酶反应器
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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。
第8章 酶反应器-2010
(2)搅拌罐(连续式酶) (2)搅拌罐(连续式酶)反应器 搅拌罐
又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌 罐。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）。 优点是：在理想状况下，混合良好，各部 分组成相同，并与输出成分一致。 缺点是：反应效率低（单位空间酶少)，回 收过程酶易损失;搅拌动力消耗大，搅拌浆 剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。
(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）， 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度 或细胞浓度）， 较高的比活和酶浓度（ 才能得到较大的产品转化率。 才能得到较大的产品转化率。 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件 反应条件。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 应具有良好的传质和混合性能 传质和混合性能。 (3) 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。酶在反应器中滞留时间也可看作一种传递。 应介质中的传递。酶在反应器中滞留时间也可看作一种传递。 (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 应具有最佳的无菌条件， 无菌条件 力下降。 力下降。
填充床反应器
缺点
（1）传质系数和传热系数相对较低。温度和pH难以控制。 温度和pH难以控制。 （2）固定化酶受到的压力大,颗粒容易破碎。当底物溶度含 固体颗粒或黏度很大时，更不宜采用PBR。 床层底部的酶颗粒所受压力大，容易引起固定化酶颗 粒的变形或破碎，因此常在反应器中间加托板分隔。 （3）清洗和更换部分固定化酶较麻烦 ）清洗和更换部分固定化酶较麻烦 （4）底物和产物会产生轴向浓度分布。
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：
酶反应器和酶传感器
1.1 生物传感器的基本概念与分类
生物传感器—将生物体的成份（酶、抗原、抗体、 DNA、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织） 固定化在一器件上作为敏感元件的传感器。
1.1.1根据输出信号的产生方式分类
(1)生物亲合型传感器
被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有 生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同 时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发 生变化。
(2)代谢型或催化型传感器
底物与分子识别元件上的敏感物质相作用并生 成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增 加转变为输出信号。
1.1.2 根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质 分类
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器 传感器、免疫传感器、基因传感器等。
1.1.3根据生物传感器的信号转换器分类
电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生 物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器 等．
1.2 生物传感器的一般结构与工作原理 1.2.1 生物传感器的基本组成
敏感元件（分子识别元件）、信号转换器件、 电子显示器件。
1.2.2 生物传感器的工作原理
（1） 将化学信号转变成电信号 （2） 将热能变化转换为电信号 （3） 将光效应转换为电信号 （4） 直接产生电信号
•只适合可溶性底物； •温度和pH难以控制； •底物和产物会产生轴向浓度分布； •传热系数相对较低。
1.3 流化床反应器 底物溶液以一定流速从反应物的底部通入，使较小 颗粒的固定化酶处于悬浮状态进行催化反应，反应液 从反应器的顶部连续流出。
(1)优点 •混合均匀、传质传热效果好； •温度和pH容易控制； •能处理黏度较高的反应物；
(1)优点
酶与底物溶液
•结构简单，体积小； •物料混合效果好； •温度高，反应速度快。
生物传感器—将生物体的成份（酶、抗原、抗体、 DNA、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织） 固定化在一器件上作为敏感元件的传感器。
1.1.1根据输出信号的产生方式分类
(1)生物亲合型传感器
被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有 生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同 时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发 生变化。
(2)代谢型或催化型传感器
底物与分子识别元件上的敏感物质相作用并生 成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增 加转变为输出信号。
1.1.2 根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质 分类
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器 传感器、免疫传感器、基因传感器等。
1.1.3根据生物传感器的信号转换器分类
电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生 物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器 等．
1.2 生物传感器的一般结构与工作原理 1.2.1 生物传感器的基本组成
敏感元件（分子识别元件）、信号转换器件、 电子显示器件。
1.2.2 生物传感器的工作原理
（1） 将化学信号转变成电信号 （2） 将热能变化转换为电信号 （3） 将光效应转换为电信号 （4） 直接产生电信号
•只适合可溶性底物； •温度和pH难以控制； •底物和产物会产生轴向浓度分布； •传热系数相对较低。
1.3 流化床反应器 底物溶液以一定流速从反应物的底部通入，使较小 颗粒的固定化酶处于悬浮状态进行催化反应，反应液 从反应器的顶部连续流出。
(1)优点 •混合均匀、传质传热效果好； •温度和pH容易控制； •能处理黏度较高的反应物；
(1)优点
酶与底物溶液
•结构简单，体积小； •物料混合效果好； •温度高，反应速度快。
chapter6 酶反应器
2．超滤膜酶反应器 ．
膜：超滤膜和透析膜。 超滤膜和透析膜。 形状：平板状、管状、螺旋状、中空纤维状。 形状：平板状、管状、螺旋状、中空纤维状。 优点： 酶反复使用，产率高，成本低； 优点：①酶反复使用，产率高，成本低； ②膜的选择性透过使产物透过膜，解除产物阻遏作用； 膜的选择性透过使产物透过膜，解除产物阻遏作用； 将不同的产物截留分离； ③将不同的产物截留分离； 适用于胶态或不溶性底物，以及产物的抑制作用， ④适用于胶态或不溶性底物，以及产物的抑制作用， 适用于价格较高的酶 缺点： 催化和传质效力随时间增长而下降：酶的渗漏， 缺点：①催化和传质效力随时间增长而下降：酶的渗漏，激 活剂的丢失，载体对酶的毒害，膜吸附； 活剂的丢失，载体对酶的毒害，膜吸附； 容器壁剪切和摩擦； ②容器壁剪切和摩擦； 浓差极化； ③浓差极化； ④瘀塞
第二节 酶反应器的设计与选型
一、酶反应器的设计
