设备教案(11)酶反应器
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酶反应器
F
酶反应器应用现状及展望
酶因其反应的专一性，高效性和温和性的特点，已和生物工程， 信息科学和材料科学构成了当今的三大前沿科学。而作为生物工程的 重要组成部分，将在未来的发展中，在世界科技和经济发展中起着主
导和支柱作用。
今后，酶反应器材料的研究与发展必然会成为一个热点，意为人 类创造出高效率、低成本的产品。
D
酶反应器的分类
1.按结构分类 2.按操作方式分类 分批式反应 连续式反应
3.混合形式 连续搅拌罐式反应器
搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器 膜反应器
分批搅拌罐式反应器 流加分批式反应
E
酶反应器应用举例
酶反应器在污染处理中的作用：
可利用过氧化物酶和聚酚氧化酶处理含酚废水和造纸废水，如辣根过氧化物酶，木质 素过氧化物酶，植物来源的过氧化物酶； 酪氨酸酶，漆酶等；可利用氰化物酶和氰化物水合酶处理含氰废水； 利用蛋白酶，淀粉酶处理食品加工废水；并且，可以通过设计复合代谢途径，拓宽氧 化酶的专一性等基因工程的运用，提高微生物的降解速率;拓宽底物的专一性;维持低浓 度下的代谢活性;改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性等。 酶在废物处理及资源化过程中正在发挥重要作用, 利用基因工程和蛋白质工程扩展酶的 代谢途经, 是治理难降解有毒污染物的重要方法。
B
酶反应器原理及作用
1、原Байду номын сангаас：
substrates bind to enzyme
酶促反应
active site is available for a molecule of substrate,the reactant on which the enzyme acts ④products release
酶工程第八章 酶反应器讲解
分批式, 流加分批式 连续式,
适用的酶
游离酶 固定化酶
填充床式反应器 连续式
固定化酶
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
特点 反应比较完全，反应 条件容易调节控制。
密度大遍使用。
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。
组， 或使用锥形流态化床。
四、鼓泡式反应器 Bubble column reactor BCR
生物反应有涉及到气体的吸收或产生，最好采用 此类型反应器，或三相流化床反应器。一些无载 体固定化新鲜菌体反应器也可采用此(图)。
鼓泡塔型反应器
五、膜反应器 Membrane reactor MR
将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器, 可用于游离酶和固定化酶的催化反应;
酶反应器的选择
一、根据酶的应用形式选择反应器 二、根据酶反应动力学性质选择反应器 三、根据底物或产物的理化性质选择反应器
第二节 酶反应器的选择
选择酶反应器要点:
酶的应用形式； 酶的反应动力学性质； 底物产物理化特性； 尽可能结构简单易操作，易维护； 适合多种酶催化，成本低；
例
酶的形状、大小
固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球)、膜 状(膜、薄膜片状、管状)和纤维状3种，反 应器的形状大致可根据酶的形状来确定。
缺陷
长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。
六、喷射式反应器
利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合， 进行高温反应的一种反应器。
结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高 温淀粉酶的淀粉液化。
高压蒸汽
反应液 至维持罐
适用的酶
游离酶 固定化酶
填充床式反应器 连续式
固定化酶
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
特点 反应比较完全，反应 条件容易调节控制。
密度大遍使用。
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。
组， 或使用锥形流态化床。
四、鼓泡式反应器 Bubble column reactor BCR
生物反应有涉及到气体的吸收或产生，最好采用 此类型反应器，或三相流化床反应器。一些无载 体固定化新鲜菌体反应器也可采用此(图)。
鼓泡塔型反应器
五、膜反应器 Membrane reactor MR
将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器, 可用于游离酶和固定化酶的催化反应;
酶反应器的选择
一、根据酶的应用形式选择反应器 二、根据酶反应动力学性质选择反应器 三、根据底物或产物的理化性质选择反应器
第二节 酶反应器的选择
选择酶反应器要点:
酶的应用形式； 酶的反应动力学性质； 底物产物理化特性； 尽可能结构简单易操作，易维护； 适合多种酶催化，成本低；
例
酶的形状、大小
固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球)、膜 状(膜、薄膜片状、管状)和纤维状3种，反 应器的形状大致可根据酶的形状来确定。
缺陷
长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。
六、喷射式反应器
利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合， 进行高温反应的一种反应器。
