酶工程--第4章-酶反应器
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生物反应过程: 由生物工程所引出的生产过程
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生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地 位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品 产业化的关键设备。 ➢ 在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料
升值。 ➢ 生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个
及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很 大影响。
• 20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和 应用获得迅速发展的阶段。
• 传统生物工业中使用的生物反应器称为“发 酵罐”（fermenter）
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发酵罐
8
生物反应器历史简介
• 20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应 器（biochemical reactor）一词，其含义 除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、 处理废水用反应器等。
26
优点：
➢ 混合均匀 ➢ 传质和传热效果好 ➢ 温度和pH值易于调节控制 ➢ 不易堵塞 ➢ 对黏度较大的反应液也可进行催化
反应
27
• 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。
搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构 受到破坏。
http://www.cnpatentinfo.com/ipc/hxyj_C12M_detail_200720125230.html 微型生物酶反应器
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4.1.2 填充床式反应器
➢ 是将酶固定化后， 填充到柱式反应容 器中而制成的一种 反应器。
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wenku.baidu.com
4.1.1 搅拌罐式反应器
由反应罐、搅拌器和保温装置组成。 既可以用于游离酶的催化反应，又可以用 于固定化酶的催化反应 1、分批搅拌罐式反应器
17
优点：
设备简单，操作容易，酶与底物 混合均匀， 传质阻力较小，反应较为 完全，反应条件容易调节控制。 缺点： 用于游离酶，酶难以回收。 用于固定化酶，反应器利用率较低， 而且可能对固定化酶的结构造成破坏。
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生物反应器
生物反应器设计的 主要目标是使产品 的质量高，成本低。
生物反应器处于生 物过程的中心，它 常是影响整个过程 的经济效益的一个 重要方面。
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生物反应器历史简介
• 生物反应器这一术语出现的时间不长，但人 们利用生物反应器进行有用物质生产却有着 悠久的历史。
• 我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就 是最初的生物反应器。
18
• 分批搅拌罐式反应器也可以用于流加 分批式反应。
• 流加分批搅拌罐式反应器的装置与分 批搅拌罐式反应器的装置相同。
• 流加分批式反应可以用于游离酶和固 定化酶的催化反应。
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2、连续搅拌罐式反应器 只适用于固定化酶的催化反应。
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优点： ➢ 设计简单、操作简便 ➢ 反应条件容易调节控制 ➢ 底物与固定化酶接触较好 ➢ 传质阻力较小 ➢ 反应器的利用率较高。 ➢ 需注意控制好搅拌速度，以免由于强烈
定义：通常将用于酶进行催化反应的容器 及其附属设备称为酶反应器。 作用：使酶得到合理的应用，并能够提 高产品的质量和降低成本。
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本章内容 P92
酶反应器的分类 酶反应器的选择 酶反应器的设计 酶反应器的放大 酶反应器的操作
14
4.1 酶反应器的类型和特点
按照结构的不同可以分为：
➢ 搅拌罐式反应器 stirred tank reactor，STR ➢ 填充床式反应器 packed column reactor，PCR ➢ 流化床反应器 fluidized bed reactor，FBR ➢ 鼓泡式反应器 bubble column reactor，BCR ➢ 膜反应器 membrane reactor，MR ➢ 喷射式反应器 jet gas-liquid reactor
• 同一时期，Ollis提出了另一术语——生物 反应器（biological reactor）.
• 20世纪80年代，生物反应器（bioreactor) 一词在专业期刊与书籍中大量出现。
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传质和传热
➢ 生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和 传热。
➢ 传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最 主要考虑的问题。
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按操作方式分为： 分批式反应（batch） 连续式反应（continuous） 流加分批式反应（feeding batch）
将结构和操作方式结合一起分为： ➢ 连续搅拌罐式反应器
continuous stirred tank reactor，CSTR
➢ 分批搅拌罐式反应器 batch stirred tank reactor，BSTR等
第4章 酶反应器
刘立丽 浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所
E-mail: llliu@zstu.edu.cn
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生物反应器
一、生物反应器概述 生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化
成有用物质的过程。 四个组成部分： ——原材料的预处理 ——生物催化剂的制备 ——生物反应器的选择及反应条件的控制 ——产物的分离提纯
➢ 传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见， 在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反 应器不断出现，相应地提高了传质效率。
➢ 传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为 了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热 量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一 个环节。
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酶反应器（enzyme reactor）
➢ 适用于固定化酶进 行催化反应
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旋转填充床
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优点： ➢ 设备简单 ➢ 操作方便 ➢ 单位体积反应床的固定化酶密度大 ➢ 可以提高酶催化反应的速度 缺点： 底层固定化酶颗粒所受压力较大，容易 引起固定化酶颗粒的变形或破碎。
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4.1.3 流化床反应器
是一种适用 于固定化酶 进行连续催 化反应的反 应器。
评价生物反应器主要是看它生产能力的大 小以及产品质量的高低。
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生物反应器的要求
➢ 一般的化学反应器相似： 维持一定的温度、pH、反应物（营养物质， 包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、 传热和混合性能，以提供合适的环境条件， 确保生物反应的顺利进行。
➢ 与一般的化学反应器不同： 细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种 微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。
生物反应过程: 由生物工程所引出的生产过程
