酶膜反应器
第六章 酶反应器
3．流化床式反应器 流化床式反应器(fluidized reactor，FBR)是一种装 流化床式反应器(fluidized bed reactor，FBR)是一种装 有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等) 有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。 底物以一定速度由下向上流过， 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。 如图所示： 态下进行反应。 如图所示：
Section 2 酶反应器的发展
一、含有辅助因子再生的酶反应器 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、能量供给体 的协助，而这些辅因子的价格较贵。 等）的协助，而这些辅因子的价格较贵。如采用简单的添加 方法，经济上很不合算。因此， 方法，经济上很不合算。因此，发展了含有辅因子再生的酶 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 例如：①利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 例如： 利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 化NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等 再生酶反应器等。 ②美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等。
2．填充床式反应器 填充床式反应器(packed reactor，PCR)是把颗 填充床式反应器(packed column reactor，PCR)是把颗 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床， 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床，床可直立 或平放) 底物按一定方向以恒定速度通过反应床。 或平放)内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。是一 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。当前工业 上多数采用此类反应器。如图所示： 上多数采用此类反应器。如图所示：
酶膜反应器
酶膜反应器摘要：酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备，它是反应与分离相耦合的装置，集产品分离、纯化和酶回收利用于一体，具有其它方法不可比拟的优势。
在强调资源节约，环境友好和清洁化生产技术的今天，显示一些特别的优点，近年来已成为热门的研究领域。
本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类，并根据分类对近年来酶膜反应器应用研究进行了概述，讨论了酶膜反应器目前存在的一些瓶颈问题及其解决办法。
关键词：酶膜反应器；优缺点；分类；催化；应用Enzyme Membrane ReactorAbstract:Enzyme membrane reactor that contains an enzyme and a membrane with the appropriate pore size and physicochemical properties is a new type of bioreactor, in which continuous reaction occurs simultaneously with separation of the product from the reaction mixture. Membrane bioreactor has some advantages in the field of resource saving, environmental protection and clean production in biocatalysis, and has already become one of the hottest research fields these years. The basic concept , feature and classification of enzyme membrane reactor were generally described, and some applications in some fields and examples were reviewed. The current problems and the future tendency were discussed.The current bottleneck problems and the corresponding solution approaches were discussed.Key words: Enzyme membrane reactor; Feature; Classification; catalyse reactions; Application 1.酶膜反应器简介膜反应器是基于利用选择性的半透膜来分离酶及产物(或者底物)，利用膜两侧的推动力(化学势、压差、电势差等),将可渗透的溶质从反应体系中分离出来的原理[1]。