1．设计原理 ． (1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH 底物的酶促反应动力学以及温度、 底物的酶促反应动力学以及温度 压力、 (2)反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特 反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特 性。 (3)需要的生产量及生产工艺流程。 需要的生产量及生产工艺流程。 需要的生产量及生产工艺流程 步骤： 建立数学模型， 步骤 ： 建立数学模型 ， 以数量表示设计变量和操作 变量，确定定量函数(目标函数或评价函数 目标函数或评价函数)。 变量，确定定量函数 目标函数或评价函数 。 考虑因素：物料平衡、热量平衡、 考虑因素 ： 物料平衡 、 热量平衡 、 反应动力学和流 动性。 动性。
Qp与酶浓度间关系：使用高浓度的酶可 与酶浓度间关系： 以减小酶反应器的体积和反应物在酶反 应器内的存留时间，从而提高Qp 但是， Qp。 应器内的存留时间，从而提高Qp。但是， 还要考虑质与热的传递， 还要考虑质与热的传递，即催化剂浓度 的最大值和产率的最高限度。 的最大值和产率的最高限度。
第五节酶反应器PPT课件
反应器生产产品的质量（g），这也是在酶反应器设计时 需要注意的事项。
2. 酶反应器的使用
➢ （4）生产能力的控制 ➢ 在使用填充床式反应器的情况下，可以通过反应器的流速
控制来达到恒定的生产能力。 ➢ 在反应过程中，随时间的推移而出现的酶活性丧失可通过
提高温度、增加酶活性来补偿。现在普遍采用将若干使用 不同时间或处于不同阶段的柱反应器串联的方法与上述方 法之一相结合。
➢ 特点：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固 定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。
➢ 其流动方式使反应液的混合程度介于 CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。 FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗 粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供 气体或排放气体的酶反应（即固、液、 气三相反应）。但因FBR混合均匀，故 不适用于有产物抑制的酶反应。
常见的酶反应器类型
三. 各种酶反应器的特点
三. 各种酶反应器的特点
1. 间歇式酶反应器
➢ 又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式 搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：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。
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
2. 酶反应器的使用
➢ （1）酶的稳定性
➢ 对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要 用酸或碱来调节反应液pH。如果局部的pH过高或过低， 就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这 时，可用加快搅拌已促使混合均匀。
2. 酶反应器的使用
➢ （4）生产能力的控制 ➢ 在使用填充床式反应器的情况下，可以通过反应器的流速
控制来达到恒定的生产能力。 ➢ 在反应过程中，随时间的推移而出现的酶活性丧失可通过
提高温度、增加酶活性来补偿。现在普遍采用将若干使用 不同时间或处于不同阶段的柱反应器串联的方法与上述方 法之一相结合。
➢ 特点：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固 定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。
➢ 其流动方式使反应液的混合程度介于 CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。 FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗 粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供 气体或排放气体的酶反应（即固、液、 气三相反应）。但因FBR混合均匀，故 不适用于有产物抑制的酶反应。
常见的酶反应器类型
三. 各种酶反应器的特点
三. 各种酶反应器的特点
1. 间歇式酶反应器
➢ 又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式 搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：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。
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
2. 酶反应器的使用
➢ （1）酶的稳定性
➢ 对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要 用酸或碱来调节反应液pH。如果局部的pH过高或过低， 就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这 时，可用加快搅拌已促使混合均匀。
第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用
适用的酶：游离酶、固定化酶
2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶
2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式
3.优点：
结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控 制，能处理胶体状底物、不溶性底物。
方向以恒定速度通过反应床。
在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及 产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流 反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。
优点：可使用高浓度的催化剂 。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器 长度逐渐增高 ）。 缺点：①温度和pH难以控制； ②底物和产物会产生轴向浓度分布； ③清洗和更换部分固定化酶较麻烦。 床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。
（四）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器
2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型
为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个 装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。
能处理粉末状底物； 即使应用细颗来自的催化剂，压力降也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大； 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损； 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 改进：使底物进行循环，避免催化剂。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。
第七章酶反应器酶反应器的特 点与类型酶反应器的选择和使
用
第一节 酶反应器的特点与类型
2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶
2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式
3.优点：
结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控 制，能处理胶体状底物、不溶性底物。
方向以恒定速度通过反应床。