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生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地 位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品 产业化的关键设备。 ➢ 在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料
升值。 ➢ 生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个
及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很 大影响。
• 20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和 应用获得迅速发展的阶段。
• 传统生物工业中使用的生物反应器称为“发 酵罐”（fermenter）
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发酵罐
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生物反应器历史简介
• 20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应 器（biochemical reactor）一词，其含义 除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、 处理废水用反应器等。
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优点：
➢ 混合均匀 ➢ 传质和传热效果好 ➢ 温度和pH值易于调节控制 ➢ 不易堵塞 ➢ 对黏度较大的反应液也可进行催化
反应
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• 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。
搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构 受到破坏。
http://www.cnpatentinfo.com/ipc/hxyj_C12M_detail_200720125230.html 微型生物酶反应器
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4.1.2 填充床式反应器
➢ 是将酶固定化后， 填充到柱式反应容 器中而制成的一种 反应器。
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4.1.1 搅拌罐式反应器
由反应罐、搅拌器和保温装置组成。 既可以用于游离酶的催化反应，又可以用 于固定化酶的催化反应 1、分批搅拌罐式反应器
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优点：
设备简单，操作容易，酶与底物 混合均匀， 传质阻力较小，反应较为 完全，反应条件容易调节控制。 缺点： 用于游离酶，酶难以回收。 用于固定化酶，反应器利用率较低， 而且可能对固定化酶的结构造成破坏。
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生物反应器
生物反应器设计的 主要目标是使产品 的质量高，成本低。
生物反应器处于生 物过程的中心，它 常是影响整个过程 的经济效益的一个 重要方面。
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生物反应器历史简介
• 生物反应器这一术语出现的时间不长，但人 们利用生物反应器进行有用物质生产却有着 悠久的历史。
• 我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就 是最初的生物反应器。
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• 分批搅拌罐式反应器也可以用于流加 分批式反应。
• 流加分批搅拌罐式反应器的装置与分 批搅拌罐式反应器的装置相同。
• 流加分批式反应可以用于游离酶和固 定化酶的催化反应。
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2、连续搅拌罐式反应器 只适用于固定化酶的催化反应。
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优点： ➢ 设计简单、操作简便 ➢ 反应条件容易调节控制 ➢ 底物与固定化酶接触较好 ➢ 传质阻力较小 ➢ 反应器的利用率较高。 ➢ 需注意控制好搅拌速度，以免由于强烈
定义：通常将用于酶进行催化反应的容器 及其附属设备称为酶反应器。 作用：使酶得到合理的应用，并能够提 高产品的质量和降低成本。
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本章内容 P92
酶反应器的分类 酶反应器的选择 酶反应器的设计 酶反应器的放大 酶反应器的操作
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4.1 酶反应器的类型和特点
按照结构的不同可以分为：
➢ 搅拌罐式反应器 stirred tank reactor，STR ➢ 填充床式反应器 packed column reactor，PCR ➢ 流化床反应器 fluidized bed reactor，FBR ➢ 鼓泡式反应器 bubble column reactor，BCR ➢ 膜反应器 membrane reactor，MR ➢ 喷射式反应器 jet gas-liquid reactor
• 同一时期，Ollis提出了另一术语——生物 反应器（biological reactor）.
• 20世纪80年代，生物反应器（bioreactor) 一词在专业期刊与书籍中大量出现。
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传质和传热
➢ 生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和 传热。
➢ 传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最 主要考虑的问题。
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按操作方式分为： 分批式反应（batch） 连续式反应（continuous） 流加分批式反应（feeding batch）
将结构和操作方式结合一起分为： ➢ 连续搅拌罐式反应器
continuous stirred tank reactor，CSTR
➢ 分批搅拌罐式反应器 batch stirred tank reactor，BSTR等
第4章 酶反应器
刘立丽 浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所
E-mail: llliu@zstu.edu.cn
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生物反应器
一、生物反应器概述 生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化
成有用物质的过程。 四个组成部分： ——原材料的预处理 ——生物催化剂的制备 ——生物反应器的选择及反应条件的控制 ——产物的分离提纯
➢ 传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见， 在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反 应器不断出现，相应地提高了传质效率。
➢ 传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为 了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热 量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一 个环节。
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酶反应器（enzyme reactor）
➢ 适用于固定化酶进 行催化反应
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旋转填充床
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优点： ➢ 设备简单 ➢ 操作方便 ➢ 单位体积反应床的固定化酶密度大 ➢ 可以提高酶催化反应的速度 缺点： 底层固定化酶颗粒所受压力较大，容易 引起固定化酶颗粒的变形或破碎。
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4.1.3 流化床反应器
是一种适用 于固定化酶 进行连续催 化反应的反 应器。
评价生物反应器主要是看它生产能力的大 小以及产品质量的高低。
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生物反应器的要求
➢ 一般的化学反应器相似： 维持一定的温度、pH、反应物（营养物质， 包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、 传热和混合性能，以提供合适的环境条件， 确保生物反应的顺利进行。
➢ 与一般的化学反应器不同： 细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种 微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。