酶膜生物反应器及其应用
酶膜生物反应器及其应用
酶膜生物反应器(Enzyme Membrane Bioreactor, EMBR)是一种既
具有高效的膜过滤作用又具有空气对流和生物反应的复合系统。
它通
过在膜上表面活性物质的形成，将特定的有机物进行分解吸附，从而
大大提高了水处理的效率，同时可以将原料中的污染物进行处理、降
解和分解，避免了再污染的发生。
酶膜生物反应器由一个容器和一个孔径微细的膜组成，容器体内
装有含有某种酶的生物膜，将被处理的溶液放入容器体中，有机物会
通过孔径微小的膜被分离，一部分溶液透过膜层，进入到膜系统的另
一侧，此时由于外加的压力，有机物已经被分解吸附于膜表面，而无
机颗粒和其它非反应物质通过膜分离，污水被净化并经释放。
EMBR 生物反应器由于具有膜过滤和生物反应双重作用，可以作为
一种高效、快速、长期运行的污染物处理技术，主要应用于水处理，
因为它易于操作、可以有效降解有机物，能有效去除污染物并有效控
制水质，它与膜层之间的生物活性使得它在水处理上具有良好的效果。
EMBR 在污水处理方面的应用也越来越广泛，如食品工业、冶金工业、采矿工业、生物质能等，在污水处理中，EMBR 能够有效清除有机物、重金属离子等污染物，因此，它已成为高效污染物处理技术的热
门选择。
此外，EMBR 在医学领域也有着重要的应用，通常用于医学废弃物
的处理，它的优点是能够迅速有效的处理掉污染物。
因此，EMBR 具有
极其广泛的应用前景，它的出现带来了无可比拟的便利，为人类的环
保处理提供了良好的参考研究。
固定化酶反应器
固定化酶反应器
1 、 分 批 搅 拌 罐 反 应 器 （ Stirred tank batch reactor,STR） ） 反应器包括搅拌浆、固定的挡板。酶包埋于珠状或 吸附于特定载体上，在该系统中，底物、酶具有相同 的停留时间，有些情况下，如酶相对不稳定，反应过 程中需添加额外的酶；有底物抑制的情形下，可使用 低的初始底物浓度，当底物浓度消耗完时，可添加底 物，即为分批流加系统。 使用珠状或颗粒状固定化酶的优点，反应结束后，固 定化酶可容易分离去除、回收，反复使用，产物不受 酶的污染。
连续搅拌罐反应器
产物 过滤器
固定化酶
底物
CSTR与PBR的比较 CSTR与PBR的比较： 的比较：
（1）在CSTR中，所有酶暴露在相对低的底物浓度 和相对高的产物浓度中，效率因子η下降，反应器中 酶未被有效利用。 在PBR中，反应器的初始部分在高底物浓度下操作， 仅在最后部分，底物浓度较低，产物浓度较高，因此 仅在最后部分效率因子η下降，这意味着在CSTR中 比PBR可能需更多的酶。 在实际中，在CSTR中很容易得到紊流，可消弱 扩散限制作用，而在PBR中，使用层流，更容易遇到 扩散限制情况，因此CSTR可得到与PBR一样好的性 能，而监控PH、温度相对容易。
活塞流反应器或填充床反应器
产物 固定化酶
底物溶液
产物浓度沿反应器长度是逐渐增高的， 底物浓度沿反应器长度是逐渐减少的。
理想状况下，底物液体流匀速通过反应柱， 没有返混，在反应器的同一横切面上的 物料，具有相同的停留时间，或液体流 动速度完全相同。产物浓度沿反应器长 度是逐渐增高的，底物浓度沿反应器长 度是逐渐减少的，在柱的末端，底物浓 度最小，产物浓度最大。
2、活塞流反应器或填充床反应器 （Plug flow reactor,PFR; or Packed bed reactor, PBR） PBR） 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床 （填充床）内，底物按一定方向以恒定的速 度通过反应床。它是一种单位体积催化剂负 荷量最大，效率高的反应器。反应器水平或 垂直放置，底物用泵从底部或顶部打入（向 上流比下流好，因不易阻塞，液流更均匀）。
酶膜生物反应器及其应用
酶膜生物反应器及其应用酶膜生物反应器是一种利用酶膜固定化技术的生物反应器，通过将酶固定在膜上，形成酶膜，使其与底物进行反应，从而实现底物的转化和产物的生成。
与传统的酶液相比，酶膜生物反应器具有反应速度快、底物利用率高、反应稳定性好等优点，因此被广泛应用于生物技术、制药工业、食品加工等领域。
酶膜生物反应器的制备主要分为两个步骤：酶固定化和膜材料选择。
酶固定化是将酶分子固定在膜上的过程，常用的固定化方法有物理吸附、共价键合和交联等。
