酶工程第八章 酶反应器讲解
《酶工程》教学大纲
酶工程（Enzyme Engineering）课程编号：0634001B学分：2学时：（其中：讲课学时：24 实验学时：16 上机学时：0 ）先修课程：有机化学、生物化学、微生物学适用专业：生物工程本科教材：酶工程（郭勇主编，科学出版社，第二版，2004年）开课系所：生物与食品工程学院一、课程的性质与任务酶工程是生物工程专业的一门重要的专业方向选修课，其作用是为该专业在专业课方面提供必要的酶工程的基本理论知识和实际运用酶技术的能力，通过该课程的学习使学生达到较灵活地运用知识和理论联系实际的能力。
本课程选用科学出版社郭勇主编的《酶工程》作为主要参考教材，结合目前该学科该领域的最新科研成果及发展现状，特别是一些新的技术和方法涌现，努力使本课程的教学内容与本专业的特点及实际内容相结合，力求使学生更多地掌握较先进的技术和方法。
本课程在生物工程专业中是完整、独立地的体系，在生物工程领域中该学科占有着重要的地位和作用，因此《酶工程》课程是在其它相关课程开设完成后开设。
按有关学科之间的分工原则，尽量避免与其它相关学科的重复，各章内容可根据本学科的特点和不同情况加以取舍。
为了使该课程的讲授更好地和专业相结合，本课程授课均按“重基础、宽口径”的总要求，尽可能采用多媒体教学的方式，全面系统地介绍《酶工程》所涉及到的内容和发展前沿。
本课程的主要任务是：重点介绍和讲授酶的生产和应用的基础理论、基本技术和基本概念。
内容包括：酶的发酵生产，酶的分离纯化，酶分子修饰，酶与细胞固定化，酶的非水相催化，酶反应器和酶的应用。
同时适当地讲授反映酶工程领域中的应用成果和有关新理论、新概念、新技术、新动向。
二、课程的基本内容及要求本课程着重阐述《酶工程》的基本概念和基本规律，反映近代《酶工程》中较为成熟的新成果。
通过本课程的讲授，要求学生重点掌握酶的发酵生产，酶的分离纯化，酶分子修饰，酶与细胞固定化，酶的非水相催化，酶反应器和酶的应用，初步掌握它们在生物工程领域中开发利用的手段、技术与前景。
《酶工程基本原理》课件
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降低杂质含量：通过优化分离纯化 技术，降低杂质含量，提高酶的纯 度
提高酶的稳定性：通过优化分离纯 化技术，提高酶的稳定性，延长酶 的保存时间
酶的生产与制备技 术
酶的生产方式
微生物发酵法：通过微生 物发酵产生酶
植物提取法：从植物中提 取酶
动物提取法：从动物中提 取酶
化学合成法：通过化学合 成产生酶
基因工程法：通过基因工 程产生酶
酶固定化技术：将酶固定 在载体上，提高酶的稳定 性和活性
酶的固定化技术
固定化酶的定义：将酶固定在载体上，使其保持活性并可重复使用的技 术 固定化酶的优点：提高酶的稳定性、可重复使用、降低成本
固定化酶的种类：吸附法、交联法、共价结合法等
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温度：酶的活性随温 度升高而增加，但超 过一定温度会失活
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pH值：酶的活性随 pH值变化而变化， 通常存在最适pH值
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离子强度：高离子强 度可能影响酶的活性， 导致酶失活
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酶浓度：酶的活性随 酶浓度增加而增加， 但超过一定浓度后不 再增加
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底物浓度：底物浓度 对酶的活性有影响， 通常存在最适底物浓 度
生物能源：用于生物燃料、 生物发电等领域
生物材料：用于生物材料合 成、生物材料改性等领域
酶的分类与性质
酶的分类
按照酶的来源分类： 动物酶、植物酶、 微生物酶
按照酶的催化反应 类型分类：氧化还 原酶、水解酶、转 移酶、裂解酶、异 构酶、连接酶
按照酶的活性中心 分类：金属酶、非 金属酶
按照酶的催化反应 机制分类：单酶、 多酶、复合酶
酶在食品加工中 的应用：酶在食 品加工中主要用 于提高食品品质 和营养价值，如 酶在食品发酵、 食品加工、食品 保鲜等方面的应 用。
酶工程复习资料
酶工程复习资料名词解释1、酶反应器：用于酶进行催化反应的容器和附属设备2、pH记忆：3、产物阻遏作用：又称酶生物合成的反馈阻遏作用，是指酶催化反应的产物或代谢途径末端的产物使该酶的生物合成受到阻遏现象。
4.1酶的延续合成型:酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后，酶还可以延续合成一段时间的生物合成模式。
4.2同步合成型：是指酶的生物合成与细菌生长同步进行的一种酶生物合成模式。
4.3中期合成型：酶在细胞生长一段时间后才开始合成，细胞进入生长平衡期后，酶的生物合成也随之停止。
4.4滞后合成型：酶是在细胞进入生长平衡期后才开始生物合成并大量积累，5、固定化细胞——固定在载体上，并在一定空间范围内进行生命活动的细胞。
