酶工程第八章 酶反应器讲解
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分批式, 流加分批式 连续式,
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
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