固定化后的酶膜可以具有较高的稳定性和活性，可以重复使用，延长酶的寿命，减少底物和酶的浪费。
选择合适的膜材料也十分重要，常用的膜材料有聚丙烯膜、聚酯膜等，需要根据反应条件和底物特性进行选择。
酶膜生物反应器的应用非常广泛。
在生物技术领域，酶膜生物反应器可以用于生物传感器、生物酶纳米复合材料的制备等。
例如，酶膜生物反应器可以用于血糖检测仪中，通过固定化葡萄糖氧化酶在膜上，实现对血液中葡萄糖含量的检测。
在制药工业中，酶膜生物反应器可以用于酶促反应的生产。
例如，通过将酶固定化在膜上，可以将底物转化为目标产物，提高产物的纯度和产量。
在食品加工中，酶膜生物反应器可以用于果汁澄清、乳化剂制备等。
除了以上应用，酶膜生物反应器还可以用于环境领域的水处理和废气处理。
例如，通过将酶固定在膜上，可以将水中的有机物、重金属等有害物质转化为无害的产物，净化水源。
在废气处理方面，酶膜生物反应器可以用于将废气中的有害气体如硫化氢、氨等转化为无害气体，减少对环境的污染。
总之，酶膜生物反应器是一种非常重要的生物技术工具，具有广泛的应用领域和潜力。
通过固定化酶在膜上，可以提高反应效率，降低成本，实现底物的高效转化和产物的高纯度。
随着科学技术的不断进步，酶膜生物反应器在各个领域的应用将会更加广泛。
酶膜反应器在淀粉糖行业中的研究应用
收 稿 日期 ：２０１０ ０１ １３；修 回 日期 ：２０１Ｏ—Ｏ４—１１ 作 者 简 介 ：刘 坤 （１ ９８５一），硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：食 品 加 丁 与保 鲜 。
２ 应 用 ２．１ 概 念
酶 膜 反 应 器 ，又 称 酶 膜 生 物 反 应 器 （Ｅｎｚｙｍｅ Ｍ ｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，简 称 ＥＭＲ），是 指 采 用 适 当 孔 径 的膜将 酶和底 物 与产 物 隔 开 ，并 使 产 物 不 断 透 过 膜 排 出 的 一 种 反 应 设 备 。 简 单 的说 就 是 在 生 化 反 应 的 同 时 分 离 产 物 的 一 种 膜 设 备 。 在 ２Ｏ世 纪 ７Ｏ年 代 就 开 始 了 酶 膜 反 应 器 在 淀 粉 加 工 中 的 应 用 研 究 ， 但 目前该 方 法仍处 于实 验用 。 国 外 对 于其 在 淀 粉 生 产 中 的应 用 试 验 已有 相 关 的 报 道 ，但 国 内 该 方 法 主 要 是 用 于 从 淀 粉 厂 废 水 中 提 取 蛋 白 质 ，而 关 于 其 在 淀 粉 糖 化 过 程 中 应 用 的 报 道 还 很 少 见 。 ２．２ 酶 膜 反 应 器 的 分 类 及 特 点
根 据 酶 膜 反 应 器 操 作 条 件 的 不 同 ，可 将 其 分 为 死 端式 与错 流式 。死 端式 发展 较早 ，具有 回收率 高 ， 能 耗 低 的 优 点 ，但 随 着 滤 饼 层 的 不 断 加 厚 ，膜 通 量 显 著 下 降 ，膜 污染 比较严 重 ；错流 式相较 于死 端式可 有 效 的 降低膜 表 面的污 染 和浓差 极化 ，减小 过滤 阻力 ， 但 该 方 法 的 能 耗 相 对 较 高 。
第六章酶反应器案例
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 ❖特点：可承受较高的操作压力，表面积
膜
大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
反
应
器
❖中空纤维酶膜反应器连续制备异麦芽低聚糖
❖ 以淀粉为原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。采用中空纤维酶 膜反应器,
❖ 先用α－淀粉酶和异淀粉酶糖化制备麦芽低聚糖; ❖ 后用α－葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶转苷制得异麦芽低聚糖。 ❖ 本发明大大缩短糖化、转苷的反应周期,酶用量省,产品质量
器 ❖ 操作：游离酶、固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部
的 类
通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡提供混合作用。
型 ❖ 优点：适用于有气体吸收的生物反应。
及
特
点
❖啤酒连续发酵塔型固定化活菌体反应器
5.喷射式反应器
❖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。 ❖ 催化反应速度快，效率高，可在短时间完成催化反应。
特
下一批反应。
点
连续流式搅拌罐式反应器：
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， 以相同流速输出产物。
1、搅拌罐式反应器
6.1 ❖优点：结构简单，易操作；酶与底物混合充分均
