酶反应器
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：
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。
酶反应器
F
酶反应器应用现状及展望
酶因其反应的专一性，高效性和温和性的特点，已和生物工程， 信息科学和材料科学构成了当今的三大前沿科学。而作为生物工程的 重要组成部分，将在未来的发展中，在世界科技和经济发展中起着主
导和支柱作用。
今后，酶反应器材料的研究与发展必然会成为一个热点，意为人 类创造出高效率、低成本的产品。
D
酶反应器的分类
1.按结构分类 2.按操作方式分类 分批式反应 连续式反应
3.混合形式 连续搅拌罐式反应器
搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器 膜反应器
分批搅拌罐式反应器 流加分批式反应
E
酶反应器应用举例
酶反应器在污染处理中的作用：
可利用过氧化物酶和聚酚氧化酶处理含酚废水和造纸废水，如辣根过氧化物酶，木质 素过氧化物酶，植物来源的过氧化物酶； 酪氨酸酶，漆酶等；可利用氰化物酶和氰化物水合酶处理含氰废水； 利用蛋白酶，淀粉酶处理食品加工废水；并且，可以通过设计复合代谢途径，拓宽氧 化酶的专一性等基因工程的运用，提高微生物的降解速率;拓宽底物的专一性;维持低浓 度下的代谢活性;改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性等。 酶在废物处理及资源化过程中正在发挥重要作用, 利用基因工程和蛋白质工程扩展酶的 代谢途经, 是治理难降解有毒污染物的重要方法。
B
酶反应器原理及作用
1、原Байду номын сангаас：
substrates bind to enzyme
酶促反应
active site is available for a molecule of substrate,the reactant on which the enzyme acts ④products release
第五节酶反应器PPT课件
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。
酶工程第八章 酶反应器讲解
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
7 酶反应器
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。
酶工程第六章酶反应器
固定化酶
混合均匀，传质和传热效 果好，温度和pH值的调 节控制容易，不易堵塞， 可催化粘度大的反应液
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各类反应器的特点
反应器类型 鼓泡塔式
膜反应器
适用 操作方式
分批式 流加分批式
连续式
连续式
适用酶
优点
游离酶 结构简单，操作容易， 固定化酶 剪切力小，混合效果好，
传质、传热效率高,适于 有气体参与的反应
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2. 填充床反应器 packed column reactor, PBR
特点：将固定化酶填充于反应器 内，底物按一定方向以恒定速度流 过。 活塞流反应器 (plug flow reactor, PFR)：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。 适用：固定化酶
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2. 填充床反应器 packed column reactor, PBR
优点：① 催化剂 密度大、催化效率高
② 易操作、结构简单
③ 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。
缺点：① 传质、传热系数低，温度、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麻烦
④ 床内压力降大，底物须在加压下进入
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2. 填充床反应器 packed column reactor, PBR
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3. 流化床反应器 fluidized bed reactor, FBR
特点：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。 适用：固定化酶
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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
第六章酶反应器
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。
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1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
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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。
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❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
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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
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。
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。
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
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。
第06章 酶反应器
引入无因次参数，则 引入无因次参数，
无解析解，只有数值解。 无解析解，只有数值解。
内扩散效率因子η 的函数。 内扩散效率因子ηin 是φ 和β的函数。 影响不大，影响η β对ηin影响不大，影响ηin的主要参数是 西勒准数φ 不随φ 西勒准数φ。如果 ，则 不随φ变 近似等于1， 化，近似等于 ，也就是说没有内部传质阻 力，若 ，则 ，反应为内扩 散所限制。 散所限制。
2、酶和细胞固定化方法 、
物理吸附法 载体结合法 离子结合法 共价结合法 交联法 格子型 包埋法 微胶囊
交联法
O O E O E E O E
3、固定化对酶性质的影响 、
底物专一性的改变 稳定性增强 最适pH值和最适温度变化 最适 值和最适温度变化 动力学参数的变化
4、影响固定化酶促反应的主要因素 、