在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及 产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流 反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。
优点：可使用高浓度的催化剂 。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器 长度逐渐增高 ）。 缺点：①温度和pH难以控制； ②底物和产物会产生轴向浓度分布； ③清洗和更换部分固定化酶较麻烦。 床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。
（四）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器
2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型
为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个 装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。
能处理粉末状底物； 即使应用细颗来自的催化剂，压力降也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大； 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损； 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 改进：使底物进行循环，避免催化剂。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。
第七章酶反应器酶反应器的特 点与类型酶反应器的选择和使
用
第一节 酶反应器的特点与类型
7 酶反应器
第六章
酶反应器
生物与食品工程学院·食品酶学
第七章 酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以酶或固定化酶作为催 酶反应器 ：
化剂进行酶促反应所需的装置称为酶反应器，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。
作用： 作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应
物制备特定产物。
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 ) 结构+操作方式 结构 操作方式 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）
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
特点： 特点：可承受较高的操作压力，比表面
积大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
5、鼓泡塔型反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构： 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形 式的气体分散装置。 操作： 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。 通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部 以切线方向进入。 应用： 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。
7、新发展的酶反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
（2）两相或多相反应器 ）
问题由来： 问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶转化时， 在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大 等缺点。 特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时 特点： 的底物浓度，而且还可减少底物或产物对酶的抑制作 用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。 操作： 操作：两相反应通常是将酶或固定化酶置于水相中， 而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应 进展： 进展：液膜反应器等。
酶反应器
生物与食品工程学院·食品酶学
第七章 酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以酶或固定化酶作为催 酶反应器 ：
化剂进行酶促反应所需的装置称为酶反应器，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。
作用： 作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应
物制备特定产物。
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 ) 结构+操作方式 结构 操作方式 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）
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
特点： 特点：可承受较高的操作压力，比表面
积大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
5、鼓泡塔型反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构： 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形 式的气体分散装置。 操作： 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。 通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部 以切线方向进入。 应用： 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。
7、新发展的酶反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
（2）两相或多相反应器 ）
问题由来： 问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶转化时， 在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大 等缺点。 特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时 特点： 的底物浓度，而且还可减少底物或产物对酶的抑制作 用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。 操作： 操作：两相反应通常是将酶或固定化酶置于水相中， 而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应 进展： 进展：液膜反应器等。
第六章酶反应器
精品文档
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。
精品文档
1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
精品文档
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。
精品文档
❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
精品文档
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。
精品文档
1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
精品文档
