第九章 酶反应器..

(5) 鼓泡式反应器

鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR) 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。
鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓 泡式反应器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。 鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，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。 例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给 二氧化碳等。
缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故 在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离 酶。

(2) 连续式酶反应器

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：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。
根据底物或产物的理化性质选择反应器：



反应底物或产物的分子质量较大时，由于底物或产物难于 透过超滤膜的膜孔，所以一般不采用膜反应器。 反应底物或者产物的溶解度较低、粘度较高时，应当选择 搅拌罐式反应器或者流化床式反应器，而不采用填充床式 反应器和膜反应器，以免造成阻塞现象。 反应底物为气体时，通常选择鼓泡式反应器。 有些需要小分子物质作为辅酶（辅酶可以看作是一种底物） 的酶催化反应，通常不采用膜反应器，以免辅酶的流失而 影响催化反应的进行。


(6) 膜反应器

膜反应器（membrane reactor, MR）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。

用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔 薄膜中，而制成的一种生物反应器。
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。


反应液出口
底物溶液进口
(3) 填充床反应器

填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,又称固 定床反应器。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 的反应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）。
优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而， PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的 反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含 固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物 抑制的转化反应。 缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底 物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用 PBR。


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。 ◆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。 ◆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； ◆对于具有高浓度底物抑制作用的固定化酶，可以采用连续搅拌罐式反应器、 填充床式反应器、流化床式反应器、膜反应器等进行连续催化反应。 (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。

连续搅拌罐—超滤膜反应器
简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤 器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。 该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产 物与大分子底物。
游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续地进入反应器，酶在反应 容器的溶液中与底物反应，反应后，酶与反应产物一起，进入膜分离器进行分 离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使 用。
对于游离酶和固定化酶的选择，应考虑：1）酶应用的性质 和范围；2）酶的保存稳定性和操作稳定性；3）成本等。
7.2 理想的酶反应器的要求

生物反应器设计的主要目标： 使产品的质量最高，生产成本最低。 评价生物反应器的主要标准： 反应器生产能力的大小和产品质量的高低。
(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）， 才能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。传质是指底物和产物在反 应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。 (4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产 能力下降。
9.4 酶反应器的设计

确定酶反应器的类型

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酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照选择 原则，选择并确定反应器的类型。 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。 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。 酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量
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。

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 )

混合形式

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）
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
反应器类型
鼓泡式反应 器
适用的操作 方式 分批式 流加分批式 连续式
适用的酶
特点
游离酶 鼓泡式反应器的结构简 固定化酶 单，操作容易，剪切力 小，混合效果好，传质、 传热效率高,适合于有 气体参与的反应。
膜反应器
喷射式反应 器
连续式
连续式
游离酶 清洗比较困难 固定化酶 游离酶 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
生物催化 剂制备
过程调控 能量
原料 预处理
消 毒
生物反应器
产物分 离提纯
产 品
空气
除菌
热量
酶催化反应过程示意图
酶的应用形式

游离酶：主要用于物质转化、产品加工和三废处 理等过程，存在缺点是很难反复使用
液体酶制剂 固体酶制剂



固定化酶：主要用于物质转化、产品加工、工艺 改进及三废处理等，由于固定化酶能反复使用， 反应后很容易和反应液分离而保证产品质量 完整细胞：利用细胞内各种酶的物质转化、三废 处理等过程发挥作用
第九章 酶反应器
9.1 什么是酶反应器
酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容 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。
用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 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。
各种酶反应器的特点
反应器类型 适用的操作方式 适用的酶 特点
搅拌罐式反应器
分批式, 流加分批式 连续式,
连续式
游离酶 固定化酶
反应比较完全，反应 条件容易调节控制。
填充床式反应器
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。 流化床反应器具有混 合均匀，传质和传热 效果好，温度和pH值 的调节控制比较容易， 不易堵塞，对粘度较 大反应液也可进行催 化反应。
9.3 酶反应器的选择和使用

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：

酶的形式(游离/固定化..) 固定化酶的形状 底物的物理性质 酶反应动力学性质 酶的稳定性 操作要求 反应器制造、控制成本
在应用游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，通 过互相作用，进行催化反应。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。 通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用填充床反应器 （PBR），而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均可使用于连续式搅 拌罐（CSTR），膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。 可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者， 易堵塞柱床，可选用FBR。颗粒状底物溶液可适用于CSTR。当反应 过程需要控制温度、调节pH时，选用CSTR更为方便。 在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体 上脱落下来，或者由于磨损而使粒度变细，从而影响了固定化酶的操 作稳定性。
(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。

优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达 到稳态。


(4) 流化床反应器

流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。 特点是：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。
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。 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。
常见的酶反应器类型

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) 喷射式反应器