在反应器出口装上滤器,或制成磁或制成磁性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐内，作为搅拌桨叶或挡板。内，作为搅拌桨叶或挡板。6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点v传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。称为质量传递过程，简称传质。v例如：气相例如

8、：气相-液相：液体蒸馏；液相：液体蒸馏；气相气相-固相：固体的干燥；固相：固体的干燥；液相液相-固相：结晶、离子交换。固相：结晶、离子交换。液体蒸馏：依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化，液体蒸馏：依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化，以达到分别的目的。以达到分别的目的。结晶：含某物质的过饱和溶液与同一物质的固体相接触时，其分子以扩结晶：含某物质的过饱和溶液与同一物质的固体相接触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出访固体长大。散方式通过溶液到达固相表面，并析出访固体长大。离子交换：溶液中阳离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交离子交换：溶液中阳

9、离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交换过程。换过程。1、搅拌罐式反应器、搅拌罐式反应器6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点2、填充床式反应器、填充床式反应器 Packed Bed Reactor,PBR，又称固定床反应器，是固定化酶常用的一种反应器。6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点v结构：将固定化酶填充于反应器内，结构：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，底物溶液从制成稳定的柱床，然后，底物溶液从反应器以确定方向通过固定化酶柱床，反应器以确定方向通过固定化酶柱床，通过酶催化生成产物，并连续收集输通过酶催化生成产物，并连续收集输出的

10、转化液（含产物）。出的转化液（含产物）。v操作特点：底物按确定方向以恒定速操作特点：底物按确定方向以恒定速度通过固定化酶床层，通过底物溶液度通过固定化酶床层，通过底物溶液的流淌实现物质的传递与混合。的流淌实现物质的传递与混合。v活塞流反应器：横截面液体流速相同，活塞流反应器：横截面液体流速相同，浓度相同，流淌方向底物、产物浓度浓度相同，流淌方向底物、产物浓度渐渐变更。渐渐变更。2、填充床式反应器、填充床式反应器6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点v适用性：广泛适用于固定化酶适用性：广泛适用于固定化酶v优点：高效率（单位体积催化剂负荷量高）、剪优点：高效率（单位体积催化剂负荷

11、量高）、剪切力小、结构简洁等，特殊适合于存在底物、产切力小、结构简洁等，特殊适合于存在底物、产物抑制的催化反应，是工业生产及探讨中应用最物抑制的催化反应，是工业生产及探讨中应用最为普遍的反应器。为普遍的反应器。v缺点：温度和缺点：温度和pHpH难以限制；底物和产物会产生轴难以限制；底物和产物会产生轴向分布，相应酶失活程度呈轴向分布；清洗和更向分布，相应酶失活程度呈轴向分布；清洗和更换固定化酶麻烦；传质传热性能较差，柱内有自换固定化酶麻烦；传质传热性能较差，柱内有自压缩倾向，易堵塞（不宜接受黏度大的底物），压缩倾向，易堵塞（不宜接受黏度大的底物），固定化酶受到的压力大（引起裂开）。固定化酶受到的

12、压力大（引起裂开）。v改进：在固定床中间用托板分隔，削减底层固定改进：在固定床中间用托板分隔，削减底层固定化酶所受压力化酶所受压力3、流化床反应器、流化床反应器6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点v结构：流化床反应器（结构：流化床反应器（Fluidized Fluidized Bed Reactor,FBRBed Reactor,FBR）是一种装）是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器，有较小颗粒的垂直塔式反应器，反应器形态可为柱形或锥形等。反应器形态可为柱形或锥形等。v操作特点：底物以确定速度由下操作特点：底物以确定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在悬向上流过，使固定化酶颗粒

13、在悬浮状态下进行催化反应。留意限浮状态下进行催化反应。留意限制反应液的流淌速度。制反应液的流淌速度。v适用性：适用于固定化酶进行连适用性：适用于固定化酶进行连续催化反应续催化反应3、流化床反应器、流化床反应器6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点v优点：不断旋转翻动，混合匀整，具有良好的传质优点：不断旋转翻动，混合匀整，具有良好的传质及传热性能，不易堵塞，适用于处理粘度高的液体；及传热性能，不易堵塞，适用于处理粘度高的液体；vpHpH、温度限制及气体的供应比较简洁；即使细小、温度限制及气体的供应比较简洁；即使细小颗粒的固定化酶，压力也不会很高。颗粒的固定化酶，压力也不会很高。