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。
精品文档
❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
精品文档
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。
第八章酶反应器
第一节 酶反应器的类型
按照结构不同可分为：
➢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) ➢喷射式反应器
大，底物必须加压后才能进人。⑤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。
三、流化床反应器
适用于固定化酶进行连续 催化。但固定化酶颗粒不 应过大，同时应具有较高 的强度。 在操作时需注意控制好底 物溶液和反应液的流动速 度。
反应产物出口 固定化酶
底物溶液进口
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，能处理粉状底物 、压降较小，也很适合于需要排气供气的反 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。
一、根据酶的应用形式选择反应器
（一）游离酶反应器的选择
1、搅拌罐式反应器最常用 2、有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡 式反应器 3、价格较高的酶，为了能够回收，可采用游 离酶膜反应器 4、耐高温的酶，可采用喷射式反应器
（二）固定化酶反应器的选择
根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性进行 选择。为了提高催化效率，通常采用连续反应 器。
搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固定化酶。
采用填充床反应器时应注意控制好反应器的高度。
采用流化床反应器时，固定化酶的颗粒不能太大，密 度要与反应液的密度相当，而且要有较高的强度。
按照结构不同可分为：
➢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) ➢喷射式反应器
大，底物必须加压后才能进人。⑤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。
三、流化床反应器
适用于固定化酶进行连续 催化。但固定化酶颗粒不 应过大，同时应具有较高 的强度。 在操作时需注意控制好底 物溶液和反应液的流动速 度。
反应产物出口 固定化酶
底物溶液进口
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，能处理粉状底物 、压降较小，也很适合于需要排气供气的反 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。
一、根据酶的应用形式选择反应器
（一）游离酶反应器的选择
1、搅拌罐式反应器最常用 2、有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡 式反应器 3、价格较高的酶，为了能够回收，可采用游 离酶膜反应器 4、耐高温的酶，可采用喷射式反应器
（二）固定化酶反应器的选择
根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性进行 选择。为了提高催化效率，通常采用连续反应 器。
搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固定化酶。
采用填充床反应器时应注意控制好反应器的高度。
采用流化床反应器时，固定化酶的颗粒不能太大，密 度要与反应液的密度相当，而且要有较高的强度。
酶反应器
物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。
适用于：固定化酶
固定床型（又称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）
优点：
单位面积的催化剂负荷高，高效，易操作，结构简单，易放大，剪切 力小等 工业生产及研究应用最为普遍的反应器 使用各种形状的固定化酶和不含颗粒粘度不大的底物溶液，以及有产 物抑制的转化反应
酶反应器的发展
两相或多相反应器
问题由来 许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，
进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。
解决办法： 使酶反应在有机相中进行，可增加反应物浓度，还可减少底物，特别
使产物对酶的抑制作用。
酶反应器的发展
固定化多酶反应器
将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细胞的多
酶系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物，目前该技 术还处于实验阶段，但发展前景良好。
1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。
2）构建全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存 在的物质。 3）代替微生物发酵，用小型柱式反应器取代庞大的微生物发酵
罐。
4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液将由简单巧 妙的生物反应器取代。
反应底物和混和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应 中常用的一种反应器。
鼓泡塔型反应器
适用于：
游离酶、固定化酶。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，又称为三相流化床反应器 。
优点：
结构简单、操作容易、剪切力小，物质欲热量的传递效率高， 鼓泡塔型反应器
是气体参与反应的种反应器
固定床型（又称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）
适用于：固定化酶
固定床型（又称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）
优点：
单位面积的催化剂负荷高，高效，易操作，结构简单，易放大，剪切 力小等 工业生产及研究应用最为普遍的反应器 使用各种形状的固定化酶和不含颗粒粘度不大的底物溶液，以及有产 物抑制的转化反应
酶反应器的发展
两相或多相反应器
问题由来 许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，
进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。
解决办法： 使酶反应在有机相中进行，可增加反应物浓度，还可减少底物，特别
使产物对酶的抑制作用。
酶反应器的发展
固定化多酶反应器
将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细胞的多
酶系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物，目前该技 术还处于实验阶段，但发展前景良好。
1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。
2）构建全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存 在的物质。 3）代替微生物发酵，用小型柱式反应器取代庞大的微生物发酵
罐。
4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液将由简单巧 妙的生物反应器取代。
反应底物和混和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应 中常用的一种反应器。
鼓泡塔型反应器
适用于：
游离酶、固定化酶。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，又称为三相流化床反应器 。
优点：
结构简单、操作容易、剪切力小，物质欲热量的传递效率高， 鼓泡塔型反应器
是气体参与反应的种反应器
固定床型（又称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）
第九章酶反应器和酶传感器.
