生物催化工程-生物催化反应器

Biocatalyst process control Product
•在生物反应过程中，生物反应器具有中心 •的作用，它是连接原料和产物的桥梁。
1.1 生物反应器的特征
我们期望反应器的生产能力（g/L·h）越高越好。
反应器的生产能力主要取决于两方面的因素： （1） 生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力 单位反应器体积的酶或细胞活性（活性） 更多的酶活性回收（回收性） 更长的使用寿命（稳定性）
（2） 反应器的传质和传热能力 生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器传质和
传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。
L d
流体的传质
现实中不存在，
活塞流 层流比较接近活塞流。 滞流
湍流 全混流 是种理想的流动模型。
生物反应器温度的控制
1.2 生物反应器的分类
--反应器的流体
活塞流反应器 (CPFR)
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。
在CSTR中催化剂 通常采用颗粒状的 固定化酶，为不致 使反应器中的酶随 反应液流失，故在 其出口处通常装有 滤膜，有的也采用 磁性的固定化酶粒。
缺点：
(1)需保持一定的流速，运转成本高，且难于放大。 (2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械 破损。
(3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。 (4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。
2.1 酶反应器的分类 --鼓泡塔
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。反应系统中存 在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。
（2）生物反应器正向大型化和自动化方向发展。 （3）自动检测和控制系统将会在生物工程中发挥越
来越重要的作用。
（4）一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发。 例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应
器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发 展。
第二节 酶催化反应器
特点： 与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗
2.1 酶反应器的分类 --搅拌罐（全混）
（1）批次反应器（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。
能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再
生）。 分类：
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)
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）。
流化床反应器
优点：
(1)具有良好的传质及传热的性能。pH、温度控制 及气体的供给比较容易。
(2)不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体；能处 理粉末状底物；即使应用细粒子的催化剂（固定化 酶），压力降也不会很高。
2.1 酶反应器的分类 --流化床
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。
2.1 酶反应器的分类 --填充床
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： （1）产物分离方便，可作连续化生产； （2）单位体积反应床的固定化酶密度大，
生物催化工程
研究生课程（2015-2016) 王永泽
生物催化反应器
生物反应器概述 酶反应器 发酵（细胞）反应器 污水处理的反应器（厌氧） 污水处理的反应器（好氧）
第一节 生物反应器概述
Air heat
Raw materials
process
Bioreactor
Downstream
连续操作的反应器
全混式反应器 （CSTR）
填充床反应器 管式反应器 膜反应器
搅拌罐反应器
非理想反应器
1.2 生物反应器的分类 --综合
操作方式
催化剂的回收 传质（液体混合）
•结构特征分类
管式wk.baidu.com应器
搅拌罐STR
固定床
1.3 生物反应器开发的趋势和未来方向
（1）开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占 主要地位。
可以提高催化反应的速度。
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。 （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 （4）底物和产物会产生轴向浓度分布。
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）搅拌罐(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）。