14、v缺点：需保持确定的流速，运转成本高，难于放大；缺点：需保持确定的流速，运转成本高，难于放大；由于颗粒酶处于流淌状态，易导致粒子的机械破损；由于颗粒酶处于流淌状态，易导致粒子的机械破损；由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。4 4、鼓泡式反应器鼓泡式反应器v特点：利用从反应器底部通入气体产生的大量气泡，在上升特点：利用从反应器底部通入气体产生的大量气泡，在上升过程中起到供应反应底物和混合两种作用。过程中起到供应反应底物和混合两种作用。v结构：底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。结构：底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。v操作：游离酶、固定化酶放

15、入反应器内，底物与气体从底部操作：游离酶、固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡供应混合作用。通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡供应混合作用。v优点：适用于有气体吸取的生物反应。优点：适用于有气体吸取的生物反应。6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点v啤酒连续发酵塔型固定化活菌体反应器啤酒连续发酵塔型固定化活菌体反应器5.喷射式反应器喷射式反应器v特点：特点：利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应的反应器。v催化反应速度快，效率高，可在短时间完成催化反应。v适用于：适用于：高温游离酶，如高温淀粉酶。新型酶反应

16、器新型酶反应器-酶膜反应器酶膜反应器v结构组成：由酶反应装置和膜分别组件构成，结构组成：由酶反应装置和膜分别组件构成，将酶催化反应与半透膜的分别作用组合在一将酶催化反应与半透膜的分别作用组合在一起，同时完成生化反应和分别过程的反应器。起，同时完成生化反应和分别过程的反应器。v依据酶的存在状态不同分为：依据酶的存在状态不同分为：v游离酶膜反应器游离酶膜反应器v固定化酶膜反应器固定化酶膜反应器6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点几种典型的酶膜反应器几种典型的酶膜反应器v游离酶膜反应器游离酶膜反应器特点：超滤膜孔径范围：特点：超滤膜孔径范围：1-100 nm（截留（截留Mr 50

17、0-10 000）游离酶和固定化酶平均相对分子质量：游离酶和固定化酶平均相对分子质量：10 000-10 0000v优点：酶匀整分布于反应器内，酶促反应接近本优点：酶匀整分布于反应器内，酶促反应接近本征动力学的状态下进行；酶可重复利用，特殊适征动力学的状态下进行；酶可重复利用，特殊适用于价格较高的酶；可用于胶态或不溶性底物，用于价格较高的酶；可用于胶态或不溶性底物，特殊适用于有产物抑制的场合；特殊适用于有产物抑制的场合；v缺点：酶的长期操作稳定性差；酶易在膜上吸附缺点：酶的长期操作稳定性差；酶易在膜上吸附造成膜污染，发生浓差极化现象。造成膜污染，发生浓差极化现象。v添加簇新的酶以维持反应连续稳

18、定地进行添加簇新的酶以维持反应连续稳定地进行游离酶膜反应器游离酶膜反应器4 4膜膜反反应应器器浓差极化浓差极化v膜分别过程中的一种现象膜分别过程中的一种现象v料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质被截留，在接近膜料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质被截留，在接近膜界面浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会向本体溶界面浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，导致液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，导致溶剂透过量下降。溶剂透过量下降。超滤膜酶反应器浓差极化现象超滤膜酶反应器浓差极化现象固定化酶膜反应器固定化酶膜反应器v结构组成：酶

19、以固定化酶的形式存在于膜相的结构组成：酶以固定化酶的形式存在于膜相的微孔或膜基质中。（半透膜可作为界面催化剂微孔或膜基质中。（半透膜可作为界面催化剂的支撑体）的支撑体）v依据固定化酶膜的形态可分为：依据固定化酶膜的形态可分为：v平板式或螺旋卷式酶膜反应器平板式或螺旋卷式酶膜反应器v转盘式酶膜反应器转盘式酶膜反应器v空心管式酶膜反应器空心管式酶膜反应器v中空纤维式酶膜反应器中空纤维式酶膜反应器4 4膜膜反反应应器器固定化酶膜反应器固定化酶膜反应器（1 1）平板式或螺旋卷式酶膜反应器）平板式或螺旋卷式酶膜反应器特点：压力降小；膜面积清晰；单位体积催化剂有特点：压力降小；膜面积清晰；单位体积催化剂有