结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高 温淀粉酶的淀粉液化。
高压蒸汽
反应液 至维持罐
酶反应器的认知与操作
4.操作记录
时间 RNA 5-核昔酸 RNA酶解率 酶膜反应器生产能 转化率
（h） mg/ml mg/ml
(%)
力
(%)
5.相关指标测定与计算 （1）RNA含量测定 采用紫外吸收法测定RNA含量。具体操作如下:取两 支小试管，甲试管加入0.5而样品和0.5ml去离子水; 乙试管加入0.5ml样品和0.5ml核酸沉淀剂，摇匀， 冰浴冷却30min，以3000RPM离心10min。分别移 取0.4ml上清液置于两个50ml容量瓶中，定容至刻度， 用紫外吸收法测定 260nm处的吸光度。RNA含量按 下式计算:
RNA浓度（ug/ml）=△A260×稀释倍数/(0.024×L) 式中，△A26O为甲管稀释液在 260nm波长下的吸 光度减去乙管稀释液在 260nm波长下的吸光度。L 为比色皿的厚度，一般为1或0.5cm，0.024为每ml 溶液中含有1ugRNA的吸光度。 RNA%=待测液中测得的RNA质量×100/待测液中制 品的质量
2.分体式酶膜反应器装置的操作 如图2.4-3所示，将一定浓度底物溶液定量加入反应罐中，升温 至定值，保温10分钟。开动搅拌系统，定量加入配好的酶液。 打开阀1，关闭阀2，调节到实验所设计的系统参数，稳定操作。 定时取样（取样时打开阀2，关闭阀1），分别测定渗透液和反 应液中RNA含量与5-核昔酸含量，同时测定膜的渗透通量。间 隔一段时间补充底物溶液，维持体系的体积平衡。反应过程中， 密切关注体系的pH和温度变化，使pH值和温度维持在所需范 围内。
（4）酶膜反应器生产能力的计算 反应器生产能力由下述公式计算:
式中:P一一渗透液一侧酶解产物浓度(mg/ml)； J一一单位面积膜渗透通量(ml/min)； E一一酶浓度（mg/ml)； V一一反应体积（ml）。 参数K量纲为而/min，表示单位时间内按酶量计算的 产物生成量，表征了反应器的生产能力。
酶反应器的认知与操作—酶反应器概述
（（2）底物的物理性态 反应器的底物存在的物态, 不外乎三种；溶 液态、不溶的悬浊液态或乳浊液态、胶体态； 在物性上主要是考虑粘稠度不同, 会影响反 成器的效率。可溶性底物, 显然可以选择任 何类型的反应器；底物颗粒较粗的悬浊性底 物, 或是胶态站稠的底物, 因为底物液容易 使床层堵塞, 则不适于选用填充床反应器, 一般选用CSTR, FBR或是循环流反应器 (RCR)为宜、
表9.3-1工业上常用的三类酶反应器选择因素比较
酶反应器的特点
（1）酶反应器的特点
酶反应器是酶（生物催化剂）催化反应装 置, 酶不仅有高效专一的特性, 还有反应 条件温和、容易受各种不利因素影响造成 催化活性下降等特性, 这是在酶反应器设 计和操作时都必须重视的。具体地说, 酶 反应器与一般化学反应器相比, 有以下特 点；
（1）酶反应器对材质的要求一般不高 酶反应器一船都在常压或保持适当的正压 下运转，不需要特别耐压的构件；在接近 中性或pH大于4.小于10的条件下操作，不 需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的温 度（很少超过90℃）下反应、不需要特别 耐高温的材料。
（3）酶促反应动力学 从酶促反应速度来看, 一般的说, 搅拌型 反 应器的反应速度随搅拌速度加快而增大； 流 加型反应器的反应速度, 随流速加大而增 大 。从三种典型反应器的操作方程比较可知, 当 [S]》Km时, 三者趋同；割[S]《Km, 时, 为 了达到相同的转化率, 若选用CSTR就必 须增加用酶量, 或是在用酶量相同的条件下, 就要加大反应器的体积,
整个反应结束后一次收取产物。
（2）按反应器几何构型和结构特征 罐式反应器: 主要特征是，外形为圆柱体， 高度和直径之比（简称高径比，常用 H／D 表示）大约在l～3。 管式反应器: 与罐式相比，相对细长，长和 直径比（L／D）大于30。 塔式反应器: 外形不限于圆柱形，竖立高和 直径之比大于10。 膜式反应器: 主要特点是，反应器内部 有 各种不同类型的薄板或滤膜构成的膜件。
酶反应器
第十一章酶反应器本章主要内容什么是酶反应器酶催化反应过程示意图理想的酶反应器的要求设计目标：使产品的质量最高，生产成本最低评价标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低第一节常见的酶反应器类型按结构区分搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )填充床式反应器(packed column reactor, PCR )流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)膜反应器(Membrane Reactor, MR)喷射式反应器（projectional reactor）按操作方式区分分批式反应(batch )连续式反应(continuous )流加分批式反应(feeding batch )混合形式（结构与操作方式结合）连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）一、搅拌罐式酶反应器1、分批搅拌罐式反应器。
底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。
2、连续搅拌罐式反应器向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。
二、填充床式反应器优点：高效率、易操作、结构简单等，因而，PCR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。
它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。
缺点：传质系数和传热系数相对较低。