酶 匀；传质速度快，反应能迅速达到稳态；能处理
反 应
胶体状底物、不溶性底物。
器 的
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
固定化酶膜式反应器
（4）中空纤维酶膜反应器
4 ❖结构：由外壳和数以千计的醋酸纤
膜
维制成的中空纤维组成。中空纤维：
反
内层紧密、光滑，可截留大分子物
应
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。
酶反应器的认知与操作—几种常用的酶反应器
他们采用了甲酸脱氢酶(FDH)，该酶需 NAD—，接受由甲酸脱下来的氢，生成 NADH，即NAD+得到了再生。此项设计， 利用液-液双水相技术，获得廉价的甲酸 脱氢酶和亮氨脱氢酶，将两种酶和NADH 一同在PFG-20000上进行固定化，再把这 个反应系统置于超滤膜反府器内，如图 9.2-4所示。
将酶固定化于膜状惰性支持物上，将其卷 成螺旋卷状，填充于柱中，称为螺旋卷膜式 反应器（图9.2-1）。以包埋法为主制备的凝 胶成型薄片固定化酶圆盘，叠装在旋转轴上， 把整个装置浸泡在底物液中，即成转盘型酶 膜反应器。此型反应器，结构较简单，容易 放大，但反应器中单位体积的催化剂的有效 面积较小。
空心酶管反应器（图9.2-2），是将酶固定化 于内径约1mm的细管的内壁，组装而成，底 物流经管内与酶接触进行反应，这类反应器 在自动分析仪中应用较多。膜型反应器，特 别是中空纤维膜反应器，结构复杂，制作麻 烦，成本高，传质阻力大，不适宜于黏稠和 不溶性底物应用。
填充床所用的面定化酶(或细脑)，可以是颗 粒状或片状或膜状的，分层装填，还可用半 透性中空纤维固定化酶，竖直平行装填反应 器柱管（图9.2-1）。PFR液体流动的方式， 有下向流、上向流或是循环流之分，工业上 通常多用上向流，可以避免下向流动的液压 对柱床的影响，对反应产生气体的，尤应注 意。
PFR的优点是：结构简单，容易操作，效 率高、易于实现白动化，对于存在产物抑制 的反血．较为适宜。冈而。目前工业上较为 普遍地采用这种反应器。它的缺点是：传质 相传热都不太好，温度和PH接制较难，更 换催化剂相当麻烦，不适宜于不溶性或黏稠 性底物。
图9.2-1各种不同类型酶酶反应器 a—间隙式反应器；b—连续流搅拌罐反应器；c—填充床反应器；d—循环流填充床反应器；
13 第九章 酶的反应器思维导图
第九章 酶的反应器酶反应器的概念酶反应器的类型搅拌罐式反应器用于酶进行催化反应的容器及其附属设备提供酶催化反应的场所，并提供合适的反应条件生物催化过程原材料的预处理生物催化剂的制备生物反应器的选择和反应条件控制产物分离纯化按结构区分搅拌罐式反应器填充床式反应器流化床式反应器膜反应器喷射式反应器按操作方式区分分批式反应连续式反应流加分批式反应按结构+操作方式区分连续搅拌罐反应器分批搅拌罐反应器分批式流加分批式连续式底物与酶一次性投入反应器内，反应后产物一次性取出搅拌桨剪切力大，一般适用于游离酶操作过程染菌几率较小先将一部分底物和酶加入反应器中，随着反应的进行再连续或分批添加底物，反应结束后产物一次性取出存在底物抑制时往往采用流加式反应器染菌的几率较高，注意添加料液的无菌处理向反应器投入固定化酶和底物，反应达到平衡后，以恒定的流速连续泵入底物溶液，同时以相同流速输出反应液反应条件调节、控制较容易染菌风险高，料液和管路无菌要求高搅拌罐式反应器的特点结构简单内容物混合均匀，传质阻力较小反应条件容易控制对可溶性、不溶性底物均适用，也适用于胶体状底物搅拌动力消耗大固定化酶的结构容易受剪切力影响而破坏填充床反应器将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床。
以一定的流速通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，连续收集输出的转化液优点设备简单，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体系不均匀，底层颗粒受压大流化床反应器通过流体的流动使固定化酶颗粒在悬浮翻滚状态下进行催化反应优点混合均匀，传质传热效果好，温度和pH容易控制，不易堵塞缺点固定化酶颗粒易收到破坏，流体动力学变化较大，参数复杂，放大困难膜反应器将酶催化反应与半透膜分离作用结合在一起而成的反应器，集反应和分离于一体优点游离酶和固定化酶均适用催化剂与底物、产物分离容易可作用于产物对酶有抑制作用的情况缺点酶易在膜上吸附损失膜会因为污染或微孔堵塞而导致工作能力下降放大成本高昂喷射式反应器利用高压蒸汽棚舍作用，实现酶与底物混合，进行高温瞬时反应的一种反应器结构简单，体积小，混合均匀，反应快适用面较窄，仅适用于耐高温游离酶的连续催化反应酶反应器的选择依据酶的应用形式游离酶适用的反应器常用：搅拌罐式反应器昂贵的酶：酶膜反应器耐高温酶：喷射式反应器固定化酶适用的反应器颗粒状固定化酶搅拌罐式反应器：对颗粒有机械强度要求填充床反应器：颗粒堆积密度大，床层压