酶反應器概述用于酶進行催化反應的容器及其附屬設備，稱為酶反應器（enzymereactor）功能：提供酶催化反應的場所，并提供合適的反應條件酶反應器消毒原料預處理產物分離提純生物催化劑(酶、細胞)除菌能量熱量產品空氣過程調控酶催化反應過程示意圖現在是1頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的基本要求評價生物反應器的主要標準生產能力的大小產品質量的高低

——使產品的質量最高，生產成本最低！生物反應器生物催化劑應應具有較高的比活和濃度，以達到最大轉化率能用電腦自動檢測和調控，從而獲得最佳的反應條件應具有良好的傳質和混合性能應具有最佳的無菌條件，避免受到雜菌污染現在是2頁\一共有42頁\編輯于星期二一、酶反應器的類型按結構區分攪拌罐式反應器填充床式反應器流化床式反應器膜反應器鼓泡式反應器按操作方式區分分批式反應連續式反應流加分批式反應(結構+操作方式連續攪拌罐反應器分批攪拌罐反應器酶反應器分類現在是3頁\一共有42頁\編輯于星期二1、攪拌罐式反應器一種傳統形式的酶反應器，最常用。結構組成：容器、攪拌器及熱交換裝置，有時在容器壁上加裝擋板。按操作方式分為：分批攪拌罐反應器(BatchStirredTankReactor,BSTR)適用于游離酶、固定化酶連續攪拌罐反應器(ContinuousStirredTankReactor,CSTR)僅適用于固定化酶現在是4頁\一共有42頁\編輯于星期二優點：結構簡單，易操作，酶與底物混合充分均勻，傳質阻力小，反應條件易控制，能處理膠體狀底物、不溶性底物。

缺點：反應效率低，攪拌動力消耗大，固定化載體易被破壞，離心或過濾回收固定化酶過程中易造成酶的失活損失。發展與改進：在反應器出口裝上濾器,或用尼龍網罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶，或多個攪拌罐串聯。現在是5頁\一共有42頁\編輯于星期二2、填充床式反應器PackedBedReactor,PBR，又稱固定床反應器，是固定化酶常用的一種反應器。目前工業生產及研究中應用最為普遍的反應器。結構：將把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床（填充床，可直立或平放）內，底物按一定方向以恒定流速通過床層，反應后，產物以同樣恒定的流速流出操作特點：底物按一定方向以恒定速度通過固定化酶床層，通過底物溶液的流動實現物質的傳遞與混合。現在是6頁\一共有42頁\編輯于星期二2、填充床式反應器適用性：僅適用于固定化酶優點：單位體積催化劑負載量高，催化效率高；構造簡單，因而容易工程放大；剪切力小，故適用于容易磨損的固定化生物催化劑：床層內的流動接近“平推流”，沿流動方向，底物和產物濃度是逐漸變化的，但在理想情況下，同一橫截面上濃度是相同的；減少產物的抑制作用。缺點：溫度和pH難以控制；清洗和更換部分固定化酶較麻煩；床內有自壓縮傾向，易堵塞；床內壓力降大，底物必須在加壓下才能進入。改進：在固定床中間用托板分隔，減少底層固定化酶所受壓力現在是7頁\一共有42頁\編輯于星期二3、流化床反應器結構：流化床反應器（FluidizedBedReactor,FBR）是一種適用于固定化酶進行連續催化反應的反應器，反應器形狀可為柱形或錐形等。操作特點：底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態下進行反應。注意控制反應液的流動速度。適用性：固定化酶現在是8頁\一共有42頁\編輯于星期二3、流化床反應器優點：具有良好的傳質及傳熱性能，pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；不易堵塞，可適用于處理粘度高的液體；能處理粉末狀底物；即使細小顆粒的固定化酶，壓力也不會很高。缺點：需保持一定的流速，運轉成本高；由于顆粒酶處于流動狀態，易導致粒子的機械破損；由于流化床的空隙體積大，酶的濃度不高；流體動力學變化大，參數復雜，難于放大。現在是9頁\一共有42頁\編輯于星期二4、鼓泡式反應器結構：與流化床反應器類似，底部有氣體分散板或其它形式的氣體分散裝置。操作：利用反應器底部通入的氣體產生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用的反應器，無攪拌器，靠氣流作用攪拌應用：適用于游離/固定化酶（細胞），適用于有氣體吸收或產生的生物反應。現在是10頁\一共有42頁\編輯于星期二鼓泡式反應器的特點氣－液－固三相系統，涉及氣體吸收或產生的反應，采用此類型反應器效果較好氣－液傳質、傳熱效果好可用于連續反應，也可用于分批反應剪切力小，對結構較脆弱的細胞和固定化載體有利單位體積內催化劑密度低4、鼓泡式反應器現在是11頁\一共有42頁\編輯于星期二5、膜反應器結構：主要由酶反應裝置和膜分離組件構成，將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應器。根據適用性對象分為：游離酶膜反應器固定化酶膜反應器現在是12頁\一共有42頁\編輯于星期二膜反應器的特點游離酶和固定化酶均適用催化劑（酶、細胞）與底物、產物分離容易可作用于膠態或不溶性底物，特別是產物對酶有抑制作用時酶易在膜上吸附損失或濃縮極化膜會因為污染或微孔堵塞而導致工作能力下降放大成本高昂5、膜反應器現在是13頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的類型膜反應器——超濾酶膜反應器