20、效面积小。效面积小。4 4膜膜反反应应器器固定化酶膜反应器固定化酶膜反应器（2 2）空心酶管反应器）空心酶管反应器结构：将酶固定在细管的内壁上，管内径结构：将酶固定在细管的内壁上，管内径1mm1mm左右。左右。操作：底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分操作：底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。管内流体的流淌属于层流。进行酶反应。管内流体的流淌属于层流。应用：主要是与自动分析仪组装在一起，用于定量分应用：主要是与自动分析仪组装在一起，用于定量分析。析。4 4膜膜反反应应器器固定化酶膜式应器固定化酶膜式应器（3 3）转盘型固定化酶反应器）转盘型固定化酶反应器结构：凝胶包埋的固定

21、化酶成型为圆盘状薄板，而结构：凝胶包埋的固定化酶成型为圆盘状薄板，而后将很多凝胶薄板装配在旋转轴上，并把整个装后将很多凝胶薄板装配在旋转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中。反应器有立式和卧式两种。置浸在底物溶液中。反应器有立式和卧式两种。特点：更换催化剂便利。卧式反应器适用于需氧反特点：更换催化剂便利。卧式反应器适用于需氧反应，或者产生挥发性生成物的反应。应，或者产生挥发性生成物的反应。应用：广泛用于废水处理装置。应用：广泛用于废水处理装置。4 4膜膜反反应应器器固定化酶膜式反应器固定化酶膜式反应器（4 4）中空纤维酶膜反应器）中空纤维酶膜反应器4 4膜膜反反应应器器v结构：由外壳和数以千计的醋

22、酸结构：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成。中空纤维制成的中空纤维组成。中空纤维：纤维：v内层紧密、光滑，可截留大分子内层紧密、光滑，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通物质而允许不同的小分子物质通过。过。v外层为多孔的海绵状支持层，酶外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在此层中。被固定在此层中。v反应器的形态是管式或列管式，反应器的形态是管式或列管式，通过正常超滤程序压迫底物与海通过正常超滤程序压迫底物与海绵状介质上的酶起反应。绵状介质上的酶起反应。固定化酶膜式应器固定化酶膜式应器（4 4）中空纤维膜反应器）中空纤维膜反应器v特点：特点：可承受较高的操作压力，表面积大，但易发生浓

23、度极化或孔堵塞。4 4膜膜反反应应器器v中空纤维酶膜反应器连续制备异麦芽低聚糖中空纤维酶膜反应器连续制备异麦芽低聚糖v以淀粉为原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。接受中空纤维酶膜反应器,v先用淀粉酶和异淀粉酶糖化制备麦芽低聚糖;v后用葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶转苷制得异麦芽低聚糖。v本独创大大缩短糖化、转苷的反应周期,酶用量省,产品质量稳定,分枝糖含量大于60%。v发酵液除菌过滤v酱油、醋等酿造产品的澄清过滤v果酒、药酒、葡萄酒、白酒的澄清过滤；v茶饮料、果饮料澄清过滤浓缩v中药提取液的分别和精制v矿泉水无菌净化v住宅小区或大楼中水回收利用v血液制品分别与精制酶膜反应器的应用及探讨新进展酶膜反应器的应用及

24、探讨新进展（1）生物大分子的分解）生物大分子的分解主要集中在淀粉、纤维素、蛋白质的水解。主要集中在淀粉、纤维素、蛋白质的水解。利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小的水解产物相分别，可消退产物抑制作用。的水解产物相分别，可消退产物抑制作用。水解果胶以降低果汁的黏度；水解果胶以降低果汁的黏度；降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐症）。降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐症）。6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点（2）制备生物活性肽）制备生物活性肽将生物活性肽的产生和分别耦合；将生物活性肽的产生和分别耦合；降低酶用量、制备成本，有效限制蛋白

25、质水降低酶用量、制备成本，有效限制蛋白质水解。解。制备氨基酸，酪啡肽等。制备氨基酸，酪啡肽等。（3）含有协助因子再生的酶反应器）含有协助因子再生的酶反应器很多酶反应都须要辅因子的参与。如辅酶、辅基、很多酶反应都须要辅因子的参与。如辅酶、辅基、能量供应体等。而这些辅因子的价格较贵，接受能量供应体等。而这些辅因子的价格较贵，接受简洁的添加方法很不经济。简洁的添加方法很不经济。特点：可使辅因子反复运用，降低生产成本。特点：可使辅因子反复运用，降低生产成本。实例：实例：NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生循环系统（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生循环系统ATP再生循环系统再生循环系统（4）两相或多相反应器）