（2）适用的操作方式： ）适用的操作方式： 分批式、流加分批式、 分批式、流加分批式、连续式 （3）优点： ）优点： 结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小， 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。 条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。 （4）缺点 ）缺点: 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大， 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过 程酶易损失。 程酶易损失。 （5）改进： ）改进： 在反应器出口装上滤器 ,或用尼龙网罩住固定化酶 ,或制 或用尼龙网罩住固定化酶 或制 成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。 成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。
2、内部扩散过程 、
具有大量内孔的球形固定化酶颗粒
dr r R
内扩散效率因子
稳定状态下，对底物进行物料衡算： 稳定状态下，对底物进行物料衡算：
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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。
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。
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。
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（1）根据所使用的酶，分为固定化酶反应器分批式操作（2）根据操作方式，分为连续式操作流加式操作罐型（3）根据几何形式，分为管型膜型非理想型酶反应器（4）根据流体流动特性活塞式反应器理想型酶反应器全混式反应器3.2 理想型酶反应器在管式反应器中，当流体以流速较小的层流流动时，管内流体速度呈抛物线形分布；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。
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。
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。
流入量-流出量=反应量rAdl dS S F FS =+-)( (1)当酶促反应符合米氏方程规律时,SK Sr r m +=max (2)将(2)式代入(1)式，得Adl SK Sr FdS m +=-max （3）边界条件：out in S S L l S S l ====,;,0 积分得：FVr S S K S S in out m out in max ln)(=-- （4） 令：FV=τ，τ为停留时间 inoutin S S S -=χ，χ为转化率 则 τχχm ax )1ln(r K S m in =-- （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F, SinF, S out dlτ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。
对反应器内底物进行物料衡算： 流入量－流出量＝反应量rV FS FS out in =- （1）当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率outm outS K S r r +=max （2）将（2）式代入（1）式中，得 V S K S r S S F o u tm o u to u t in +=-max )( （3）化简，得： F Vr S S S K S S out out in mout in max )(=-+- （4）或：τχχχmax 1r K S min =-+ （5）（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F ，S in F ，Sout式操作，CSTR 型为连续式操作。
在BSTR 型酶反应器中，反应器中底物浓度随时间不断降低，但在同一时刻，反应器内底物浓度均匀分布。
以酶促反应符合米氏方程为例，t 时刻酶促反应速率为tm t t S K Sr dt dS r +=-=max 边界条件：o t S S t ==,0 积分，得：t r S S K S S otm t max 0ln)(=-- 或：t r K S m o m ax )1ln(=--χχ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 （1）停留时间τ ：指反应物料从进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。
对于分批式搅拌罐（BSTR ），所有物料的停留时间都相等，且等于反应的时间。
对CPFR ，两者也是一致的。
对于CSTR ，是指“平均停留时间”。
对于连续式操作，FV=τ。
τ又称空时。
（2）转化率χ： 对于分批式操作，00S S S t-=χ 对于连续操作， inoutin S S S -=χ （3）生产能力P r ：对于分批式操作，t P P tr =对于连续式操作，τoutr P P =（4）选择性： 对分批式操作，)(0t SP tP S S a P S -=对连续式操作，)(out in SP outP S S a P S -=3.5 PFR 和CSTR 型酶反应器性能比较 （1）停留时间的比较CPFR 型：CPFR m in r K S τχχm ax )1ln(=-- （1） CSTR 型：CSTR min r K S τχχχmax 1=-+ （2）（1）、（2）两式相除，得)1ln(1χχχχχττ--++=minm in CPFRCSTRK S K S （3）以χττ~CPFRCSTR作图。
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：ττχχCSTR m in E k r K S 2m ax )1ln(==-- （1）CSTR 型：ττχχχCPFR m in E k r K S 2max 1==-+ （2）（1）、（2）式相除，得)1ln(1χχχχχ---+=m in m in CPFRCSTRK S K S E E 以χ~CPFRCSTRE E 作图。
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。
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。
综上所述， PFR 型酶反应器性能更好，这与之不存在返混有关；CSTR 型酶反应器性能较差，这与之存在返混有关。
当多个CSTR 反应器串联时，一般随罐数增多，反应的转化率增高，当罐数增至无限多时，最终将与PFR 型的转化率一致。
但是应特别指出的是，将两个或三个反应器串联后，转化率增大最明显，随串联数不断增加，转化率的增大会越来越不显著。
因此，在实际生产中，一般采用二级或三级串联。
f ，S 3P outP in,,,232312120101S S S S S S S S S -=-=-=χχχ 则)1)(1)(1()1)(1()1(3210321323χχχχχχ---=--=-=S S S S 串联后总转化率)1)(1)(1(1321030χχχχ----=-=S S S 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。