將超濾膜分離器與連續攪拌式反應器（CSTR）偶聯，將酶和小分子底物/產物通過超濾分離，由于酶分子量大，不能透過超濾膜而被截留，可循環使用。透過超濾膜的產物和部分未反應完全的底物再進入下一工序進行分離。現在是14頁\一共有42頁\編輯于星期二優點：酶可重復利用，特別適用于價格較高的酶。可用于膠態或不溶性底物，特別適用于有產物抑制的場合；缺點：酶的長期操作穩定性差，且酶易在膜上吸附損失。現在是15頁\一共有42頁\編輯于星期二6.噴射式反應器特點：利用高壓蒸汽的噴射作用，實現酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應的反應器。噴射式反應器結構簡單、體積小，混合均勻，由于溫度高，催化反應速度快，催化效率高，可在短時間內完成催化反應。適用于：高溫游離酶，如高溫淀粉酶。現在是16頁\一共有42頁\編輯于星期二反應器類型適用操作方式適用的酶優、缺點攪拌罐式反應器分批式,流加分批式連續式,游離酶固定化酶反應比較完全，反應條件容易調節控制。填充床式反應器連續式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業生產中普遍使用。流化床反應器分批式流加分批式連續式固定化酶流化床反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和pH值的調節控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應液也可進行催化反應。鼓泡式反應器分批式流加分批式連續式游離酶固定化酶鼓泡式反應器的結構簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應。膜反應器連續式游離酶固定化酶結構緊湊、集反應和分離于一體；清洗比較困難噴射式反應器連續式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應，適用于某些耐高溫酶的反應現在是17頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的選擇依據酶的應用形式游離酶固定化酶根據酶反應動力學性質根據底物/產物的物理性質其他考慮因素反應操作要求應用的可塑性及成本二、酶反應器的選擇現在是18頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的選擇——酶的應用形式游離酶適用的反應器特點：均相反應常用：攪拌罐式反應器有氣體參與：鼓泡式反應器昂貴的酶：酶膜反應器——酶回收較容易耐高溫酶：噴射式反應器現在是19頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的選擇——酶的應用形式固定化酶適用的反應器特點：非均相反應，多采用連續式操作影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩定性顆粒狀固定化酶/細胞攪拌罐式反應器——槳葉剪切力大，對顆粒有機械強度要求填充床式反應器——顆粒堆積密度大；床層壓降大流化床式反應器——混合效果好；動力消耗大；有機械強度要求鼓泡式反應器——即“三相流化床”非顆粒狀固定化酶/細胞——膜反應器現在是20頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的選擇——依據酶反應動力學性質影響因素：1)酶與底物的混合程度要使酶與底物有效結合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞混合效果好攪拌罐式反應器流化床式反應器鼓泡式反應器混合效果較差填充床式反應器膜反應器改善混合特性——輔助攪拌現在是21頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的選擇——依據酶反應動力學性質影響因素：2)底物濃度及其抑制作用底物的濃度受其對酶抑制情況的制約防止底物濃度過高游離酶酶膜反應器連續式操作攪拌罐式反應器流加式操作/連續式操作固定化酶攪拌罐式反應器填充床式反應器流化床式反應器酶膜反應器連續操作現在是22頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的選擇——依據酶反應動力學性質影響因素：3)產物濃度及其抑制作用產物的過度積累造成抑制設法將產物移出反應器游離酶——酶膜反應器固定化酶——酶膜反應器、填充床式反應器影響因素：4)酶反應溫度耐高溫酶噴射式反應器優點：加速反應，縮短反應時間，催化效率高現在是23頁\一共有42頁\編輯于星期二3、底物和產物的理化性質：溶解性底物或產物：顯然對任何類型的反應器都不會造成困難。顆粒狀和膠體狀底物：往往會堵塞填充床，應采用攪拌罐或流化床型反應器。因高的攪拌速度，高的流速可減少底物顆粒的集結、沉積與堵塞，使底物保持懸浮狀態。反應底物或產物有氣體時：常用鼓泡式反應器4．反應操作要求現在是24頁\一共有42頁\編輯于星期二5、應用的可塑性及成本：CSTR類型的反應器一般來說應用的可塑性較大，且由于結構簡單，制造成本也較低。反應器也應具有再生、添加或更換酶的結構，且越容易越好，另外，必須具備容易清洗的結構。在考慮成本時，除反應器造價外，還需將酶本身的價值及其在各種反應器中的穩定性考慮在內。現在是25頁\一共有42頁\編輯于星期二三、酶反應器的設計目的：設計出生產成本最低，產品的產量和質量最高的酶反應器。設計依據：酶促反應動力學以及溫度、壓力、pH等操作參數對反應特性的影響；反應器的型式和反應器內流體流動狀態及傳熱特性；需要的生產量及生產工藝流程。現在是26頁\一共有42頁\編輯于星期二設計過程1、確定酶反應器的類型2、確定反應器的制造材料3、進行熱量衡算4、進行物料衡算現在是27頁\一共有42頁\編輯于星期二1、確定酶反應器的類型根據酶、底物和產物的性質，按照上一節所述的選擇原則，選擇并確定反應器的類型。2、確定反應器的制造材料酶催化反應通常在常溫、常壓、pH近乎中性的環境中進行反應，所以酶反應器的設計對制造材料制造反應容器即可。沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼現在是28頁\一共有42頁\編輯于星期二3、進行熱量衡算酶催化反應一般在30～70℃的常溫條件下進行，熱量衡算較簡單溫度的調節控制通常采用一定溫度的水通過夾套（或列管）加熱或冷卻方式，熱量衡算是根據水的溫度和使用量計算。對于某些耐高溫的酶，例如高溫淀粉酶，可以采用噴射式反應器，熱量衡算時，根據所使用的水蒸氣熱焓和用量進行計算。現在是29頁\一共有42頁\編輯于星期二4、物料衡算