降大流化床反应器：混合效果好，动力消耗大，有机械强度要求非颗粒状固定化酶膜反应器根据酶的反应动力学性质混合效果好搅拌罐式反应器流化床式反应器混合效果较差填充床式反应器膜反应器酶与底物的混合程度底物浓度及其抑制作用游离酶酶膜反应器：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产物浓度及其抑制作用游离酶酶膜反应器固定化酶酶膜反应器填充床式反应器流化床式反应器连续搅拌罐式反应器酶反应温度耐高温酶喷射式反应器喷射式反应器酶反应器的设计确定酶反应器的类型确定酶反应器的制造材料进行热量衡算进行物料衡算一般使用不锈钢根据冷却水或蒸汽的用量计算确定酶反应动力学参数计算底物用量计算反应液总体积计算酶用量计算反应器数目酶反应器的操作反应温度反应pH底物浓度的确定与调节控制酶浓度的确定与调节控制搅拌速度流动速度操作条件确定及其调控酶反应器注意事项保持反应器操作的稳定性防止酶的变性失活防止微生物污染。
酶反应器PPT课件
（一）搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）
有搅拌装置的、罐式反应器，是传统形式的反应器。
反应罐+搅拌器+保温装置 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式
第一节 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)
较好，膜反应器可采用辅助搅拌以提高混合效果
• 底物浓度的高低：通常情况下，底物浓度越高，反应
速度越快；当有高浓度底物抑制作用时， –游离酶宜采用流加分批搅拌罐反应器、膜反应器
–固定化酶可采用CSTR、PBR、FBR、MR
• 产物对反应有反馈抑制作用：最好采用MR • 其他条件的影响：耐受高温的酶最好用喷射式反应器
酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附 属设备
酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反 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。它处于酶催化应 过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。
与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作 用，反应时的耗能和产能较少。
一、酶反应器的选择
5、底物和产物的理化性质：
• 溶解性底物或产物：显然对任何类型的反应器都
新型PPESK酶膜反应器的研究与应用的开题报告
新型PPESK酶膜反应器的研究与应用的开题报告一、研究背景PPESK酶是一种葡萄糖氧化酶，具有较高的氧化稳定性和碱性稳定性，可广泛应用于生化工程、生产生物柴油等领域。
然而，传统的酶膜反应器存在着低转化率、低酶活性以及使用寿命短的问题，严重制约了PPESK酶的应用。
因此，本研究将结合新型反应器设计及表面改性技术，研究并优化PPESK酶膜反应器的性能，以提高其转化率和利用效率，为生产和应用提供更加优异的酶膜反应器。
二、研究内容和目标本研究将主要从以下几个方面开展：1. 新型酶膜反应器的设计和制备：结合现有的酶膜反应器设计理论，设计一种新型的PPESK酶膜反应器，并采用微纳加工技术实现器件的制备。
2. 酶膜表面的改性：通过表面修饰技术，改良酶膜表面的物理化学性质，提高酶膜的稳定性和活性，延长其使用寿命。
3. 反应条件的优化：通过对反应条件的微调，探究PPESK酶在反应过程中的最佳条件，提高酶的反应活性和转化率，从而提高酶膜反应器的利用效率。
本研究最终目的是构建一种具有高活性、高稳定性和长寿命的PPESK酶膜反应器，为酶的产业化生产提供技术支持和创新思路。
三、研究方法1. 新型酶膜反应器的设计和制备：采用微纳加工技术制备微型反应器，并将PPESK酶固载在反应器的表面。
2. 酶膜表面的改性：采用化学方法对酶膜表面进行改性，并采用扫描电镜、荧光光谱等手段对改性后的酶膜进行表征分析。
3. 反应条件的优化：对PPESK酶反应的条件进行优化，并通过高效液相色谱和紫外分光光度法等手段，对反应产物和酶的效果进行定量分析，最终确定最佳反应条件。
四、预期结果本研究将构建一种基于微纳加工技术的PPESK酶膜反应器，并通过表面改性和反应条件优化，提高酶的活性和稳定性，从而达到延长酶膜反应器的使用寿命、提高反应效率和转化率的目的。
同时，该研究也将为其他酶类反应器的设计和制备提供一定的借鉴和指导。
酶膜反应器及其应用
酶膜反应器及其应用
李永霞;张小永;黄洪媛;王瑶
【期刊名称】《食品安全导刊》
【年(卷),期】2014(000)026
【摘要】酶膜反应器是一种新型的具有生物反应、分离、浓缩、回收功能的生物反应器，目前应用得越来越广泛。
文章从酶膜反应器的原理、特点等方面对酶膜反应器进行了详细的介绍，对其应用，尤其是在食品工业中的应用进行了阐述。