当底物溶液含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PCR。
三、流化床反应器四、鼓泡式反应器鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器。
酶反应器的名词解释
酶反应器的名词解释酶反应器是一种用于进行酶催化反应的装置或设备。
酶作为天然催化剂，在生物体内具有广泛的应用，而酶反应器则是将这种生物催化技术应用到工业生产中的必要工具。
其主要目的是提高酶的活性和稳定性，从而提高酶反应的效率和产量。
一、酶反应器的基本原理酶反应器的基本原理是在一定温度下，将酶与反应底物接触，在特定的pH范围内，通过调节反应环境中的条件来促进酶催化反应的进行。
酶反应器由反应室、酶悬浮液、底物和辅助设备等组成，根据反应室和悬浮液的不同类型，可以分为批处理酶反应器、连续流动酶反应器和固定床酶反应器。
二、批处理酶反应器批处理酶反应器是最基本的反应器类型，适用于小规模实验研究和生产过程中的初步阶段。
其工作原理是将酶悬浮液与底物混合在一定比例下，通过控制温度和pH等条件，进行反应一段时间后停止。
该反应器的优点是操作简单，适用于灵活性较高的反应，但由于无法实现连续操作，所以产量较低。
三、连续流动酶反应器连续流动酶反应器是一种较为高效的酶反应器。
相比于批处理酶反应器，连续流动酶反应器可以对底物进行连续不断的供应，从而提高反应效率和产量。
它通常由反应器、供应系统以及分离和收集装置组成。
通过不断补给新鲜底物和移除反应产物，使反应始终处于稳定状态。
这种反应器适用于大规模生产和连续操作的需求，但由于其复杂性较高，需要更为精确的控制和操作。
四、固定床酶反应器固定床酶反应器是将酶固定在反应器内的载体上，通过将底物通过固定床进行处理，实现酶催化反应的进行。
该反应器可以减少酶的损失和底物的浪费，并且酶的稳定性较高。
固定床酶反应器适用于长时间运行和长期使用的需求，但由于反应速率较低，需要更长的反应时间。
总结：酶反应器是一种将酶催化反应应用于工业生产的设备或装置。
它通过控制温度、pH和底物供应等条件，实现酶的活性和稳定性的提高，从而提高酶反应的效率和产量。
根据反应方式的不同，酶反应器可以分为批处理酶反应器、连续流动酶反应器和固定床酶反应器。
第七章酶反应器
单位体积催化剂负荷量多， 效率高，可使用高浓度催化 剂，产物浓度沿反应器长度 逐渐增高，与CSTR相比，可 减少产物抑制作用；缺点是 温度和pH难以控制，清洗和 固定化酶的更换麻烦，且床 有自压缩性，易堵塞，须加 压操作
5、列管式填充床式反应器
6、流化床式反应器（FBR）
底物向上流动，固定化酶颗 粒在浮动状态下进行反应
传质性能好，pH、温度的控 制及气体的供给较容易，不 易堵塞，可处理黏度高及粉 末状的底物；但运转成本高， 难于放大，粒子易破损，空 隙体积大，酶浓度低易冲出， 转化效率低
7、环流式反应器
8、膜反应器
可使酶重复使用及使反应 体系维持较高的酶浓度
产物可以不断地从反应器 体系中分离出去以减少产 物对反应的抑制作用，从 而提高反应器的生产能力
适用于受底物抑制的反应，传 质阻力低，能处理胶体状及不 溶性底物，固定化酶易更换
反应效率低，载体易被浆叶的 剪切力破坏，动力消耗大
常在出口装滤器及用尼龙网袋 罩住酶安装在搅拌轴上，或把 酶固定在容器壁上进行反应
第一节 酶反应器的类型
3、多级串联连半续搅拌罐式酶反应器
4、填充床式及带循环的填充床 式酶反应器
E[E]Vt(U)
7、反应器数目计算
根据计算的反应液总体积，根据生产规模和生产条件 等确定反应器有效体积V0 （单个反应器可容纳的最大 反应体积）和反应器数目
一般不采用一个足够大的反应器，而是采用2个以上相 同的反应器进行操作
第二节 酶反应器的选型、设计与操作
（1）分批反应器
（2）连续反应器 N Vh t (个 ) V0
第二节 酶反应器的选型、设计与操作
二、设计 （四）物料衡算 酶反应动力学参数的确定 底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度等
5、列管式填充床式反应器
6、流化床式反应器（FBR）
底物向上流动，固定化酶颗 粒在浮动状态下进行反应
传质性能好，pH、温度的控 制及气体的供给较容易，不 易堵塞，可处理黏度高及粉 末状的底物；但运转成本高， 难于放大，粒子易破损，空 隙体积大，酶浓度低易冲出， 转化效率低
7、环流式反应器
8、膜反应器
可使酶重复使用及使反应 体系维持较高的酶浓度
产物可以不断地从反应器 体系中分离出去以减少产 物对反应的抑制作用，从 而提高反应器的生产能力
适用于受底物抑制的反应，传 质阻力低，能处理胶体状及不 溶性底物，固定化酶易更换
反应效率低，载体易被浆叶的 剪切力破坏，动力消耗大
常在出口装滤器及用尼龙网袋 罩住酶安装在搅拌轴上，或把 酶固定在容器壁上进行反应
第一节 酶反应器的类型
3、多级串联连半续搅拌罐式酶反应器
4、填充床式及带循环的填充床 式酶反应器
E[E]Vt(U)
7、反应器数目计算
根据计算的反应液总体积，根据生产规模和生产条件 等确定反应器有效体积V0 （单个反应器可容纳的最大 反应体积）和反应器数目
一般不采用一个足够大的反应器，而是采用2个以上相 同的反应器进行操作
第二节 酶反应器的选型、设计与操作
（1）分批反应器
（2）连续反应器 N Vh t (个 ) V0
第二节 酶反应器的选型、设计与操作
二、设计 （四）物料衡算 酶反应动力学参数的确定 底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度等
酶工程：第八章酶反应器
最后，反应器的性能评价应尽可能在模拟原 生产条件下进行。
四、设计步骤
1、确定酶反应器的类型
酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物 的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并 确定反应器的类型。