26、两相或多相反应器问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶催化问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶催化时，在水相中有浓度低、反应体积大、分别困难、时，在水相中有浓度低、反应体积大、分别困难、能耗大等缺点。能耗大等缺点。特点：使酶反应在水特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应有机相中进行，大大增加反应时的底物浓度，削减底物或产物对酶的抑制作用，时的底物浓度，削减底物或产物对酶的抑制作用，使酶反应进行究竟。使酶反应进行究竟。操作：是将酶或固定化酶置于水相中，而底物溶解操作：是将酶或固定化酶置于水相中，而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应。于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应。6

27、.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点（5）固定化多酶反应器）固定化多酶反应器特点：可模拟微生物细胞的多酶系统，在反特点：可模拟微生物细胞的多酶系统，在反应器内进行多种酶的依次反应，来合成各种应器内进行多种酶的依次反应，来合成各种产物。产物。前景：有可能代替微生物发酵法来催化产品前景：有可能代替微生物发酵法来催化产品生成，用小型柱式反应器，取代浩大而低效生成，用小型柱式反应器，取代浩大而低效的微生物发酵罐。的微生物发酵罐。6.1 6.1 酶酶反反应应器器的的类类型型及及特特点点反应器类型适用操作方式适用的酶优、缺点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式,游离酶固定化酶反应比较完

28、全，反应条件容易调节控制。填充床式反应器连续式固定化酶密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。鼓泡式反应器分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器连续式游离酶固定化酶结构紧凑、集反应和分离于一体；清洗比较困难。在工业生产中普遍使用。喷射式反应器连续式游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用

29、于某些耐高温酶的反应第六章第六章 酶反应器酶反应器v 酶反应器的类型及特点酶反应器的类型及特点v 酶反应器的选型与设计酶反应器的选型与设计v 酶反应器的操作酶反应器的操作6.6.2 2 酶反应器的选型与设计酶反应器的选型与设计评价标准：反应器生产实力的大小和产品质量的凹凸。评价标准：反应器生产实力的大小和产品质量的凹凸。志向的酶反应器的要求：志向的酶反应器的要求：(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度，才能得到较大的产品转化率。(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳反应条件。(3)具有良好的传质和混合性能。传质阻力是限制反应速度的主要因素(4)应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反

30、应器的生产实力下降。一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择v影响酶反应器选择的因素很多，可以从以下几个影响酶反应器选择的因素很多，可以从以下几个方面考虑：方面考虑：v酶的形式酶的形式(游离游离/固定化固定化.)v固定化酶的形态、大小、机械强度固定化酶的形态、大小、机械强度v酶的稳定性酶的稳定性v酶反应动力学性质酶反应动力学性质v底物和产物的理化性质底物和产物的理化性质v应用的可塑性及成本应用的可塑性及成本6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择1、酶的应用形式：、酶的应用形式：游离酶：可依据具体状况选择搅拌罐式反游离酶：可依据具体状况选择搅拌罐

31、式反应器、鼓泡式反应器、膜反应器、喷射应器、鼓泡式反应器、膜反应器、喷射式反应器；式反应器；固定化酶：可依据具体状况选择搅拌罐式固定化酶：可依据具体状况选择搅拌罐式反应器、填充床反应器、鼓泡式反应器、反应器、填充床反应器、鼓泡式反应器、流化床反应器、膜反应器。流化床反应器、膜反应器。6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择2、固定化酶的形态、颗粒大小、机械强度：、固定化酶的形态、颗粒大小、机械强度：形态：主要有颗粒状、膜状和纤维状。形态：主要有颗粒状、膜状和纤维状。颗粒状，接受搅拌罐、填充床、鼓泡式和流化床式反颗粒状，接受搅拌罐、填充床、鼓泡

32、式和流化床式反应器；应器；对于膜状、纤维状固定化酶，接受填充床式、膜反应对于膜状、纤维状固定化酶，接受填充床式、膜反应器。器。颗粒大小颗粒大小小颗粒状固定化酶不宜接受填充床式，宜接受流化床、小颗粒状固定化酶不宜接受填充床式，宜接受流化床、鼓泡式反应器。鼓泡式反应器。机械强度机械强度包埋法制备的固定化酶机械强度较差，对搅拌罐来说，包埋法制备的固定化酶机械强度较差，对搅拌罐来说，要防止搅拌桨叶的剪切力对其造成的损伤；要防止搅拌桨叶的剪切力对其造成的损伤；对填充床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适对填充床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适当隔开。当隔开。一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择3