并对其以后的应用及发展作了展望分析。
【总页数】3页(P76-78)
【作者】李永霞;张小永;黄洪媛;王瑶
【作者单位】贵州省植物园;贵州省粮油产品质量监督检验站;贵州省轻工职业技术学院;贵州省植物园
【正文语种】中文
【相关文献】
1.酶膜反应器在淀粉糖行业中的研究应用
2.应用酶膜反应器制备酪蛋白生物活性肽
3.固定化脂肪酶聚合物膜的改性及脂肪酶膜反应器的应用
4.中空纤维酶膜反应器及其动力学初步探讨──Ⅰ．单酶系统中空纤维酶膜反应器
5.中空纤维酶膜反应器及其动力学初步探讨──Ⅱ．多酶系统中空纤维酶膜反应器
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搅拌罐式反应器（stirred tank reactor, STR）
• 搅拌罐式反应器：
一种带有搅拌罐的罐式反应器，在酶催化反应中最常见的反应器！
适用的搅拌方式，分批式、流加分批式、连续式。 试用的酶，游离酶、固定化酶。 搅拌罐式反应器特点：由搅拌罐、搅拌器和保温装置组成，设备简单，操作容易，酶
• 适用的搅拌方式：分批式、流加分批式、连续式。 • 适用的酶：固定化酶 、游离酶 • 特点：膜反应器结构紧凑，集反应与分离于一体，利于连续化生产，但是容易发生
差极化而引起膜孔阻塞，清洗比较困难。
喷射式反应器（ projectional reactor, PR）
• 适用的搅拌方式：连续式。 • 适用的酶：游离酶 • 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，适用于 某些耐高温酶的反应。
填充床式反应器(packed column reactor, PCR)
• 填充床式反应器：是将固定化酶堆叠在反应器中进行催化反应的一类反应器。 • 适用的搅拌方式：连续式
• 适用的酶：固定化酶
• 特点：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，在工 业生产中普遍使用。
与底物混合较均匀，传质阻力较小，反应比较完全，反应条件容易调节和控制。
膜反应器（membrane reactor, MR） 膜反应器（membrane reactor, MR） 流试化用床 的反酶应，器游（离酶bu、bb固le定c化olu酶m。n reactor, BCR） 试特用点的 ：酶设，备游简离单酶，、操固作定方化便酶，。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，在工业生产中普遍使用。 适 一用种的带搅 有拌 搅方 拌式 罐： 的连 罐续 式式反。 应器，在酶催化反应中最常见的反应器！ 特点：膜反应器结构紧凑，集反应与分离于一体，利于连续化生产，但是容易发生差极化而引起膜孔阻塞，清洗比较困难。 适一用种的 带搅有拌搅方拌式罐：的分罐批式式反、应流器加，分在批酶式催、化连反续应式中。最常见的反应器！ 搅适拌用罐 的式搅反拌应方器式特：点分：批由式搅、拌流罐加、分搅批拌式器、和连保续温式装。置组成，设备简单，操作容易，酶与底物混合较均匀，传质阻力较小，反应比较完全，反应条 件特容点易 ：调膜节反和应控器制结。构紧凑，集反应与分离于一体，利于连续化生产，但是容易发生差极化而引起膜孔阻塞，清洗比较困难。 流填化充床反式应反器应（器b(puabcbkledccoolulummnn reactor, BPCR)） 特填点充： 床设式备反简应单器，(pa操ck作e方d c便ol，um单n位re体ac积to反r, P应C床R的) 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。 填充床式反应器(packed column reactor, PCR) 膜 流反化应床器 反（ 应m器e（mbburbabnele rceoalcutmorn, MreRa）ctor, BCR） 适流用化的 床搅反拌应方器式（：bu连bb续le式c。olumn reactor, BCR） 适用的搅拌方式，分批式、流加分批式、连续式。 特点：膜反应器结构紧凑，集反应与分离于一体，利于连续化生产，但是容易发生差极column reactor, BCR）
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酶膜反应器摘要：酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备，它是反应与分离相耦合的装置，集产品分离、纯化和酶回收利用于一体，具有其它方法不可比拟的优势。
在强调资源节约，环境友好和清洁化生产技术的今天，显示一些特别的优点，近年来已成为热门的研究领域。
本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类，并根据分类对近年来酶膜反应器应用研究进行了概述，讨论了酶膜反应器目前存在的一些瓶颈问题及其解决办法。
