第九章酶的反应器

搅拌罐式反应器、流化床式反应器均具有较好 的混合效果。填充床式反应器的混合效果较差。 在使用膜反应器时，也可以采用辅助搅拌或者 其他方法，以提高混合效果，防止浓差极化。
(2)底物浓度的高低对酶反应速度有显著 影响
具有高浓度底物抑制作用的酶，如果采用分 批搅拌罐式反应器，可以采取流加分批反应 的方式进行反应。
保持操作的稳定性，以避免反应条件的激烈 波动 保证酶的质量稳定 保持反应温度、反应液pH值等的稳定 搅拌罐式反应器，保持搅拌速度的稳定
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：
底物与酶的接触状态（降低反应速度，高 浓度底物抑制）
产物与酶的接触状态（反馈抑制）
适用于耐高温游离酶的连续催化反应。 特点： 结构简单、体积小、混合均匀、反应快 只适用于耐高温酶游离的反应，比如高温淀 粉酶来自第二节 酶反应器的选择
1 根据酶的应用形式选择反应器： 在体外进行酶催化反应时，酶的应用形式 主要有游离酶和固定化酶。
(1)游离酶反应器的选择：
可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式 反应器、喷射式反应器等。
第九章
第一节 酶反应器的特点与类 型
定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行
酶促反应的装置称为酶反应器(Enzyme reactor)。
作用：以尽可能低的成本，按一定的速
度由规定的反应物制备特定的产物。
酶反应器特点：
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；
不同于发酵反应器：因为它不表现自催 化方式（即细胞的连续再生）。
3）进行热量衡算：
酶催化反应一般在30～70℃的常温条件下进 行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控 制也较为简单，通常采用一定温度的热水通 过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温 度的调节控制，热量衡算是根据热水的温度 和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如 高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量 衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进 行计算。
4、防止微生物的污染
生产环境清洁、卫生，要求符合必要的卫 生条件。
反应器使用前后，要进行清洗和消毒
操作过程中严格管理，经常检测，避免污 染。
必要时添加对反应和产品无影响的杀菌剂 或抑菌剂
4）进行物料衡算：
物料衡算是酶反应器设计的重要任务 主要内容包括： (1)酶反应动力学参数的确定： (2)计算底物用量： (3)计算反应液总体积： (4)计算酶用量： (5)计算反应器数目：
(1)确定酶反应的动力学参数
（2）计算底物用量
(5)热量衡算
• 反应液体积102000L，糖化温度60，室温20， 热水列管交换，热量为
非常适于有气体参与的反应 可以用于连续反应，也可用于分批反应。 进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存 在固、液、气三相，又称为三相流化床式反 应器。
优点：
结构简单 操作方便 剪切力小 物质与热量的传递效率高
膜反应器
是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在 一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化 反应，也可以用于固定化酶的催化反应。
适用的酶：固定化酶
1、分批搅拌罐式反应器
酶和底物一次性加入，反应一段时间后，反应 液全部取出 适用于游离酶和固定化酶
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。
分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批 式反应。
先加一部分底物，反应一段时间后，再 连续或分次地添加底物。反应结束后， 反应液一次全部取出。
酶反应器的分
类：
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 鼓泡式反应器
按操作方式区分：
分批式反应 连续式反应 流加分批式反应
按反应器的结构和操作方 式结合一起区分：
连续搅拌罐反应器 分批搅拌罐反应器
搅拌罐式反应器
搅拌罐式反应器是有搅拌装置的一种反应 器。在酶催化反应中是最常用的反应器。
用于游离酶和固定化酶的催化反应。
2、连续搅拌罐式反应器
连续进行酶催化反应 底物溶液连续从进口进入，反应液连续从 出口流出 只适用于固定化酶
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
缺点：