——直接決定了產量和產率(1)確定酶反應動力學參數(2)計算底物用量(3)計算反應液總體積(4)計算酶用量(5)計算反應器數目現在是30頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的設計——物料衡算(1)確定酶反應動力學參數底物濃度通過米氏方程定量注意底物抑制情況酶濃度考慮生產成本問題，不宜使用過多的酶溫度、pH值采用最適值或在其附近激活劑、抑制劑激活/抑制動力學現在是31頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的設計——物料衡算(2)計算底物用量產量：以“年產量Py（kg/y）”表示分批式：“日產量Pd（kg/d）”連續式：“每小時產量Ph（kg/h）”產物轉化率YP/S：產物生成量P(kg)與投入底物量S(kg)之比[S0]——

反應前的底物濃度，g·L-1[St]——

反應后的底物濃度，g·L-1現在是32頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的設計——物料衡算(2)計算底物用量收率R：分離得到產物量Psep

和反應生成產物量Pform

之比底物用量S：由產量P、轉化率YP/S

和收率R

計算得到注意：Py、Pd、Ph

和P

的單位是不同的現在是33頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的設計——物料衡算(3)計算反應液總體積反應液總體積Vt

由底物用量及其初始濃度計算(4)計算酶的用量所需酶量E

為酶濃度[E]與反應液體積Vt

的乘積注意1：酶的用量以活力單位U

表示注意2：一般從經濟角度來考慮酶的用量現在是34頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的設計——物料衡算(5)計算反應器數目反應器的有效體積V0單個反應器可容納反應液的最大體積，一般為總體積的70～80%反應器的生產強度QP（連續式）反應器在單位時間內，單位體積反應液所生產的產物的質量，一般以g·L-1·h-1

為單位Ph——每小時獲得的產物量，g·h-1Vh——每小時獲得的反應液體積，L·h-1現在是35頁\一共有42頁\編輯于星期二酶反應器的設計——物料衡算(5)計算反應器數目對于分批式反應器，用每天獲得的反應液總體積Vd

表示：對于連續式反應器，用每小時獲得的反應液總體積Vh

表示：或用生產強度QP

計算：現在是36頁\一共有42頁\編輯于星期二四、酶反應器的操作實現酶反應的高效進行，必須考慮以下三方面：選擇恰當的酶（高質量）應用形式；選擇和設計合適的酶反應器；確定合理的反應操作條件。酶反應器的操作中，應注意如下幾方面：控制酶反應器中流體的流動狀態；維持酶反應器的恒定生產能力；保持酶反應器的穩定；防止酶反應器的污染。現在是37頁\一共有42頁\編輯于星期二1、流體流動狀態的控制反應器中流動方式的改變造成的不良影響：使酶與底物的接觸不良，造成反應器生產能力下降；造成返混程度的變化，可能發生程度不同的反應或使所需產物發生進一步反應及副反應。現在是3