2、确定反应器的制造材料
由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都 是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反 应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么 特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。
(2) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反 应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。
(3) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。
(4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产 能力下降。
回本章目录
8.3 常见的酶反应器类型和特点
按结构区分 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反应器(Packed Bed Reactor,PBR) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR) 喷射式反应器 （Jet-type Reactor,JR)
优点是：即反应与分离于一体，一则酶可以回收循环使用， 提高酶的使用效率，特别适用于价格较高的酶。二则产物
可以连续的排出，可降低或消除产物抑制。 缺点是：酶或杂质会吸附在膜上，造成膜的透过性降低，
且清洗困难。
六、喷射式反应器（JR)
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。适用于游离酶。
综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的 法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行 全面的分析和衡量。
四、设计步骤
1、确定酶反应器的类型
酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物 的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并 确定反应器的类型。
2、确定反应器的制造材料
由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都 是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反 应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么 特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。
(2) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反 应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。
(3) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。
(4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产 能力下降。
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8.3 常见的酶反应器类型和特点
按结构区分 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反应器(Packed Bed Reactor,PBR) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR) 喷射式反应器 （Jet-type Reactor,JR)
优点是：即反应与分离于一体，一则酶可以回收循环使用， 提高酶的使用效率，特别适用于价格较高的酶。二则产物
可以连续的排出，可降低或消除产物抑制。 缺点是：酶或杂质会吸附在膜上，造成膜的透过性降低，
且清洗困难。
六、喷射式反应器（JR)
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。适用于游离酶。
综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的 法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行 全面的分析和衡量。
南京林业大学酶工程酶反应器讲课文档
现在二十二页，总共四十六页。
酶反应器的选择 —— 依据酶反应动力学性质
影响因素：2) 底物浓度及其抑制作用
底物的浓度受其对酶抑制情况的制约 防止底物浓度过高
游离酶
酶膜反应器 连续式操作
搅拌罐式反应器 流加式操作 / 连续式操作
固定化酶
搅拌罐式反应器
填充床式反应器
流化床式反应器 酶膜反应器
现在二十八页，总共四十六页。
1、确定酶反应器的类型 根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则
，选择并确定反应器的类型。 2、确定反应器的制造材料 酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性的环境中进
行反应，所以酶反应器的设计对制造材料制造反应容器即 可。没有什么特别要求，一般采用不锈钢
现在二十六页，总共四十六页。
三、酶反应器的设计
目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反 应器。