6、电场膜分离——是在半透膜的两侧分别装上正、负电极。
在电场作用下，小分子的带电物质或离子向着与其本身所带电荷相反的电极移动，透过半透膜，而达到分离的目的。
7、催化周期：酶进行一次催化所需的时间。
8、固定化酶：固定在载体上并在一定空间范围内进行催化反应的酶称为固定化酶。
9、抗体酶：抗体酶又称为催化性抗体，是一类具有催化功能的抗体10、立体异构专一性：当酶作用的底物含有不对称碳原子时，酶只能作用于异构体的一种，这种绝对专一性称为立体异构专一性。
11、微滤：又称为孔过滤，微滤介质截留的物质颗粒直径为0.2-2um，主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可看到的颗粒物质的分离。
12、酶的比活力：是一个纯度指标，指特定条件下，单位质量的蛋白质或RNA所具有的酶活。
13、膜反应器：是将酶的催化反应和半透膜的分离作用组合在一起的反应器。
14、酶电极：是由固定化酶与各种电极密切结合的传感装置。
15、氨基酸置换修饰：将酶分子上的某一个氨基酸置换成另一个氨基酸的修饰方法。
16、盐析沉淀法：是利用不同蛋白质在不同盐溶度条件下溶解度不同的特性，通过在酶液中添加一定浓度的中性盐，使酶或杂质从溶液中析出沉淀，从而使酶与杂质分离的过程。
【正式版】酶反应器类型PPT
适适流用用化的 的 床搅搅反拌拌应方方器式式（，：：bu分连bb批续le式式c、。olu流m加n 分re批ac式to、r, 连B固C续R）式定。化酶 、游离酶
酶与底物混合较均匀，传质阻力较小，反应比较完全，反应条件容易调节和 控制。
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。
• 特点： 特膜点反： 应流器化（床me反m应br器an具e 有re混ac合to均r, M匀R，）传质传热效果好，温度和pH的调节控制比较容易，不易堵塞，对黏度较大反应夜也可以进行催化
反流适特应化用点。 床 的 ：反搅设应拌备器方简（式单：，bu分操bb批作le式方c、便olu流，m加单n膜分位r反e批体ac式积应to、反r,器连应BC续床R结）式的构。固定紧化凑酶密，度集大，反可应以提与高分酶催离化于反应一的体速度，，利在工于业连生产续中化普遍生使产用。，但 填适充用床 的式搅反拌应方是器式容：(pa连易ck续e发d式c。生olum差n 极reac化tor而, PC引R) 起膜孔阻塞，清洗比较困难。
酶反应器类型
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，
酶反应器的认知与操作
4.操作记录
时间 RNA 5-核昔酸 RNA酶解率 酶膜反应器生产能 转化率
（h） mg/ml mg/ml
(%)
力
(%)
5.相关指标测定与计算 （1）RNA含量测定 采用紫外吸收法测定RNA含量。具体操作如下:取两 支小试管，甲试管加入0.5而样品和0.5ml去离子水; 乙试管加入0.5ml样品和0.5ml核酸沉淀剂，摇匀， 冰浴冷却30min，以3000RPM离心10min。分别移 取0.4ml上清液置于两个50ml容量瓶中，定容至刻度， 用紫外吸收法测定 260nm处的吸光度。RNA含量按 下式计算:
RNA浓度（ug/ml）=△A260×稀释倍数/(0.024×L) 式中，△A26O为甲管稀释液在 260nm波长下的吸 光度减去乙管稀释液在 260nm波长下的吸光度。L 为比色皿的厚度，一般为1或0.5cm，0.024为每ml 溶液中含有1ugRNA的吸光度。 RNA%=待测液中测得的RNA质量×100/待测液中制 品的质量
2.分体式酶膜反应器装置的操作 如图2.4-3所示，将一定浓度底物溶液定量加入反应罐中，升温 至定值，保温10分钟。开动搅拌系统，定量加入配好的酶液。 打开阀1，关闭阀2，调节到实验所设计的系统参数，稳定操作。 定时取样（取样时打开阀2，关闭阀1），分别测定渗透液和反 应液中RNA含量与5-核昔酸含量，同时测定膜的渗透通量。间 隔一段时间补充底物溶液，维持体系的体积平衡。反应过程中， 密切关注体系的pH和温度变化，使pH值和温度维持在所需范 围内。
（4）酶膜反应器生产能力的计算 反应器生产能力由下述公式计算:
式中:P一一渗透液一侧酶解产物浓度(mg/ml)； J一一单位面积膜渗透通量(ml/min)； E一一酶浓度（mg/ml)； V一一反应体积（ml）。 参数K量纲为而/min，表示单位时间内按酶量计算的 产物生成量，表征了反应器的生产能力。
酶反应器
为降低产物的抑制引起的不良反应，一般可采用多个 PBR串联操作，或将PBR分成几个不同的区域，在不 同进口处加入底物溶液
4. 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR)
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酶柱床， 使固定化酶颗粒始终处于流化状态
Fluidized bed reactors are intermediate in behaviour between PBRs and CSTRs. The immobilized enzyme bed is fluidized by upward motion of the substrate stream
