第六章 酶反应器

一步或几步催化反应的设备，结构简单
只需考虑适合生物催化剂有效发挥催 化功能的反应条件，过程控制简单
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
生物催化 剂制备
过程调控 能量
原料 预处理
消 毒
酶反应器
产物分 离提纯
产 品
空气
除菌
热量
酶催化反应过程示意图
第六章 酶反应器
酶反应器的类型及特点 酶反应器的选择与设计 酶反应器的操作
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。
传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程， 称为质量传递过程，简称传质。 例如：气相-液相：液体蒸馏； 气相-固相：固体的干燥； 液相-固相：结晶、离子交换。
液体蒸馏：根据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化， 以达到分离的目的。 结晶：含某物质的过饱和溶液与同一物质的固体相接触时，其分子以扩 散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大。 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。
结构：凝胶包埋的固定化酶成型为圆盘状薄板，而后将许 多凝胶薄板装配在旋转轴上，并把整个装置浸在底物溶液 中。反应器有立式和卧式两种。 特点：更换催化剂方便。卧式反应器适用于需氧反应，或 者产生挥发性生成物的反应。 应用：广泛用于废水处理装置。
固定化酶膜式反应器
（4）中空纤维酶膜反应器
4 膜 反 应 器
1、搅拌罐式反应器
6.1
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
2、填充床式反应器
6.1
Packed Bed Reactor, PBR，又称固定床反应器， 是固定化酶常用的一种反应器。
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构：将固定化酶填充于反应器内，制成
稳定的柱床，然后，底物溶液从反应器以一 定方向通过固定化酶柱床，通过酶催化生成 产物，并连续收集输出的转化液（含产物）。
浓差极化
膜分离过程中的一种现象 料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质被截留，在临近膜 界面浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会向本体溶
液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，导致
溶剂透过量下降。
超滤膜酶反应器浓差极化现象
固定化酶膜反应器
结构组成：酶以固定化酶的形式存在于膜相的微孔
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
缺点：温度和pH难以控制；底物和产物会产生轴向分布，
相应酶失活程度呈轴向分布；清洗和更换固定化酶麻烦； 传质传热性能较差，柱内有自压缩倾向，易堵塞（不宜 采用黏度大的底物），固定化酶受到的压力大（引起破 碎）。
改进：在固定床中间用托板分隔，减少底层固定化酶所
颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损；由于流化 床的空隙体积大，酶的浓度不高。
4、鼓泡式反应器
6.1
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
特点：利用从反应器底部通入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。 结构：底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。 操作：游离酶、固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部 通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡提供混合作用。 优点：适用于有气体吸收的生物反应。
本章重点内容
1.酶反应器的类型及特点 2.酶反应器的选择依据 3.酶反应器的操作
6.1 酶反应器的类型及特点
酶反应器分类
按结构分类
按操作方式分类 搅拌罐式反应器（Stirred 分批式反应器(batch ) Tank Reactor, STR） 连续流式反应器(continuous) 填充床式反应器(packed 流加分批式反应器(feeding bed reactor, PBR ) batch ) 流化床式反应器 结构+操作方式 ( Fluidized Bed Reactor, 连续流式搅拌罐式反应器 FBR) （Continuous Stirred Tank 鼓泡式反应器(bubble Reactor, CSTR） column reactor, BCR ) 分批式搅拌罐式反应器 喷射式反应器（projection （Batch Stirred Tank Reactor, reactor, PR） BSTR）
适用性：适用于固定化酶进行连续催
化反应
3、流化床反应器
6.1
优点：不断旋转翻动，混合均匀，具有良好的传质及传热
性能，不易堵塞，适用于处理粘度高的液体； pH、温度控制及气体的供给比较容易；即使细小颗粒的固 定化酶，压力也不会很高。
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大；由于
制备氨基酸，酪啡肽等。
（3）含有辅助因子再生的酶反应器
许多酶反应都需要辅因子的参与。如辅酶、辅基、能 量供给体等。而这些辅因子的价格较贵，采用简单的 添加方法很不经济。
特点：可使辅因子反复使用，降低生产成本。 实例： • NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生循环系统 • ATP再生循环系统
6.1
（4）两相或多相反应器
问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶催化时， 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 的底物浓度，减少底物或产物对酶的抑制作用，使酶 反应进行到底。 操作：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。
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
6.1
（5）固定化多酶反应器
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
特点：可模拟微生物细胞的多酶系统，在反应
器内进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物。
前景：有可能代替微生物发酵法来催化产
品生成，用小型柱式反应器，取代庞大而低 效的微生物发酵罐。
反应器类型 搅拌罐式反应器