33、、酶的稳定性：、酶的稳定性：考虑到酶的失效，在相像的条件下，考虑到酶的失效，在相像的条件下，PBR优优于于CSTR，即酶失效速度较低。，即酶失效速度较低。CSTR一般远比其他反应器更易引起酶从载体一般远比其他反应器更易引起酶从载体上的脱落，或使酶颗粒变细，最终从反应上的脱落，或使酶颗粒变细，最终从反应器流失。器流失。PBR：填充床式反应器；：填充床式反应器；CSTR：连续流式搅拌罐式反应器；：连续流式搅拌罐式反应器；6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择4、酶的反应动力学性质：、酶的反应动力学性质：混合效果越好，反应效率越高：搅拌罐式、混合

34、效果越好，反应效率越高：搅拌罐式、流化床式反应器，混合效果较好，保证酶流化床式反应器，混合效果较好，保证酶与底物分子有效碰撞和结合，反应系统匀与底物分子有效碰撞和结合，反应系统匀整。膜反应器可接受协助搅拌。整。膜反应器可接受协助搅拌。底物浓度的凹凸：通常状况下，底物浓度越底物浓度的凹凸：通常状况下，底物浓度越高，反应速度越快；当有高浓度底物抑制高，反应速度越快；当有高浓度底物抑制作用时，作用时，游离酶宜接受流加分批搅拌罐反应器、膜反游离酶宜接受流加分批搅拌罐反应器、膜反应器应器固定化酶可接受固定化酶可接受CSTR、PBR、FBR、MR产物对反应有反馈抑制作用：最好接受产物对反应有反馈抑制作用：

35、最好接受MR酶催化反应条件：耐受高温的酶选用喷射式酶催化反应条件：耐受高温的酶选用喷射式反应器，反应需限制温度、反应器，反应需限制温度、pH时，时，CSTR便利。便利。6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择5、底物和产物的理化性质：、底物和产物的理化性质：分子量较大的底物或产物：一般不接受膜反分子量较大的底物或产物：一般不接受膜反应器。应器。溶解性底物或产物：明显对任何类型的反应溶解性底物或产物：明显对任何类型的反应器都不会造成困难。器都不会造成困难。颗粒状和胶体状底物：会堵塞超滤膜和填充颗粒状和胶体状底物：会堵塞超滤膜和填充床，应接受搅拌

36、罐或流化床型反应器。高的床，应接受搅拌罐或流化床型反应器。高的搅拌速度可削减底物颗粒的沉积与堵塞，使搅拌速度可削减底物颗粒的沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。底物保持悬浮状态。反应底物有气体时：常用鼓泡式反应器。反应底物有气体时：常用鼓泡式反应器。辅酶参与的反应：一般不接受膜反应器。辅酶参与的反应：一般不接受膜反应器。6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计一、酶反应器的选择一、酶反应器的选择6、应用的可塑性及成本：、应用的可塑性及成本：反应器应具有添加或更换酶的结构，且越简洁反应器应具有添加或更换酶的结构，且越简洁越好，另外，必需具备简洁清洗的结构。越好，另外，必需具备简洁清洗

37、的结构。反应器应能够适用于多种酶的催化反应。反应器应能够适用于多种酶的催化反应。考虑反应器造价成本、酶本身的价值。考虑反应器造价成本、酶本身的价值。CSTR一般来说应用的可塑性较大，结构简洁，一般来说应用的可塑性较大，结构简洁，制造成本也较低。制造成本也较低。6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计v目的：设计诞生产成本最低，产品的产量和质量最目的：设计诞生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反应器。高的酶反应器。v设计依据：设计依据：v酶促反应动力学以及温度、压力、酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对等操作参数对反应特性的影响；反

38、应特性的影响；v反应器内流体流淌状态及传热特性；反应器内流体流淌状态及传热特性；v须要的生产量及生产工艺流程。须要的生产量及生产工艺流程。6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计v设计过程设计过程 1、确定酶反应器的类型、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算、进行热量衡算 4、进行物料衡算、进行物料衡算6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计1、确定酶反应器的类型、确定酶反应器的类型依据酶、底物和产物的性质，依据上一节所依据酶、底物和产物的性质