缺点：不适合于大分子底物,膜的成本较高
• 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。
• 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。
向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡后，再以
恒定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）
The continuous flow stirred tank reactor (CSTR) is essentially a stirred tank with a continuous feed of substrate and an outflow of product:
products
西大酶工程名词解释
超临界萃取：又称为超临界流体萃取，是利用欲分离物质与杂质在超临界流体中的溶解度不同而达到分离的一种萃取技术。
大分子结合修饰：采用水溶性大分子与酶的侧链基团共价结合，使酶分子空间构象发生改变，从而改变酶的特性与功能的方法称大分子结合修饰。
定点突变：是20世纪80年代发展起来的一种基因操作技术。
是指在DNA序列中的某一特定位点上进行碱基的改变从而获得突变基因的操作技术。
反胶束萃取：是利用反胶束将酶或其他蛋白质从混合液中萃取出来的一种分离纯化技术。
反胶束又称反胶团，是表面活性剂分散于连续有机相中形成的纳米尺度的一种聚集体。
反胶束溶液是透明的，热力学稳定的系统。
反馈阻遏作用：酶生物合成的反馈阻遏作用又称产物阻遏作用，是指酶催化反应的产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象。
分解代谢阻遏作用：是指某些物质（主要是指葡萄糖和其他容易利用的碳源等）分解代谢和产物阻遏某些酶（主要是诱导酶）生物合成的现象。
固定化酶：固定在水不溶性载体上，并在一定的空间范围内进行催化反应的酶，称为固定化酶。
固定化细胞：固定在载体上，并在一定的空间范围内进行生命活动的细胞称为固定化细胞。
固定化原生质体：指固定在载体上，并在一定的空间范围内进行生命活动的原生质体。
抗体酶：又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子。
抗体酶同时具有抗体的高度特异性以及酶的高效催化能力，是通过人工设计、采用现代生物技术而获得的一类新的生物催化剂，有些是在自然界原本不存在的。
离子交换层析：是利用离子交换剂上的可解离基团（活性基团）对各种离子的亲和力不同而达到分离目的的一种层析分离方法。
酶的发酵生产：经过预先设计，通过人工操作，利用微生物的生命活动获得所需酶的技术过程，称为酶的发酵生产。
酶的诱导合成：加进某些物质，使酶的生物合成开始或加速进行的现象，称为酶生物合成的诱导作用，简称诱导作用。
酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。
第八章酶反应器
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。
酶工程重点
第三章1、酶的生物合成的模式。
答：1）同步合成型：酶的生物合成与细胞生长同步进行的一种酶生物合成模式(生长偶联型) 。
特点：(1)酶的合成可以诱导，但不受分解代谢物阻遏和反应产物阻遏。
(2)当去除诱导物、细胞进入平衡期后，酶的合成立即停止，表明这类酶所对应的mRNA很不稳定。
2）延续合成型：酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后，酶还可以延续合成一段较长时间。
属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。
特点：1）该类酶可受诱导，一般不受分解代谢产物阻遏和终产物阻遏。
（2）该酶对应的mRNA是相当稳定的。
3）中期合成型：是酶的生物合成在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生长进入平衡期以后，酶的生物合成也随着停止的一种合成模式。
特点：（1）酶的合成受产物的反馈阻遏或分解代谢物阻遏。
（2）所对应的mRNA是不稳定的。
4）滞后合成型：滞后合成型又称非生长偶联型，是酶的生物合成在细胞生长进入平衡期以后才开始并大量积累的一种合成模式。
许多水解酶的生物合成都属于这一类型。
特点：（1）该类酶受分解代谢物阻遏作用的影响，阻遏解除后，酶才大量合成。
（2）该酶对应的mRNA稳定性高。
2、发酵动力学：是研究发酵过程中细胞生成速率、产物生长速率、基质消耗速率及环境因素的影响规律等的学科。
第四章1、盐析沉淀法：简称盐析法，是利用不同蛋白质在不同的盐浓度条件下溶解度不同的特性，通过在酶液中添加一定浓度的中性盐，使酶或杂质从溶液中析出沉淀，从而使酶与杂质分离的过程。
2、盐溶：低浓度的中性盐增加蛋白质的溶解度3、盐析：高浓度的中性盐降低蛋白质的溶解度。
4、分段盐析包括：Ks 分段盐析和β分段盐析5、过滤：是借助于过滤介质将不同大小、不同形状的物质分离的技术过程。