关键词：酶膜反应器；优缺点；分类；催化；应用Enzyme Membrane ReactorAbstract:Enzyme membrane reactor that contains an enzyme and a membrane with the appropriate pore size and physicochemical properties is a new type of bioreactor, in which continuous reaction occurs simultaneously with separation of the product from the reaction mixture. Membrane bioreactor has some advantages in the field of resource saving, environmental protection and clean production in biocatalysis, and has already become one of the hottest research fields these years. The basic concept , feature and classification of enzyme membrane reactor were generally described, and some applications in some fields and examples were reviewed. The current problems and the future tendency were discussed.The current bottleneck problems and the corresponding solution approaches were discussed.Key words: Enzyme membrane reactor; Feature; Classification; catalyse reactions; Application 1.酶膜反应器简介膜反应器是基于利用选择性的半透膜来分离酶及产物(或者底物)，利用膜两侧的推动力(化学势、压差、电势差等),将可渗透的溶质从反应体系中分离出来的原理[1]。
酶膜反应器是膜和生物化学反应相结合的系统或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的功能，集生物反应与反应产物的原位分离、浓缩和酶的回收利用于一体，能够改变反应过程、控制反应进程,从而实现减少副产物的生成、提高产品收率等目的[2]。
在近年来的研究工作中，半透膜不仅起到分离的作用，而且还用于作为界面催化剂的支撑体[3]。
对于成功的连续操作酶膜反应器而言,最基本且最重要的要求是将反应体系中的酶完全截留。
在酶膜反应器中，酶以两种形态存在：（1）溶于或不溶于膜表面；（2）存在于膜相的微孔或膜基质中。
利用包埋、静电作用等技术，或者物理的、化学的方法，将酶固定于某种媒介上( 如惰性蛋白质、凝胶、脂质体等)，酶处于膜的一侧，这样，酶以自由的形态存在。
利用化学键合作用、物理吸附或者静电力，能够将酶直接锚定在膜上[4]。
在多相酶膜反应器中, 常常将酶锚定在与水相相接触的膜一侧；相反，酶也可以固定在膜相中。
例如，可以将脂肪酶锚定在与疏水相相接触的膜的一侧。
酶催化反应产物渗透通过膜的微孔，可以是在浓度梯度的推动下，扩散渗透通过膜；或在压差的作用下，对流通过膜。
通过这种方式，反应产物连续地从反应体系中得以分离。
产物的这种分离方式是这种膜反应器的最基本要求，同时也是传统膜反应器概念的一部分。
但是，对于溶解度低或产生沉积作用的产物，产物的完全截留是这种反应器未曾预期到的新优势。
在操作过程中，目标产物在反应器中得以富集的同时，底物分子可以渗透通过膜或者留在反应体系中。
超滤膜的孔径分布范围为1-100nm，或平均截留分子量为500-10000，对于大多数天然的或经过修饰的酶而言，由于平均分子量在10000-100000之间，因此，特别适用于酶膜反应器。
对于酶膜反应器，在选择超滤膜时，不仅要考虑酶、底物、产物的分子大小，而且它们在溶液中的化学特性以及膜本身的特性也不容忽视。
在筛选膜的过程中，溶质的截留率是一个十分重要的指标[5-6]。
对反应产物而言，截留率应为0%：而对酶的截留率应为100%，以保证酶完全留在反应体系中。
总之，选择超滤膜时必须考虑的因素有：（1）膜材料的形态、孔度、孔径分布、截留分子量大小：（2）化学稳定性、适宜的pH值范围；（3）热稳定性、耐压的能力；（4）是否影响到酶的活力；（5）膜的价格等。
2.酶膜反应器的分类酶膜反应器可以根据酶的存在状态、液相数目、膜组件型式、膜材料类型、反应与分离耦合方式、传质推动力等的区别，分为不同的类型:（1）根据酶的存在状态，可将酶膜反应器分为游离态和固定化酶膜反应器。