结构：由外壳和数以千计的醋酸纤
维制成的中空纤维组成。中空纤维：
内层紧密、光滑，可截留大分子物 质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被 固定在此层中。 反应器的形状是管式或列管式，通 过正常超滤程序压迫底物与海绵状 介质上的酶起反应。
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
或膜基质中。（半透膜可作为界面催化剂的支撑体）
根据固定化酶膜的形状可分为：
平板式或螺旋wk.baidu.com式酶膜反应器
转盘式酶膜反应器 空心管式酶膜反应器 中空纤维式酶膜反应器
固定化酶膜反应器
（1）平板式或螺旋卷式酶膜反应器
4 膜 反 应 器
特点：压力降小；膜面积清晰；单位体积催化剂
有效面积小。
啤酒连续发酵塔型固定化活菌体反应器
5.喷射式反应器
特点：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反应器。 催化反应速度快，效率高，可在短时间完成催化反应。
适用于：高温游离酶，如高温淀粉酶。
新型酶反应器-酶膜反应器
6.1
结构组成：由酶反应装置和膜分离组件构成，将
受压力
3、流化床反应器
6.1
结构：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，反应器形状可为柱 形或锥形等。
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
操作特点：底物以一定速度由下向上
流过，使固定化酶颗粒在悬浮状态下 进行催化反应。注意控制反应液的流 动速度。
适用操作方式 分批式, 流加分批式 连续式, 连续式 分批式 流加分批式 连续式 分批式 流加分批式 连续式
发酵液除菌过滤 酱油、醋等酿造产品的澄清过滤 果酒、药酒、葡萄酒、白酒的澄清过滤； 茶饮料、果饮料澄清过滤浓缩 中药提取液的分离和精制 矿泉水无菌净化 住宅小区或大楼中水回收利用 血液制品分离与精制
酶膜反应器的应用及研究新进展
6.1
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
操作特点：底物按一定方向以恒定速度通
过固定化酶床层，通过底物溶液的流动实现 物质的传递与混合。
活塞流反应器：横截面液体流速相同，浓度 相同，流动方向底物、产物浓度逐渐变化。
2、填充床式反应器
6.1
适用性：广泛适用于固定化酶 优点：高效率（单位体积催化剂负荷量高）、剪切力小、
结构简单等，特别适合于存在底物、产物抑制的催化反 应，是工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。
新型酶反应器
酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)
1、搅拌罐式反应器
6.1
最常用的一种传统形式的酶反应器。
酶 结构组成：容器（反应罐）、搅拌器及保温装置。 反 应 按操作方式分为： 器 分批式搅拌罐式反应器： 的 类 底物和游离酶一次性投入反应器，产物一次性取出； 型 游离或固定化酶在反应结束后经过滤回收，转入 及 下一批反应。 特 点
酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)
传统酶反应器
搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 填充床式反应器(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）
4 膜 反 应 器
特点：可承受较高的操作压力，表面积
大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
中空纤维酶膜反应器连续制备异麦芽低聚糖
以淀粉为原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。采用中空纤维酶 膜反应器, 先用α－淀粉酶和异淀粉酶糖化制备麦芽低聚糖; 后用α－葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶转苷制得异麦芽低聚糖。 本发明大大缩短糖化、转苷的反应周期,酶用量省,产品质量 稳定, 分枝糖含量大于60%。
固定化酶膜反应器
（2）空心酶管反应器
4 膜 反 应 器
结构：将酶固定在细管的内壁上，管内径1mm左右。 操作：底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行 酶反应。管内流体的流动属于层流。 应用：主要是与自动分析仪组装在一起，用于定量分析。
固定化酶膜式应器
（3）转盘型固定化酶反应器
4 膜 反 应 器
第六章
酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以游离酶或固定化酶
作为催化剂进行酶促反应所需的容器及其附属设备称为酶
反应器，它是用于完成酶促反应的核心装置，是连接原料 和产物的桥梁。
作用：为酶催化反应提供合适的场所和最佳反应条件，
在酶的催化下使底物最大限度的转化成产物。
特点：
不同于细胞生物反应器：
酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起，同 时完成生化反应和分离过程的反应器。
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
根据酶的存在状态不同分为：
游离酶膜反应器
固定化酶膜反应器
几种典型的酶膜反应器
游离酶膜反应器
特点：超滤膜孔径范围：1-100 nm（截留Mr 500-10 000） 游离酶和固定化酶平均相对分子质量：10 000-10 0000
（1）生物大分子的分解
主要集中在淀粉、纤维素、蛋白质的水解。
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）。
（2）制备生物活性肽
将生物活性肽的产生和分离耦合；
降低酶用量、制备成本，有效控制蛋白质水解。
连续流式搅拌罐式反应器：
向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断
搅拌，反应平衡后，以恒定流速连续流入底物，
以相同流速输出产物。
1、搅拌罐式反应器
6.1
酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
优点：结构简单，易操作；酶与底物混合充分均 匀；传质速度快，反应能迅速达到稳态；能处理 胶体状底物、不溶性底物。 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫 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。
游离酶膜反应器
优点：酶均匀分布于反应器内，酶促反应接近本征动力
4 膜 反 应 器
学的状态下进行；酶可重复利用，特别适用于价格较高 的酶；可用于胶态或不溶性底物，特别适用于有产物抑 制的场合；
缺点：酶的长期操作稳定性差；酶易在膜上吸附造成膜
污染，发生浓差极化现象。
添加新鲜的酶以维持反应连续稳定地进行