第九章酶反应器和酶传感器第一节酶反应器一、生物反应器概述利用生物催化剂将原料转化成有用物质的生产过程,称为生物反应过程。
通常,生物反应过程包括四个组成部分:(1原材料的预处理。
(2生物催化剂的制备。
(3生物反应器的选择及反应条件的调控。
(4产物的分离提纯。
在生物反应过程中,生物反应器(Biological Reactor是用于完成生物化学反应(酶促反应的核心装置。
利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程,在这一过程中,生物反应器起着极其重要的作用,它是实现生物技术产品产业化的关键设备,是连接原料和产物的桥梁。
生物反应器设计的主要目标是,使产品的质量提高,生产成本降低。
为了达到上述标准,对生物反应器提出下列要求:(1.所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度。
(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。
二、固定化酶反应器的类型及特点固定化酶反应器和固定化细胞反应器,二者的构造、性能基本一致。
固定化酶反应器有下列各种类型:1.间歇式酶反应器特点是底物与酶一次性投入反应器内,产物一次性取出;酶回收后转入下一批反应。
2.连续搅拌釜式反应器特点是达到平衡后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。
3.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,然后,通入底物溶液,在一定的条件下实现酶催化反应,以一定的流速,收集输出的转化液(含产物。
4.流化床反应器特点是底物溶液以足够大的流速,从反应器的底部向上通过固定化柱床时,便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。
5.连续搅拌罐——超滤膜反应器特点是在连续搅拌釜式反应器出口处设置一个超滤器。
6.其他类型反应器三、对固定化酶反应器的选择影响酶反应器选择的因素很多,但一般可以从以下几个方面考虑:1.固定化酶的形状2.底物的物理性质3.酶反应动力学特征4.固定化酶稳定性5.操作要求及反应器费用四、固定化酶反应器的操作1.操作中存在的问题搅拌的问题;使用高浓度的酶;游离酶的处理2.酶反应器生产能力下降的原因及对策在酶反应器操作过程中,其生产能力是逐渐下降的。
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。
第六节 酶反应器
• 2．组织传感器 ． 利用动植物组织中多酶系统的催化作用来 检测待测物。由于所利用的是组织中的酶， 检测待测物。由于所利用的是组织中的酶，无 需人工提纯过程，因而较稳定，使用时间长。 需人工提纯过程，因而较稳定，使用时间长。 • 3．微生物传感器 ． 将微生物固定在生物敏感膜上， 将微生物固定在生物敏感膜上，利用微生 物的呼吸作用或所含有的酶类， 物的呼吸作用或所含有的酶类，来测定待测物 质尤其是发酵过程中的物质浓度。 质尤其是发酵过程中的物质浓度。 • 4．免疫传感器 ． 利用抗原和抗体之间的高度特异性， 利用抗原和抗体之间的高度特异性，将抗 或抗体）结合在生物敏感膜上， 原（或抗体）结合在生物敏感膜上，来测定样 中相应抗体（或抗原）的浓度。 品 中相应抗体（或抗原）的浓度。
• 5．场效应晶体管生物传感器 ． 结合了晶体管工艺， 结合了晶体管工艺，所需酶或抗体量很 被认为是第三代生物传感器。 少，被认为是第三代生物传感器。目前实际 应用不多，但发展潜力巨大。 应用不多，但发展潜力巨大。
（五）生物传感器的主要应用领域
• 1．环境监测 ． 环保问题已经引起了全球性的广泛关注， 环保问题已经引起了全球性的广泛关注，用于环境监 测的专业仪器市场也越来越大， 测的专业仪器市场也越来越大，目前已经有相当数量的生 物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中 去。 • 2．发酵工业 ． 因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质， 因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往 往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。 往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微 生物传感器则极有可能消除干扰， 生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程 度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产， 度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物 传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。 传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。所 以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、 以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、 能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工 业中得到了广泛的应用。 业中得到了广泛的应用。
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；
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
第六章酶反应器
第六章酶反应器内容提要：本章介绍酶反应器的主要类型与酶反应器有关的基本工程概念；均相酶反应器与固定化酶反应器的反应与传递特性；选择酶反应器所需考虑的主因素以及酶反应器在使用过程中需注意的问题。