需注意控制好搅 拌速度，以免由 于强烈搅拌所产 生的剪切力使固 定化酶的结构受 到破坏
102000X(60-20)=4080000 kcal
• 假设热利用效率为65%，则实际所需热量： 4080000/0.65=6277000 kcal
第三节酶反应器应用的注意事项
1、保持酶反应器的操作稳定性 2、保持反应器中流体的流动方式和状态 3、防止酶的变性失活 4、防止微生物的污染
1、保持酶反应器的操作稳定性
填充床式反应器
是一种用于固定化酶进行催化反应的反应器。 是将固定化酶填充到柱式反应容器中进行催化 反应。 适用于固定化酶进行催化反应
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。（托板分 隔）
它由反应罐、搅拌器和保温装置组成。
搅拌式反应器的操作方式可以根据需要采 用分批式、流加分批式和连续式三种。
机械搅拌 部分
反应 罐
保温 装置
1）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR)
适用的酶：游离酶、固定化酶
2）连续搅拌罐式反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR)
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。
鼓泡式反应器
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。也 是一种无搅拌装置的反应器。
反应器底部通入的气体，产生大量气泡，在 上升过程中起到提供反应底物和混合两种作 用。 可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。
膜反应器操作能力（浓差极化现象）
3、防止酶的变性失活
影响因素主要有温度、pH、重金属离子以及 剪切力等。
–温度：通常低于60℃，耐高温酶除外 –pH：通常酶在pH4-9，耐酸碱的酶以外 –重金属离子：如Pb2+、Hg2+等引起酶不可
逆变性。 –剪切力：防止过高搅拌速度，控制流体
流速 添加保护剂 先加底物，再加酶
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。
①游离酶催化反应最常用的反应器是搅拌罐式 反应器。搅拌罐式具有设备简单，操作简便， 酶与底物的混合较好，物质与热量的传递均匀， 反应条件容易控制等优点，但是反应后酶与反 应产物混合在一起，酶难于回收利用。
②对于有气体参与的酶催化反应，通常采用 鼓泡式反应器。鼓泡式反应器结构简单，操 作容易, 混合均匀，物质与热量的传递效率 高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一 种反应器。
③对于某些价格较高的酶，由于游离酶与反 应产物混在一起，为了使酶能够回收，可以 采用游离酶膜反应器。
④对于某些耐高温的酶，如高温淀粉酶等， 可以采用喷射式反应器，进行连续式的高温 短时反应。喷射式反应器混合效果好，催化 效率高，只适用于耐高温的酶。
(2)固定化酶反应器的选择：
应用固定化酶进行催化反应，可以选择搅拌罐 式反应器、填充床式反应器、鼓泡式反应器、 流化床式反应器、膜反应器等。
应用固定化酶进行反应，由于酶不会或者很少 流失，为了提高酶的催化效率，通常采用连续 反应的操作形式。
颗粒状的固定化酶可以采用搅拌罐式反应器、 填充床式反应器、流化床式反应器、鼓泡式反 应器等进行催化反应。
2根据酶反应动力学性质选择反应器：
(1)必须保证酶分子与底物分子能够有效碰撞， 为此，必须使酶与底物在反应系统中混合均匀
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。
通过液体的流动，使固定化酶颗粒在悬浮翻动 状态下进行催化反应
适用于固定化酶进行连续催化反应
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
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。
对于具有高浓度底物抑制作用的游离酶，可 以采用游离酶膜反应器进行催化反应。
(3)有些酶催化反应，其反应产物对酶有 反馈抑制作用
对于具有产物反馈抑制作用的固定化酶，也 可以采用填充床式反应器。
(4)某些酶可以耐受100℃以上的高温， 最好选用喷射式反应器
3.酶反应器的设计
酶反应器的设计主要包括反应器类型的选择， 反应器制造材料的选择、热量衡算、物料衡 算等
用于游离酶和固定化酶的催化反应
用于游离酶：膜孔径小于底物和酶，大于 产物
用于固定化酶：将酶固定在具有一定孔径 的多孔薄膜中
膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、 中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的 是中空纤维反应器
喷射式反应器
喷射式反应器是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 应的一种反应器。