酶工程 第六章 酶反应器

空心酶管反应器
特点：酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管 时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。 多与自动分析仪等组装，用于定量分析。

中空纤维反应器
特点：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成 内层：半透膜，可截留大分子物质而允许小分子物质通过 外层：多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内 壁与海绵状介质上的酶起反应

4. 鼓泡式反应器 bubble column reactor, BCR
特点：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和 两种作用。 三相流化床反应器：在使用固 定化酶进行催化反应时，反应系 统中存在固、液、气三相 适用：游离酶、固定化酶

4. 鼓泡式反应器 bubble column reactor, BCR
优点：① 传质、传热性能好，pH、温度控制及气体的 供给容易 ② 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体 ③ 能处理粉末状底物 ④ 压力降小 缺点：① 需保持一定流速，难于放大 ② 固定化酶处于流动状态，易破损 ③ 空隙体积大，酶浓度低

3. 流化床反应器 fluidized bed reactor, FBR

6. 喷射式反应器 projectional reactor，PR

特点：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


组成：喷射器、维持罐
适用：耐高温游离酶
优点：结构简单，催化效率高
例：利用固定化酶生产高果糖浆
食糖是日常生活必需品，也是 食品、医药等工业原料。 世界食糖的需求每年以4％的速率增加，而产量每 年只增加2％-3％，供不应求。 目前各国都竞相生产高果糖浆(High Fructose Syrup， 甜度为蔗糖的173.5％)。在美国、日本等发达国家 2/3的食糖已为高果糖浆代替。 高果糖浆采用固定化葡萄糖异构酶和固定化含酶 菌体进行生产。

优点：① 结构简单，操作容易 ②传质、传热性能好，剪切力小
③适合于需要气体参与的反应

缺点：液体返混严重，气泡易聚并，效率低
改进办法：锥形、多段式
4. 鼓泡式反应器 bubble column reactor, BCR 污水处理
பைடு நூலகம்
5. 膜反应器 membrane reactor，MR
特点：将酶催化反应与 半透膜的分离作用相结 合 适用：游离酶、固定化 酶。 分类：游离酶膜反应器、 固定化酶膜反应器
适用：固定化酶 优点：结构简单，混合良好，底物 与固定化酶接触好，利用效率高。 缺点：连续搅拌易损坏固定化酶结 构。


（2）连续搅拌罐反应器
continuous flow stirred tank reactor, CSTR
改进方法：
反应器出口装上滤器：连续流动搅拌罐-超滤 膜反应器（CSTR/UFR）

用尼龙网罩住固定化酶 固定在容器壁或搅拌轴上
制成磁性固定化酶
连续搅拌罐-超滤反应器
CSTR/ultrafiltration reactor, CSTR/UFR

在CSTR出口处设臵一个超 滤器。 为小分子产物与大分子底 物的分离、底物较彻底的 转化以及固定化酶的反复 使用提供了可能，但酶易 因循环超滤而失效损失。

2. 填充床反应器 packed column reactor, PBR
3. 流化床反应器 fluidized bed reactor, FBR

特点：底物以一定速度由下
向上流过，使固定化酶颗粒在
浮动状态下进行反应。

适用：固定化酶
3. 流化床反应器 fluidized bed reactor, FBR
设计步骤
1. 确定酶反应器的类型

根据酶、底物和产物的性质确定反应器类型。
不锈钢 设计控温装臵：夹套、列管 酶反应动力学参数、底物用量、酶量、反应体 积、反应器数量
蛇形管冷却
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
夹层冷却

五、酶反应器的操作
1. 酶反应器操作条件的确定及调控
（1）反应温度的确定与调控

酶的催化反应有一个最适温度。过低，反应速 换热装臵——夹套或列管等
度减慢；过高，引起酶的变性失活。

五、酶反应器的操作
（2）pH值的确定与调控
酶的催化反应有一个最适pH值。过低或过高
均使反应速度减慢，甚至使酶变性失活。
操作：加入稀酸或稀碱进行调解，必要时可
采用缓冲液维持反应液的pH值。
二、酶反应器的类型及特点
按操作方式区分：