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)。
酶反应器的作用在于为酶提供适当环境(即酶反应过程的工艺条件)，以达到生物化学转化的目的，使底物生成为所需要的中间产物或最终产品。
酶反应器研究的中心问题是合理应用酶，降低产品成本，提高产物的质量。
酶反应器不同于化学反应器，它是在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能比较少。
酶反应器也不同于发酵反应器，因为它不表现自催化方式，即细胞的连续再生。
但是酶反应器与其它反应器一样，都是根据它的产率和专一性来进行评价。
第一节酶反应器的类型与基本工程概念本节主要介绍各种典型的酶反应器、酶反应器的基本工程概念和反应器设计的基本原理。
一.酶反应器的类型酶反应器类型很多，一般可按反应器几何形状和结构、操作方式进行分类。
按几何形状分类，有罐型和塔型。
膜式反应器是将酶固定于不同形状的膜，如平板、螺旋圈、罐型、中空纤维和圆盘等，装配在封闭的耐压容器中，通入底物溶液进行酶促反应。
按操作方式分类，有间歇式和连续式。
最常用的是间歇式搅拌罐，先把酶的底物溶液一次装入反应器，在适当的温度和pH条件下开始反应，经一定时间，将全部反应物取出，称间歇式操作。
间歇式操作具有较大的灵活性，适用于小批量、多品种的生产。
在制药工业、食品工业、生化工业普遍采用。
间歇式操作反应器结构简单，温度和pH较易控制，如杂菌污染时处理也较方便。
但间歇式操作劳动强度大，每批操作的反应条件与产品质量不易控制。
间歇式操作的反应器具有下列特点：①反应器内反应物均匀分布，反应器内浓度和温度相同，反应速率不随空间位置而变化；②反应器底物的浓度随反应的进程而递减，因而反应速率随时间而变化。
显然，反应时间可作为衡量间歇反应器性能的一个参数。
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3 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。
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
CPFR 型：Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ CPFR
CSTR
型：Sin χ
+
Km
χ 1− χ
=
rmaxτ CSTR
χ Sin + χ （1）、（2）两式相除，得 τ CSTR = K m 1 + χ
τ CPFR χ Sin − ln(1 − χ ) Km
以 τ CSTR ~ χ 作图。 τ CPFR
分批全混式反应器（简称 BSTR）（batch stirred tank reactor）的特点：反应 器内物料浓度随时间而变化，但在同一时刻，物料浓度均匀分布。
3.3 酶反应器操作方程： 3.3.1 CPFR 型酶反应器
CPFR 型酶反应器中，物料浓度沿轴向存在差异，因此酶促反应速率沿轴向 变化。因此取微元单位，进行物料衡算。
25
τ CSTR τ CPFR 20
15
10
■ Sin/km=0 ◆ Sin/km=1 ▲ Sin/km=10 ● Sin/km=100
5
（1） （2）
（3）
0
0.7
0.8
0.9
1
χ
由图中可以看出，为达到相同的转化率，CSTR 所需停留时间较长。
（2）酶需求量的比较： CPFR 型：Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ = k2 ECSTRτ
力降，在大生产中难以实现高的效率。
固定化酶的机械强度也是应考虑的问题。有些固定化酶(如凝胶包埋法或微
胶囊法制备的固定化酶)机械强度较差。因此在搅拌罐中，搅拌浆的剪切作用会 使催化剂遭到破坏；在塔式反应器中，随塔身增高，由于凝胶颗粒自身的重量，
会使凝胶发生压缩变形，压损增大，为此应在塔内安装筛板，将凝胶适当的间隔
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。
3 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
Pout
Pout
Pin
l
CPFR 酶反应器
Pin
V
CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的产物浓度较低，出口端浓度较高；在 CSTR 型酶反应器中，产物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，产物浓度较高。
可见，PFR 型酶反应器中底物浓度较高，而产物浓度较低。因此，如果酶促 反应速率与底物浓度成正比，那么，CPFR 中反应速率较高，生产能力较高。而 当发生底物抑制时，PFR 型酶反应器转化率的降低要比 CSTR 型剧烈得多；而产 物抑制对 CSTR 型酶反应器影响更显著。
真实反应器中速度分布 CPFR 反应器中速度分布
在搅拌罐式反应器中，尽管有搅拌器不停地搅拌，物料浓度仍然存在差异， 这种差异使酶促反应速率的计算变得非常复杂，因此设想了全混式反应器。
连续全混式反应器（简称 CSTR）（continuous-flow stirred tank reactor）的特 点：连续稳态操作条件下，反应器内物料浓度分布均匀，不随空间和时间而变化。
τ 决定。停留时间τ 越长，则转化率 χ 越高。
3.3.2 CSTR 型酶反应器 在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度处处相等，因此酶促反应速率处处相等。
F，Sin
F，Sout
Sout
对反应器内底物进行物料衡算： 流入量－流出量＝反应量 FSin − FSout = rV 当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率
f，S0
f，S1
f，S2
f，S3
χ1
=
S0 − S1 S0
,χ2
=
S1 − S2 S1
, χ3
=
S2 − S3 S2
,
则 S3 = S2 (1 − χ3 ) = S1 (1 − χ 2 )(1 − χ3 ) = S0 (1 − χ1 )(1 − χ 2 )(1 − χ3 )