39、，依据上一节所述的选择原则，确定反应器的类型。述的选择原则，确定反应器的类型。2、确定反应器的制造材料、确定反应器的制造材料酶催化反应通常在常温、常压、酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性近乎中性的环境中进行反应，酶反应器的设计对制的环境中进行反应，酶反应器的设计对制造材料没有什么特殊要求，一般接受不锈造材料没有什么特殊要求，一般接受不锈钢制造反应容器即可。钢制造反应容器即可。6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计3 3、进行热量衡算、进行热量衡算可以确定为达到确定的物理或化学变更须向设可以确定为达到确定的物理或化学变更须向设备传入或从

40、设备传出的热量。备传入或从设备传出的热量。酶催化反应一般在酶催化反应一般在30307070的温度条件下进行，的温度条件下进行，热量衡算较简洁热量衡算较简洁常温催化：温度的调整限制通常接受确定温度常温催化：温度的调整限制通常接受确定温度的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式；的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式；热量衡算是依据水的温度和运用量计算。热量衡算是依据水的温度和运用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，接受对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，接受喷射式反应器；热量衡算时，依据所运用的喷射式反应器；热量衡算时，依据所运用的水蒸气热焓和用量进行计算。水蒸气热焓和用量进行计算。6.2 6

41、.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计4 4、进行物料衡算、进行物料衡算v是运用质量守恒定律，对化工过程进行定量计算。是运用质量守恒定律，对化工过程进行定量计算。产物转化率：产物转化率：底物转化为产物的比率6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计v反应器设计的首要目的是使反应器具有高的转化率。v影响因素：酶的活性和浓度最为重要。v限制反应条件以保持酶的高活性；反应器中也可运用高浓度的酶，但并非越高越好，过高会造成奢侈。二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计底物用量：依据所需产量、产物转化率、产物收得率计算底物用量：依据所需产量、产物转化

42、率、产物收得率计算6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计反应液体积：依据底物用量和最适底物浓度计算反应液体积：依据底物用量和最适底物浓度计算酶用量：依据最适酶浓度和反应液总体积计算酶用量：依据最适酶浓度和反应液总体积计算二、酶反应器的设计二、酶反应器的设计6.2 6.2 酶酶反反应应器器的的选选择择与与设设计计反应器数目：反应器数目：分批反应器连续反应器第六章第六章 酶反应器酶反应器v 酶反应器的类型及特点酶反应器的类型及特点v 酶反应器的选型与设计酶反应器的选型与设计v1、酶的应用形式、酶的应用形式v2、固定化酶的形态、颗粒大小、机械强度、固定化酶的形态、颗粒大小、机械强度

43、v3、酶的稳定性、酶的稳定性v4、酶的反应动力学性质、酶的反应动力学性质v5、底物和产物的理化性质、底物和产物的理化性质v6、应用的可塑性及成本、应用的可塑性及成本v 酶反应器的操作酶反应器的操作反应器类型适用操作方式适用的酶优、缺点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式,游离酶固定化酶反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床式反应器连续式固定化酶密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。鼓泡式反应器分批式流加分批式连

44、续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器连续式游离酶固定化酶结构紧凑、集反应和分离于一体；清洗比较困难。在工业生产中普遍使用。喷射式反应器连续式游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应第七章第七章 酶反应器酶反应器v 酶反应器的类型及特点酶反应器的类型及特点v 酶反应器的选型与设计酶反应器的选型与设计v 酶反应器的操作酶反应器的操作6.6.3 3 酶反应器的操作酶反应器的操作v实现酶反应的高效进行，必需考虑以下三方面：实现酶反应的高效进行，必需考虑以下三方面：v

45、选择恰当的酶（高质量）应用形式；选择恰当的酶（高质量）应用形式；v选择和设计合适的酶反应器；选择和设计合适的酶反应器；v确定合理的反应操作条件。确定合理的反应操作条件。v酶反应器的操作中，应留意如下几方面：酶反应器的操作中，应留意如下几方面：v限制酶反应器中流体的流淌状态；限制酶反应器中流体的流淌状态；v维持酶反应器的恒定生产实力；维持酶反应器的恒定生产实力；v保持酶反应器的稳定；保持酶反应器的稳定；v防止酶反应器的污染。防止酶反应器的污染。一、流体流淌状态的限制一、流体流淌状态的限制v反应器中流淌方式的变更造成的不良影响：反应器中流淌方式的变更造成的不良影响：v使酶与底物的接触不良，造成反应