设计依据：
酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影 响；
反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性； 需要的生产量及生产工艺流程。
现在二十七页，总共四十六页。
设计过程 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算 4、进行物料衡算
反应操作要求
应用的可塑性及成本
现在十九页，总共四十六页。
酶反应器的选择 —— 酶的应用形式
游离酶适用的反应器
特点：均相反应 常用：搅拌罐式反应器
有气体参与：鼓泡式反应器
昂贵的酶：酶膜反应器 —— 酶回收较容易
耐高温酶：喷射式反应器
现在二十页，总共四十六页。
酶反应器的选择 —— 酶的应用形式
可用于连续反应，也可用于分 批反应
剪切力小，对结构较脆弱的细胞和 固定化载体有利
酶反应器的选择 —— 依据酶反应动力学性质
影响因素：2) 底物浓度及其抑制作用
底物的浓度受其对酶抑制情况的制约 防止底物浓度过高
游离酶
酶膜反应器 连续式操作
搅拌罐式反应器 流加式操作 / 连续式操作
固定化酶
搅拌罐式反应器
填充床式反应器
流化床式反应器 酶膜反应器
现在二十八页，总共四十六页。
1、确定酶反应器的类型 根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则
，选择并确定反应器的类型。 2、确定反应器的制造材料 酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性的环境中进
行反应，所以酶反应器的设计对制造材料制造反应容器即 可。没有什么特别要求，一般采用不锈钢
现在二十六页，总共四十六页。
三、酶反应器的设计
目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反 应器。
设计依据：
酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影 响；
反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性； 需要的生产量及生产工艺流程。
现在二十七页，总共四十六页。
设计过程 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算 4、进行物料衡算
反应操作要求
应用的可塑性及成本
现在十九页，总共四十六页。
酶反应器的选择 —— 酶的应用形式
游离酶适用的反应器
特点：均相反应 常用：搅拌罐式反应器
有气体参与：鼓泡式反应器
昂贵的酶：酶膜反应器 —— 酶回收较容易
耐高温酶：喷射式反应器
现在二十页，总共四十六页。
酶反应器的选择 —— 酶的应用形式
可用于连续反应，也可用于分 批反应
剪切力小，对结构较脆弱的细胞和 固定化载体有利
酶工程 第十一章 酶反应器的应用 2013-2
缺点： 需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且固定 化酶颗粒易于被破坏，流体动力学变化较大，参数复杂， 放大较为困难。 目前，流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体 和颗粒细小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白质。
20/138
循环式流化床
将流化床和循环槽偶联，使底物循环利用， 并可减少产物抑制，保证产物的连续生产。
塞现象
膜反应器，要防止浓差极化而产生的膜孔阻塞现象。
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2、保持反应器中流体的流动方式和状态
保持液体和气体的流动方式和状态 流动方式和状态的改变，会影响： 底物不酶的接触状态（降低反应速度，高浓度底物抑制） 产物不酶的接触状态（反馈抑制） 膜反应器操作能力（浓差极化现象）
酶工程 Enzyme Engineering
林范学fanxuelin@
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第十章 酶反应器的应用
酶促反应：
2/138
酶体外催化： 一定的容器
酶与底物接触 控制反应条件和催化速度
3/138
工业生产中酶促反应过程示意图
酶制剂的 制备 原料 预处理 消毒
除菌
过程调控
能量
酶反应器
充分发挥酶的催化功能
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一、酶反应器的设计
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进行物料衡算
39/138
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二、酶反应器的应用
充分发挥酶的催化功能 高质量的酶 适宜的酶应用形式 适宜的酶反应器 适宜的操作条件和适当的调控
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（一）酶反应器操作条件的确定及其调节控制
操作条件： 温度 pH 底物浓度 酶浓度
产物分离 提纯
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酶反应器——精选推荐
酶反应器教学基本内容：介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶反应器的概念，连续全混流酶反应器（CSTR）的特点和操作⽅程的建⽴；连续活塞流酶反应器（BCFR）的特点和操作⽅程的建⽴；分批式全混流酶反应器（BSTR）的特点和操作⽅程的建⽴。
CSTR型酶反应器和CPFR型酶反应器性能的⽐较。