6、离子交换层析：是利用离子交换剂上的可解离基团（活性基团）对各种离子的亲和力不同而达到分离目的的一种层析分离方法。
7、离子交换层析的原理。
答：根据待分离物质带电性质不同的分离。
酶工程：第八章酶反应器
四、设计步骤
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。
(2) 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。
(3) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。
(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。
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8.3 常见的酶反应器类型和特点
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 Bed Reactor,PBR) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR) 喷射式反应器 （Jet-type Reactor,JR)
优点是：即反应与分离于一体，一则酶可以回收循环使用， 提高酶的使用效率，特别适用于价格较高的酶。二则产物
可以连续的排出，可降低或消除产物抑制。 缺点是：酶或杂质会吸附在膜上，造成膜的透过性降低，
且清洗困难。
六、喷射式反应器（JR)
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。适用于游离酶。
综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的 法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行 全面的分析和衡量。
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；
第八章 现代酶工程技术
Flash1
(四） L-苹果酸生产
L—苹果酸是一种重要的有机酸， 在医药和食品工业中有广泛用途。L— 苹果酸生产途径有（1）用葡萄糖直接 发酵：（2）用延胡索酸为原料酶法合 成；目前国内L—苹果酸工业化生产主 要是用延胡索酸为原料的酶法合成。普 遍使用的包埋载体是卡拉胶（K— carrageenan）。
•
三、 固定化酶技术 （一）固定化技术概述 （二）酶和菌体固定化技术 （三）固定化细胞的反应器
☆
（一）固定化技术概述
• 概说：酶已广泛应用工业及家庭日常生活 中。如 • 1、淀粉酶都采用酸解法，现在很多都用 酶解法。家庭所用甜酒药就是根霉。我们 知道还有 • 2、蛋白酶（如酱油、豆腐乳等）； • 3、果胶酶（如酒类澄清、白莲脱皮）； • 4、脂肪酶（如皮毛脱脂）等。
2．酶促效率明显提高 和固定化酶不同，菌体细胞在固定 化过程中通常不损伤细胞本身，细 胞内的酶系统也最大限度地保持着 天然状态，因此它具有较高的酶促 效率。
3．热稳定性增强 如恶臭假单孢菌经包埋后 最适反应温度较游离细胞提高 20℃，而且热稳定性也增强。
4．易产生副反应
微生物菌体细胞内含有庞大而复杂的酶系 统，其中一些酶在生产时是我们不需要的， 某些酶甚至是有害的，它们可催化生产影 响产品质量的物质。如包埋黄色短杆菌 （产延胡索酸酶）生产L—苹果酸时，便有 副产物琥珀酸产生，它是影响产品出口的 主要因素。生产上一般采用胆汁酸处理固 定化细胞，可显著降低琥珀酸的含量。
（四）菌体包埋 （1）卡拉胶熔化 生理盐水500Kg，卡拉胶20Kg， 加入1.5m3的搪瓷罐中，开搅拌， 夹套加热，升温到100℃，保温 10min，卡拉胶彻底熔化。降温到 50℃，夹套保温备用。
（四）菌体包埋 （2）混合 湿菌体114Kg，加100Kg生理盐水 放另一搪瓷罐中混匀，保温45℃， 然后压入卡拉胶罐中，恒温45℃， 搅拌10min。
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适用的酶
游离酶 固定化酶
填充床式反应器 连续式
固定化酶
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
特点 反应比较完全，反应 条件容易调节控制。
密度大遍使用。
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。
组， 或使用锥形流态化床。
四、鼓泡式反应器 Bubble column reactor BCR
生物反应有涉及到气体的吸收或产生，最好采用 此类型反应器，或三相流化床反应器。一些无载 体固定化新鲜菌体反应器也可采用此(图)。
鼓泡塔型反应器
五、膜反应器 Membrane reactor MR
将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器, 可用于游离酶和固定化酶的催化反应;
酶反应器的选择