串联后总转化率 χ
=
S0 − S3 S0
形分布；当流体以流速较大的湍流流动时，速度分布较为均匀，但边界层中速度 减缓，径向和轴向存在一定程度的混合。流体流动速度分布不均或混合，将导致 物料浓度分布不同，从而导致酶促反应速率计算的复杂性。因此，设想了连续活 塞式酶反应器（简称 CPFR）（continuous plug flow reactor）。CPFR 型酶反应器的 特点：连续稳态操作条件下，物料浓度不随时间而变化，径向上物料浓度均一分 布，轴向上物料浓度存在差异。因此酶促反应速率只在轴向存在不同分布。
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。
搅拌罐
多级搅拌床
管式反应器
流化床
填充床
与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。 溶液酶反应器
以酶促反应符合米氏方程为例，t 时刻酶促反应速率为
r = − dSt = rmax St dt K m + St
边界条件： t = 0, St = So 积分，得：
(S0
−
St
)
−
K
m
ln
St So
= rmaxt
或： So χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxt
上式与 PFR 型酶反应器在形式上相同。注意其含义之区别。 3.4 酶反应器设计和操作参数
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。
(Sin
−
S out
)
−
K
m
ln
S out S in
= rmax
V F
令：τ = V ，τ为停留时间 F
χ = Sin − Sout ，χ为转化率 S in
（4）
则 Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ
（5）
（5）式即为 CPFR 型酶反应器的操作方程。方程表明，转化率 χ 由停留时间
开。
酶的失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂再生，
更换或补充，这就需要相应的构件。
反应器的 pH 调节、温度控制也是要考虑的因素。
另外，还要考虑底物的性质。如底物为细粒状或胶状，选流化床式反应器较
好。
（1）
r = rmax Sout K m + Sout
将（2）式代入（1）式中，得
F (Sin
− Sout )
=
rmax Sout K m + Sout
V
化简，得：
(Sin
− Sout ) +
Km
Sin − Sout S out
=
rmax
V F
或： Sin χ
+
χ Km 1− χ
= rmaxτ
（2） （3） （4） （5）
0ห้องสมุดไป่ตู้8
0.9
1
χ
如图所示：为以相同的停留时间达到相同的转化率，CSTR 型反应器所需酶 量要大大高于 PFR 型反应器。
（3）反应器中的底物、产物浓度分布
S
S
Sin
Sin
Sout
l PFR 型酶反应器
Sout
V CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的底物具有较高浓度，出口端浓度较低；在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，底物浓度较低。
= 1 − (1 − χ1 )(1 − χ 2 )(1 − χ3 )
3.6 固定化酶反应器的选择 一般来说，活塞流型反应器在固定化酶反应器中占主导地位。
存在底物抑制时，搅拌式反应器性能优于填充床式。
固定化酶有颗粒状、膜状、管状、纤维状。其中以颗粒状为多，这是由于其
比表面积大。若颗粒较小，可选用流化床。若仍采用填充床，就会导致较高的压
（5）式即为 CSTR 型酶反应器操作方程。方程表明，转化率 χ 由停留时间τ
决定。停留时间τ 越长，则转化率 χ 越高。
3.3.3 BSTR 型酶反应器 BSTR 型酶反应器与 CSTR 型反应器的区别在于操作方式，BSTR 型为分批
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。
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
CPFR 型：Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ CPFR
CSTR
型：Sin χ
+
Km
χ 1− χ
=
rmaxτ CSTR
χ Sin + χ （1）、（2）两式相除，得 τ CSTR = K m 1 + χ
τ CPFR χ Sin − ln(1 − χ ) Km
以 τ CSTR ~ χ 作图。 τ CPFR
分批全混式反应器（简称 BSTR）（batch stirred tank reactor）的特点：反应 器内物料浓度随时间而变化，但在同一时刻，物料浓度均匀分布。
3.3 酶反应器操作方程： 3.3.1 CPFR 型酶反应器
CPFR 型酶反应器中，物料浓度沿轴向存在差异，因此酶促反应速率沿轴向 变化。因此取微元单位，进行物料衡算。
25
τ CSTR τ CPFR 20
15
10
■ Sin/km=0 ◆ Sin/km=1 ▲ Sin/km=10 ● Sin/km=100
5
（1） （2）
（3）
0
0.7
0.8
0.9
1
χ
由图中可以看出，为达到相同的转化率，CSTR 所需停留时间较长。
（2）酶需求量的比较： CPFR 型：Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ = k2 ECSTRτ
力降，在大生产中难以实现高的效率。
固定化酶的机械强度也是应考虑的问题。有些固定化酶(如凝胶包埋法或微
胶囊法制备的固定化酶)机械强度较差。因此在搅拌罐中，搅拌浆的剪切作用会 使催化剂遭到破坏；在塔式反应器中，随塔身增高，由于凝胶颗粒自身的重量，
会使凝胶发生压缩变形，压损增大，为此应在塔内安装筛板，将凝胶适当的间隔
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。