固定化酶反应器的选择。
3.1 酶反应器的分类3.2 理想型酶反应器3.3 酶反应器操作⽅程3.4 酶反应器设计和操作参数3.5 PFR和CSTR型酶反应器性能⽐较3.6 固定化酶反应器的选择授课重点：1. 理想型酶反应器的概念。
CSTR型酶反应器、CPFR型酶反应器、BSTR型酶反应器的特点。
2. CSTR型酶反应器、CPFR型酶反应器、BSTR型酶反应器的操作⽅程。
难点：1.理想的酶反应器的概念。
2.CSTR型酶反应器和CPFR型酶反应器的操作⽅程。
3.返混的概念。
本章主要教学要求：1. 了解常见的酶反应器，熟悉酶反应器的分类。
2. 掌握理想型酶反应器的概念。
3. 理解CSTR、CPFR和BSTR型酶反应器操作⽅程的推导过程。
能够熟练运⽤操作⽅程进⾏酶反应器的设计。
4. 熟悉CSTR、CPFR和BSTR型酶反应器的性能，能够合理选择酶反应器。
⽣物反应器的概念提出：20世纪70年代，Arkinson 提出⽣化反应器（biochemical reactor）⼀词。
同时，0llis提出另⼀术语—⽣物反应器（biological reactor）。
80年代，⽣物反应器（bioreactor）⼀词在专业期刊和书籍中⼤量出现。
⽣物反应器（bioreactor）是指有效利⽤⽣物反应机能的系统（场所）。
既包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采⽤固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养⽤⽣物反应器和光合⽣物反应器。
3.1 酶反应器的分类：典型的酶反应器有连续搅拌式反应器、多级搅拌床、流化床、填充床、管式反应器。
如图所⽰。
第六章酶反应器
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酶膜反应器的应用(yìngyòng)及研究 新进展
6.1 （1）生物大分子的分解
酶反
应器 的类
主要集中在淀粉(diànfěn)、纤维素、蛋白质的
型及 特点
水解。
利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小
的水解产物相分离，可消除产物抑制作用。
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）。
➢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换过 程。
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1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
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2、填充(tiánchōng)床式反应器
Packed Bed Reactor, PBR，又称固定床反应器，
6.1
酶反 是固定化酶常用(chánɡ yònɡ)的一种反应器。
型 (lèix
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
íng) 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫
及特
点 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。
❖发展与改进：在反应器出口装上滤器, 或制成磁 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。
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❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
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传统酶反应器 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 填充(tiánchōng)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） 新型酶反应器 酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)
酶膜反应器的应用(yìngyòng)及研究 新进展
6.1 （1）生物大分子的分解
酶反
应器 的类
主要集中在淀粉(diànfěn)、纤维素、蛋白质的
型及 特点
水解。
利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小
的水解产物相分离，可消除产物抑制作用。
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）。
➢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换过 程。
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1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
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2、填充(tiánchōng)床式反应器
Packed Bed Reactor, PBR，又称固定床反应器，
6.1
酶反 是固定化酶常用(chánɡ yònɡ)的一种反应器。
型 (lèix
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