一、根据酶的应用形式选择反应器 二、根据酶反应动力学性质选择反应器 三、根据底物或产物的理化性质选择反应器
第二节 酶反应器的选择
选择酶反应器要点:
酶的应用形式； 酶的反应动力学性质； 底物产物理化特性； 尽可能结构简单易操作，易维护； 适合多种酶催化，成本低；
例
酶的形状、大小
固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球)、膜 状(膜、薄膜片状、管状)和纤维状3种，反 应器的形状大致可根据酶的形状来确定。
缺陷
长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。
六、喷射式反应器
利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合， 进行高温反应的一种反应器。
结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高 温淀粉酶的淀粉液化。
高压蒸汽
反应液 至维持罐
底物溶液
总结:各种酶反应器的特点
反应器类型 搅拌罐式反应器
适用的操作方式
易失去活性。
2、连续搅拌罐式反应器
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
产 物
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。
底物
连续搅拌罐式反应器 (Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR）
二、填充床式反应器
packed column reactor PCR
把颗粒状或片状等固定 化酶填充于固定床(也 称填充床，可直立或平 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。当前工业多采用它。
优点
可使用高浓度的催化剂，产物和抑制剂从反应 器中不断流出，可减少产物抑制。
优点
(1）具良好的传质及传热性能，pH、T控制及气体供给较 容易 (2）不易堵塞，适于处理粘度高的液体 (3）能处理粉末状底物 (4）即使应用细粒子的催化剂，压力降也不会很高
缺点 (1）需保持一定的流速，动转成本高，难以放大 (2）颗粒酶易机械破损 (3）酶浓度不高 (4）酶被冲出，降低了转化率
解决办法 (1) 底物循环 (2) 使用几个流态化床组成的反应器
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。
根据酶分子和产物的分子量大小,选择适当孔径超滤膜, 分离膜可根据需要制成平面膜、直管膜、螺旋膜、中 空纤维膜；
采用膜反应器进行游离酶催化集反应分离于一体，一 则回收循环使用，二则产物连续排出降低产物抑制
膜的介绍
膜有超滤膜、透析膜 膜形状有平板状、管状、螺旋状、中空纤维状
膜反应器的应用
可作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有抑制作用时。
缺点
(1)T与pH难控制；
(2)底物、产物会轴向分布；
(3)清洗更换部分固定化酶较困难；
(4)床内有自压缩倾向，易堵塞；且床内压降
大， 底物须在加压下加入。
三、流化床反应器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 柱形或锥形。底物以一定 的速度由下向上流过，使 固定化酶在浮动的状态下 反应，液体的混合程度介 于CSTR和PFR之间。
结构简单，不需特殊设备，适 于小规模生产，发酵食品业中 常见。
1、分批搅拌罐式反应器
特点：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：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。
缺点：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，
Chapter 9 Reactors for enzymatic catalysis
酶反应器
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。
定义: 以酶为催化剂进行反应所需的设备称为酶反应器。
作用:
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。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。
粒状: 适用于搅拌罐、固定床、流化床、鼓泡塔 注意点： 易变形、易凝集或颗粒细小的粒状 酶用流化床，但要增大动力。
膜状: 转盘式、平板式、空心管等膜反应器。
机械强度:
(1)凝胶包埋法和微胶囊法制备的酶,其机械强 度比用纯粹固体作为载体的固定化酶差得多。
(2)塔身长的固定床反应器，用多孔板适当 隔开，防止凝胶自身重量引起变形。
(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。
第一节 酶反应器的类型
一、搅拌罐式反应器
是传统形式的反应器，由容器、 搅拌器及保温装置组成，有的 有挡板。 特点及应用