3 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
Pout
Pout
Pin
l
CPFR 酶反应器
Pin
V
CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的产物浓度较低，出口端浓度较高；在 CSTR 型酶反应器中，产物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，产物浓度较高。
可见，PFR 型酶反应器中底物浓度较高，而产物浓度较低。因此，如果酶促 反应速率与底物浓度成正比，那么，CPFR 中反应速率较高，生产能力较高。而 当发生底物抑制时，PFR 型酶反应器转化率的降低要比 CSTR 型剧烈得多；而产 物抑制对 CSTR 型酶反应器影响更显著。
真实反应器中速度分布 CPFR 反应器中速度分布
在搅拌罐式反应器中，尽管有搅拌器不停地搅拌，物料浓度仍然存在差异， 这种差异使酶促反应速率的计算变得非常复杂，因此设想了全混式反应器。
连续全混式反应器（简称 CSTR）（continuous-flow stirred tank reactor）的特 点：连续稳态操作条件下，反应器内物料浓度分布均匀，不随空间和时间而变化。
τ 决定。停留时间τ 越长，则转化率 χ 越高。
3.3.2 CSTR 型酶反应器 在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度处处相等，因此酶促反应速率处处相等。
F，Sin
F，Sout
Sout
对反应器内底物进行物料衡算： 流入量－流出量＝反应量 FSin − FSout = rV 当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率
f，S0
f，S1
f，S2
f，S3
χ1
=
S0 − S1 S0
,χ2
=
S1 − S2 S1
, χ3
=
S2 − S3 S2
,
则 S3 = S2 (1 − χ3 ) = S1 (1 − χ 2 )(1 − χ3 ) = S0 (1 − χ1 )(1 − χ 2 )(1 − χ3 )
串联后总转化率 χ
=
S0 − S3 S0
形分布；当流体以流速较大的湍流流动时，速度分布较为均匀，但边界层中速度 减缓，径向和轴向存在一定程度的混合。流体流动速度分布不均或混合，将导致 物料浓度分布不同，从而导致酶促反应速率计算的复杂性。因此，设想了连续活 塞式酶反应器（简称 CPFR）（continuous plug flow reactor）。CPFR 型酶反应器的 特点：连续稳态操作条件下，物料浓度不随时间而变化，径向上物料浓度均一分 布，轴向上物料浓度存在差异。因此酶促反应速率只在轴向存在不同分布。
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。
搅拌罐
多级搅拌床
管式反应器
流化床
填充床
与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。 溶液酶反应器
以酶促反应符合米氏方程为例，t 时刻酶促反应速率为
r = − dSt = rmax St dt K m + St
边界条件： t = 0, St = So 积分，得：
(S0
−
St
)
−
K
m
ln
St So
= rmaxt
或： So χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxt
上式与 PFR 型酶反应器在形式上相同。注意其含义之区别。 3.4 酶反应器设计和操作参数
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。
(Sin
−
S out
)
−
K
m
ln
S out S in
= rmax
V F
令：τ = V ，τ为停留时间 F
χ = Sin − Sout ，χ为转化率 S in
（4）
则 Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ
（5）
（5）式即为 CPFR 型酶反应器的操作方程。方程表明，转化率 χ 由停留时间
开。
酶的失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂再生，
更换或补充，这就需要相应的构件。
反应器的 pH 调节、温度控制也是要考虑的因素。
另外，还要考虑底物的性质。如底物为细粒状或胶状，选流化床式反应器较
好。
（1）
r = rmax Sout K m + Sout
将（2）式代入（1）式中，得
F (Sin
− Sout )
=
rmax Sout K m + Sout
V
化简，得：
(Sin
− Sout ) +
Km
Sin − Sout S out
=
rmax
V F
或： Sin χ
+
χ Km 1− χ
= rmaxτ
（2） （3） （4） （5）
0ห้องสมุดไป่ตู้8
0.9
1
χ
如图所示：为以相同的停留时间达到相同的转化率，CSTR 型反应器所需酶 量要大大高于 PFR 型反应器。
（3）反应器中的底物、产物浓度分布
S
S
Sin
Sin
Sout
l PFR 型酶反应器
Sout
V CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的底物具有较高浓度，出口端浓度较低；在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，底物浓度较低。
= 1 − (1 − χ1 )(1 − χ 2 )(1 − χ3 )
3.6 固定化酶反应器的选择 一般来说，活塞流型反应器在固定化酶反应器中占主导地位。
存在底物抑制时，搅拌式反应器性能优于填充床式。
固定化酶有颗粒状、膜状、管状、纤维状。其中以颗粒状为多，这是由于其
比表面积大。若颗粒较小，可选用流化床。若仍采用填充床，就会导致较高的压
（5）式即为 CSTR 型酶反应器操作方程。方程表明，转化率 χ 由停留时间τ
决定。停留时间τ 越长，则转化率 χ 越高。
3.3.3 BSTR 型酶反应器 BSTR 型酶反应器与 CSTR 型反应器的区别在于操作方式，BSTR 型为分批