íng) 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫
及特
点 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。
❖发展与改进：在反应器出口装上滤器, 或制成磁 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。
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❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
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传统酶反应器 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 填充(tiánchōng)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） 新型酶反应器 酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)
酶反应器的设计演示文稿
• N= (QP*t )/[p] • N为反应器数目（个），[p]为产物浓度（g/L），t底物 在反应器的停留时间(h)；
结束
• 首先，根据酶底物和产物的性质，确定类 型。 • 其次，酶的反应条件中性，温和，对制作 材料没有什么要求，一般采取不锈钢制作 反应容器即可。 • 第三，进行热量衡算。酶反应一般在三十 到七十的温度进行，对热量的衡算并不复。 温度的调节控制也比较简单可以采用一定 温度的热水通过夹套加热或冷却的方式进 行温度调控，热量衡算是根据热水升温前 后的温差和用量计算。
4) 底物用量的计算 产量要求、产物转化率、产物收率计算决定。 在催化的副产物可以忽略不计时，产物的转化率 Yp/s=（反应前的底物浓度-反应后的底 物浓度）/反应前的底物浓度 产物转化率的高低直接关系的生产成本的高低 收得率R=分离得到的产物量/反应产生的产物量 底物的用量S=P/（ Yp/s * R） P代表产量，可以是年产量或日产量甚至小时产量， 具体情况根据反应器的不同决定。分批反应器取 的是日产量，连续反应器取得是小时产量。
膜反应器 简介：将酶催化反应和半透膜的分离作用结合在一起而作用 的反应器 操作方式：连续式 特点：膜反应器结构紧凑，集反应和分离于一体，利于连续 化，但是但是容易发生浓度差化而引起膜孔堵塞，清洗比 较困难 喷射式反应器 简介：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 操作方式：连续式 特点：通入高压喷射蒸汽，实现酶和底物的混合，进行高温 短时催化反应，适于某些耐高温酶的反应。
反应器的选择
一，根据酶的应用形式选择反应 器 二，根据酶反应动力学性质选择 反应器 三，根据底物和产物的理化性质 选择反应器 四，其他影响因素
酶反应器的设计
需要考虑的因素： 一，确定酶反应器的类型 二，确定反应器的制作材料 三，进行热量衡算 四，进行物料衡算
结束
• 首先，根据酶底物和产物的性质，确定类 型。 • 其次，酶的反应条件中性，温和，对制作 材料没有什么要求，一般采取不锈钢制作 反应容器即可。 • 第三，进行热量衡算。酶反应一般在三十 到七十的温度进行，对热量的衡算并不复。 温度的调节控制也比较简单可以采用一定 温度的热水通过夹套加热或冷却的方式进 行温度调控，热量衡算是根据热水升温前 后的温差和用量计算。
4) 底物用量的计算 产量要求、产物转化率、产物收率计算决定。 在催化的副产物可以忽略不计时，产物的转化率 Yp/s=（反应前的底物浓度-反应后的底 物浓度）/反应前的底物浓度 产物转化率的高低直接关系的生产成本的高低 收得率R=分离得到的产物量/反应产生的产物量 底物的用量S=P/（ Yp/s * R） P代表产量，可以是年产量或日产量甚至小时产量， 具体情况根据反应器的不同决定。分批反应器取 的是日产量，连续反应器取得是小时产量。
膜反应器 简介：将酶催化反应和半透膜的分离作用结合在一起而作用 的反应器 操作方式：连续式 特点：膜反应器结构紧凑，集反应和分离于一体，利于连续 化，但是但是容易发生浓度差化而引起膜孔堵塞，清洗比 较困难 喷射式反应器 简介：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 操作方式：连续式 特点：通入高压喷射蒸汽，实现酶和底物的混合，进行高温 短时催化反应，适于某些耐高温酶的反应。
反应器的选择
一，根据酶的应用形式选择反应 器 二，根据酶反应动力学性质选择 反应器 三，根据底物和产物的理化性质 选择反应器 四，其他影响因素
酶反应器的设计
需要考虑的因素： 一，确定酶反应器的类型 二，确定反应器的制作材料 三，进行热量衡算 四，进行物料衡算
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6
植物细胞培养反应器
3 、空气提升式的优点
(1)剪切力小 (2)无轴封,灭菌方便 (3)能耗、操作费用低
(4)可用通气速率来控制细胞的生长速率
7
8
9
酶反应器 enzyme reactor
1、酶反应器： 以酶作为催化剂进行反应所需的设备。 几何形状
进料和出 料的方式 罐型、管型、膜或片型 分批式、半分批式、
25
3、流化床反应器（FBR）
底物以一定速度向上通过， （1）特点 酶为悬浮状态，混合程度介 于CSTR （全混流）和PFR （活塞流）之间
（2）优点 ①具有良好的传质传热性能
②不易堵塞，适于处理黏度大 的液体能处理粉末状底物 ③压力降不很高
26
3、流化床反应器（FBR）
（3）缺点
①需保持一定的流速，成本高，难于放大 ②酶的浓度不高（空隙体积大） ③降低了转化率（底物高速流动使酶冲出）
6-2 酶反应器 (enzyme reactor)