前者酶均匀地分布于反应物相中，酶促反应在接近本征动力学的状态下进行，但酶易发生剪切失活或泡沫变性，装置性能受浓差极化和膜污染的显著影响。
固定化酶膜反应器中，酶通过吸附、交联、包埋、化学键合等方式被“束缚”在膜上，酶装填密度高，反应器稳定性和生产能力高，产品纯度和质量好，废物量少[7]。
但酶往往分布不均匀，传质阻力也较大。
（2）根据液相数目的不同，可将酶膜反应器分为单液相(超滤式)和双液相酶膜反应器。
单液相酶膜反应器多用于底物分子量比产物大得多，产物和底物能够溶于同一种溶剂的场合[8]。
双液相酶膜反应器多用于酶促反应涉及两种或两种以上的底物，而底物之间或底物与产物之间的溶解行为差别较大的场合。
（3）根据膜组件型式的不同，可将酶膜反应器分为板框式、螺旋卷式、管式和中空纤维式酶膜反应器四种。
其差别在于结构复杂性、装填密度、膜的更换、抗污染能力、清洗、料液要求、成本等方面有所不同。
（4）根据膜材料的不同，可将酶膜反应器分为高分子酶膜反应器和无机酶膜反应器。
高分子膜材料种类多，制作方便，成本低，因而应用较多。
（5)根据反应与分离的耦合方式不同，可将酶膜反应器分为一体式和循环式酶膜反应器。
在前一种应用方式中，系统通常包含一个搅拌槽式反应器加上一个膜分离单元。
在后种应用方式中，膜既作为酶的载体，同时又构成分离单元。
（6）根据传质推动力的不同，可将酶膜反应器分为压差驱动、浓差驱动、电位差驱动的酶膜反应器。
另外，可以根据膜的亲疏性以及结构形态的不同，酶膜反应器还有其它分类方法。
3.膜反应器的优缺点3.1.膜反应器的优点同其他传统的酶反应器相比较，酶膜反应器具有非常明显突出的优点：（1）酶膜反应器的最大优点是可以连续操作，并且能够极大限度地利用酶，因此可以提高产量并且节约成本[9-10]。
同间歇反应器相比较,这也是任何连续反应器具备的特点；（2）酶膜反应器能够在线将产物从反应媒介中分离。
例如，对于受化学平衡限制的反应，能够使化学平衡发生移动；（3）通过膜的微孔，产品被在线分离，因此，膜反应器中的反应速率快，反应物的转化率大；（4）在连续或歧化反应中,如果膜对某种产物具有选择性,那么,这种产物可以选择性地渗透通过膜,在酶膜反应器的出口便可以富集该产物。
当然,对于产物抑制的反应而言,这种现象反而不利；（5）在酶膜反应器发展的初期便已认识到的优点是用于大分子化合物的水解[11]。
根据膜的截留性能,可以达到控制水解产物分子量大小的目的,低分子量的水解产物能够渗透通过膜,在膜的背面富集。
此外,在膜反应器内尚可以进行两相反应,且不存在乳化问题。
在实验室范围内,超滤膜反应器是用于研究酶的机理(反应动力学、产物抑制影响、酶失活过程等)的非常有用的手段。
同多功能颗粒(珠、球)相比较, 利用膜作为酶载体, 膜固定化技术必须克服与膜相关的成本问题。
由于膜反应器提供了分离的可能性，因此，另外的一些优点表现在膜反应器将分离过程与催化反应集成。
由于膜反应器在构造及传质等方面的特点，同固定床及流动床反应器相比较，在膜反应器中可以实现产物在线连续分离，这一点对于产物抑制酶催化的反应尤其重要。
出现在传统反应器中的一些不利因素（孔堵塞、在操作过程中呈现非均相流动等现象），在膜反应器中则不会发生。
3.2.膜反应器的缺点酶膜反应器的缺点主要集中表现在操作过程中，由于催化剂的失活及传质效率下降而导致反应器的效率降低，除了酶的热失活外，膜反应器中酶的稳定性还要受到其他因素的影响[12]。
例如，酶的泄漏导致催化活性下降，即使酶的分子大于膜的微孔，这种情况也时常发生；微量的酶活化剂（金属离子、辅酶等)的流失，也有可能导致反应器的效率下降，因此，反应过程中，反应组份的添加是必须的。
如果在反应器中酶处于自由状态（游离态)，酶在膜表面的吸附无疑将导致酶的活性下降或者甚至失活。
与膜相接触时了，有时尽管酶的结构没有发生任何变化，但也可能导致酶的中毒。
也就是说，膜的形态可能影响到酶的稳定性。
在超滤膜组件或反应器中，酶分子会受到剪切力的作用或者与膜反应器的内表面发生摩擦。
有研究表明，酶的活性随搅拌的速率或循环速率的增加而下降。
此外伴随强剪切现象的其他一些现象，如界面失活、吸附、局部热效应、空气、卷吸等，也可能导致酶的失活。
将酶固定于膜表面，随着产物或者底物在邻近膜表面以凝胶层的形式积聚，可能会导致酶的抑制现象加剧。
不管由于上述那种因素导致酶的稳定性下降，添加新鲜的酶是维持反应连续稳定地进行的必要条件。
在操作过程中，传质效率的下降限制了膜反应器的应用。
浓差极化和膜的污染是可能导致膜的渗透通量下降的两个最为主要的因素。
因此,在操作过程中，控制浓差极化现象的发生及膜的污染是维持稳定的渗透通量及产物量的重要条件。
4.酶膜反应器的应用4.1.生物大分子的分解用于酶膜反应器的生物大分子包括蛋白质、多糖等，主要工作集中在淀粉、纤维素、蛋白质等的水解[12-15]。
利用膜的筛分作用,可以将相对分子质量较大的生物大分子与相对分子质量较小的水解产物实现原位分离，以部分甚至全部消除产物抑制。
应用实例：通过果胶水解来降低果汁粘度；通过乳糖转化降低牛奶和乳清中乳糖的含量；通过多酚化合物和花色素的转化来进行白酒的处理。