分批式反应器（batch reactor） 流加分批式反应器（feeding batch reactor）

连续式反应器（continuous reactor）
分批搅拌罐反应器（batch stirred tank reactor， BSTR） 连续搅拌罐反应器（continuous stirred tank reactor, CSTR）
1. 酶的应用形式
（2）固定化酶：STR、PCR、BCR、FBR、MR

颗粒状——STR、PCR


小颗粒状——FBR 、 BCR
片状、膜状或纤维状——PCR
平板状、直管状、螺旋管状——MR
2. 酶反应动力学性质

混合效果——STR、FBR 酶受高浓度底物抑制——BSTR


酶受产物反馈抑制——MR、PCR
按结构与操作方式结合区分：


1. 搅拌罐式反应器 stirred tank reactor, STR

有搅拌装臵的罐式反应器。 组成：反应罐、搅拌器和控温装臵

适用：游离酶、固定化酶
（1）分批搅拌罐反应器 batch stirred tank reactor, BSTR

特点：底物与酶一次性投入反应器内， 反应结束后将产物一次性取出。
游离酶 酶与底物混合充分，催 化效率高，适用于耐高 温酶的反应
三、酶反应器的选择
酶反应器的选择依据

酶的应用形式 酶反应动力学性质 底物和产物的理化性质

其他
1. 酶的应用形式
（1）游离酶：STR 、MR、BCR、PR。

常用——STR


气体参与—— BCR
高价酶——MR

耐高温酶——PR
酶反应器的操作
一、酶反应器简介
游离酶和固定化酶在体外进行催化反应时， 都必须在一定的反应容器中进行，以便控制酶 催化反应的各种条件和催化反应的速度。 酶反应器 (enzyme reactor)：用于酶进行催化 反应的容器及其附属设备。 酶反应器为酶催化反应提供合适的场所和最 佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物 （原料）最大限度地转化成产物。

改进方法：
① 使用几个流化床组成的反应器组，或使用锥形 流化床。
② 底物进行循环，避免固定化酶冲出，促进底物 完全转化为产物。
循环反应器 recycle reactor, RCR

特点：把部分流出液与 加料液混合，然后再令 其进入反应器。 优点：可提高液体的流 速和减少底物向固定化 酶表面传递的阻力。

游离酶膜反应器
固定化酶膜反应器
特点：由膜状或板状固定化酶组装的反应器 。 分类： 平板状或螺旋状反应器 转盘型反应器 空心酶管反应器 中空纤维膜反应器

平板状或螺旋状反应器

特点：放大容易；单位体积催化剂有效面积小
转盘型反应器
有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物 有挥发性物质，广泛应用于水处理装臵。
酶反应器 Enzyme Reactor
酶工程原理和基本过程
菌种→ 扩大培养→ 发酵→ 发酵酶液→酶的提取→酶成品 酶的固定化 原料→ 前处理→ 杀菌→ 酶反应器 ↓ 反应液→ 产品提取→ 产品
Contents
Go
Go Go 酶反应器简介 酶反应器的类型及特点 酶反应器的选择
Go Go
酶反应器的设计

酶的机械强度、密度


反应操作的要求
反应速率方程式的类型
对付杂菌污染的措施
酶的稳定性、再生、更换的难易 反应器内催化表面积与反应器体积之比
四、酶反应器的设计
生物反应器设计的主要目标：
产品的质量最高，生产成本最低。
(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞 浓度），得到较大的产品转化率 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件 (3) 应具有良好的传质和混合性能 (4) 应具有最佳的无菌条件
酶耐受高温——PR
3. 底物和产物的理化性质
分子量大——不适用MR
溶解性物质 ——任何类型反应器

底物
颗粒物质
胶体物质
STR、FCR
气体——BCR
4. 其他

成本：低


使用：方便，易清洗
CSTR——应用的可塑性较大，结构简单，成 本较低。

PBR——可塑性较差，但应用广泛。
选择反应器需考虑的因素
五、酶反应器的操作
（3）底物浓度的确定与调控
底物浓度是决定酶促反应速度的主要因素。
底物浓度低，酶催化反应速度随底物浓度的
增加而升高；当底物浓度达到一定值时，反 应速度趋于平衡，不再与底物浓度成正比。
操作：适宜浓度，流加操作
五、酶反应器的操作
（4）酶浓度的确定与调控
酶浓度也是决定酶促反应速度的主要因素。