46、器生产实力下使酶与底物的接触不良，造成反应器生产实力下降；降；v造成返混程度的变更，发生程度不同的反应或发造成返混程度的变更，发生程度不同的反应或发生副反应。生副反应。v（反混：指连续过程中与主流方向相反的运动所（反混：指连续过程中与主流方向相反的运动所造成的物料混合。）造成的物料混合。）6.3 6.3 酶酶反反应应器器的的操操作作一、流体流淌状态的限制一、流体流淌状态的限制v产生缘由及对策：产生缘由及对策：v搅拌罐型反应器搅拌罐型反应器v缘由：搅拌速度不匀整（反应器内物料的缘由：搅拌速度不匀整（反应器内物料的流速不匀整时会变更反应器内的浓度分布流速不匀整时会变更反应器内的浓度分布造成返混）；

47、固定化酶颗粒的磨损造成返混）；固定化酶颗粒的磨损v对策：限制搅拌速度；接受磁性固定化酶对策：限制搅拌速度；接受磁性固定化酶解决磨损问题。解决磨损问题。6.3 6.3 酶酶反反应应器器的的操操作作一、流体流淌状态的限制一、流体流淌状态的限制v产生缘由及对策：产生缘由及对策：v填充床型反应器填充床型反应器v缘由：由于柱高和通过柱的液流流速导致压力降；缘由：由于柱高和通过柱的液流流速导致压力降；固体或胶体沉积物存在导致堵塞。固体或胶体沉积物存在导致堵塞。v对策：运用较大的、不行压缩的、光滑的、珠型的对策：运用较大的、不行压缩的、光滑的、珠型的填充材料，匀整填充；加入带孔挡板；改善底物性填充材料，匀整

48、填充；加入带孔挡板；改善底物性质；反冲洗柱床或重新装柱可避开柱的堵塞。质；反冲洗柱床或重新装柱可避开柱的堵塞。6.3 6.3 酶酶反反应应器器的的操操作作二、恒定生产实力的限制二、恒定生产实力的限制v搅拌罐型反应器较易实现。搅拌罐型反应器较易实现。v活塞流反应器：横截面液体流速相同，浓度相同；流淌方活塞流反应器：横截面液体流速相同，浓度相同；流淌方向酶活性、底物、产物浓度渐渐变更。向酶活性、底物、产物浓度渐渐变更。v填充床型反应器要维持恒定的生产实力，在操作上是不便填充床型反应器要维持恒定的生产实力，在操作上是不便利的，解决方法有：利的，解决方法有：v限制反应器的流速达到恒定生产实力；提高反应

49、温度增加限制反应器的流速达到恒定生产实力；提高反应温度增加酶活力。酶活力。v将若干运用不同时间和处于不同阶段的反应器串联或并联，将若干运用不同时间和处于不同阶段的反应器串联或并联，并结合上述方法之一，是普遍接受的方法。并结合上述方法之一，是普遍接受的方法。6.3 6.3 酶酶反反应应器器的的操操作作三、酶反应器的稳定性三、酶反应器的稳定性v酶反应器生产实力渐渐下降，主要是酶反应器生产实力渐渐下降，主要是v酶的变性或中毒失活；酶的变性或中毒失活；v固定化酶的脱落；固定化酶的脱落；v载体裂开或溶解造成酶的损失载体裂开或溶解造成酶的损失v保持酶反应器的稳定性：保持酶反应器的稳定性：v温度变更时刚好调

50、整，接受缓冲液或者加快搅拌温度变更时刚好调整，接受缓冲液或者加快搅拌来调整来调整pH；所用试剂和水不含毒物；所用试剂和水不含毒物；v连续添加更换酶；连续添加更换酶；v有些载体或多孔玻璃随运用时间的延长而溶解；有些载体或多孔玻璃随运用时间的延长而溶解；克服方法是用金属氧化物包袱。克服方法是用金属氧化物包袱。v连续搅拌罐或流化床反应器中载体磨损；一个解连续搅拌罐或流化床反应器中载体磨损；一个解决的新方法是用电磁场搅拌固定在磁性载体中的决的新方法是用电磁场搅拌固定在磁性载体中的酶。酶。6.3 6.3 酶酶反反应应器器的的操操作作四、酶反应器的微生物污染与限制四、酶反应器的微生物污染与限制6.3 6.