1、植物细胞培养装置主要有哪 些 类型 2、常见的酶反应器有哪些类型
1
一、培养中植物细胞(plant cell)的特性
1、结团：细胞较大，通常是一团细
胞的非均相集合体
细胞分裂后没有进行
2 、细胞 成团的 两种产 生方式
细胞分离（主要）
间歇培养中细胞处于对数 生长后期，开始分泌粘多 糖、蛋白质等，或以其他 形式产生粘性表面，从而 形成细胞团。
2 分 类
连续反应器
膜反应器 液-固反应器 气-液-固三相反应器
10
结构功能
3、催化剂：游离酶、固定化酶、 固定化细胞 4、在低温、低压下操做，耗能、 产能都少
5、不表现自催化方式（细胞的 连续再生）
11
游离酶反应器
1、反应：S+E
P
S为粘性或不溶于水的颗粒 E为价廉、不纯的催化大分子化 合物水解的酶类
2、填充床反应器（PBR）
（1）特点
催化剂颗粒静止不动，接近于 PFR（活塞流反应器）
（2）优点 ①可使用高浓度的催化剂
②可减少产物的抑制
（3）缺点
①T和PH难以控制（传质传热系数低） ②底物和产物会产生轴向浓度分布 ③清洗和更换酶麻烦，底物需加压才能进 入 ④反应液内含有固体颗粒时不宜采用 （易堵塞）
2
一、培养中植物细胞(plant cell)的特性
3 、 当细胞密度高，粘性大，易产生 混合、循环不良问题 4、抗剪切力弱：纤维素细胞壁使得
其外骨架相当脆，抗剪切力相当弱
5、 保持无菌：培养基营养成分丰富、
复杂，适合真菌生长，其生长速度比植 物细胞快的多
3
培养中植物细胞的特性
6、设备要求高：
（4）提高转化率的方法
①使酶进行循环 ②使用几个流化床组成的反应器组或 锥形流化床
27
28
29
4、膜反应器
1、用膜状或板状固定化酶组装 的反应器 2、类型：平板型、螺旋卷型、 转盘型、空心酶管、中空纤维膜
30
31
5、鼓泡塔反应器
底物和气体从底部通入，气体经 气体分散板分散均匀
32
33
（4）缺点 反应效率低，载体易被剪切损
坏，搅拌动力消耗大
22
固定或回收酶的方法
BSTR 离心或过滤（易造成酶的失
效损失）
1、出口装滤器 2、用尼龙网罩住，安装在搅拌 轴上 CSTR 3、磁性固定，借磁吸方法滞留 4、酶固定在容器壁上或搅拌轴 上（金属网筐） （1为回收，2-4为固定）
23
24
反应器结构简单，不需特殊设备， 适于小 规模生产
⑷缺点
不能进行酶的回收
15
2、超滤膜式反应器
（1）原理
利用膜（membrane)的选择透过性： 小分子产物透过，酶被截留回收重 新使用，可节省用酶。
（2）优点
①酶被截留重新使用，节省用酶 ②产物抑制时，宜采用此装置
（3）缺点
酶的长期操作稳定性差，酶易在超滤 膜上吸附损失，或在膜表面浓缩极化
酶固定后，酶活会降低
1、结构、空间因素 酶分子结构改变和屏蔽效应
2、酶周围浓度的不均一性 分隔效应和扩散阻力
19
20
21
1、搅拌罐式反应器
分批反应器（BSTR）
（1）分类
连续流动搅拌罐式反应器 （CSTR）
（2）特点 内容物的混合是充分均匀的 （3）优点
结构简单，T和pH容易控制，适用 于底物受抑制的反应，传质阻力低， 能处理胶状和水不溶性底物，固定化 酶易更换
36
预习
细胞破碎设备
37
植物细胞生长速度慢，操作周期长， 要求设备有良好的质量和高度稳定 性。
7、保持较低的溶氧水平：
植物细胞好气，需通氧，且对氧的 变化非常敏感，太高或太差均有不 良影响。
4
培养中植物细胞的特性
8、pH值为 5-7：进气时加入一定
量的CO2
9、控制泡沫：植物细胞培养过程中，
产生的气泡大且粘性大（覆盖有粘多糖、 蛋白质），细胞极易被包埋在泡沫中，而 从循环的营养液中带出，需用化学方法或 机械方法控制。
2、溶液酶的缺点：
（1）游离的溶液酶，在反应过程中会
随着产品一起流失，不仅造成酶的损 失，增加了生产费用，而且随产品流 出的酶，又会影响产品的质量。
（2）溶液酶在反应后，分离困难，无法 重复使用。 （3）溶液酶十分脆弱，会因机械力、流 体流动产生的剪切力和流体的表面张 力等，使酶的活性降低，往往使用不 久便变性和失去活力。
10、表面粘附：在植物细胞培养过程中，
细胞往往会粘附于培养表面以上的器壁上、 电极或挡板表面上。培养表面以上的细胞 层用机械法除去，在培养容器的表面和电 极上涂上硅油，可减少粘附 5
植物细胞培养反应器
1 、操作方式：
间歇培养(batch only)
2 、反应器：
摇瓶(shake flask)、通用式发酵罐、鼓 泡式、气升式、旋转圆筒式
16
2、超滤膜式反应器
(4) 操 作
分批 操作 连续 操作
将酶和底物一次装入反应 器，在适当温度下开始反 应，反应达一定时间后， 将全部反应物取出
一边连续的将底物加到反 应器中，一边连续的排出 生成物。
（5）膜
种类--超滤膜和透析膜 形状--平板状、管状、螺旋状、中空纤 维状
17
18
固定化酶反应器
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1、搅拌罐式反应器
⑴组成
容器、搅拌器（挡板）、保温装置 分 批 式 半 分 批 式
将酶和底物一次装入反应器， 在适当温度下开始反 应，反 应达一定时间后，将全部反应 物取出 将底物缓缓加入反应器中进行 反应，到一定时间后，将全部 反应物取出。
(2) 分 类
（底物抑制）
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1、搅拌罐式反应器
⑶优点：
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二、酶反应器的选择
影响选择的因素 1、 固定化酶的形状 2、 底物的理化性质 3、 酶反应动力学特性 4、 酶的稳定性 5、 操作要求及反应器费用
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固定化酶反应器中，填充床与流 化床相比突出的优点是（ ）。 A、T和pH难以控制 B、酶的 浓度较大 C、酶的浓度不高 D、 清洗和更换酶麻烦