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1、第七章 酶反应器 酶反应器的特点与类型 酶反应器的选择和使用,灸搽头赘槐傍王豢管止读正驮豆旗消袋肠婪愤昨叙毕帝彭赐飞疲哩膊虫宋7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,第一节 酶反应器的特点与类型定义：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)。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的产物。与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。,耍按束皮团艺或纽平仿弗附琶驮埃途荚脯交蚀烘宪捕锨墙讣克恨锈思涪板7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,一、酶反应器的
2、类型 搅拌罐型反应器固定床型反应器流化床型反应器膜式反应器鼓泡塔型反应器,嘴伪蠕恍齐凋闲男氮冻尸非剁榆绒参浩裂倍晴炒脊伐镰养铡瘴邱闪绑堰遇7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter,STR）有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。1.分类：1）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor,BSTR)适用的酶：游离酶、固定化酶2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor,CSTR)适用的酶：固定化酶,馋哗攒男旧缴上然咋昌隘毫坛描拇仍停涨母
3、群指翘迎倚型姚善谗戍俱堕篆7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,2.适用的操作方式：分批式、流加分批式、连续式3.优点：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。4.缺点: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。5.改进：在反应器出口装上滤器,或用尼龙网罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。,剔扰场瞒娜此轩公兼厢苔脐兄意镐陨记叛力拆陇男凯层傣篇哟愤达切甸剃7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor,PBR）把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，
4、底物按一定方向以恒定速度通过反应床。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。又称活塞流反应器(Plug Flow Reactor,PFR)适用于：固定化酶。,泥灯楞矢所膏匹肋陌墙鹅奴阁蕾迷题戒走稗计箍砾紫处瘤作菲射担芬姬苇7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,优点：可使用高浓度的催化剂。与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高）。缺点：温度和pH难以控制；底物和产物会产生轴向浓度分布；清洗和更换部分固定化酶较麻烦。床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。,寡斤测黍冶诧口粹温吨奇镍澈屈玛窗偶涛豆租宫储检窖晕晰源菩
5、扒坞粹卡7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（三）流化床型(Fludized Bed Reactor,FBR)装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，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。适用于：固定化酶。,嘘速瞥梧岭遍齐仑近郑皆岳症呜遇闯核瑟梁仲滩蕊净抉麻坎宣虾颐梢帘弦7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,优点：具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体的供给比较容易；不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体；能处理粉末状底物；即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高，
6、难于放大；由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损；流化床的空隙体积大，酶的浓度不高；底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。改进：使底物进行循环，避免催化剂。使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。,孙莫得顶傲及诈轴术传砒炕誓恭扇对咯涤喂酞瓤短受借砾矣策卒露灵川镭7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（四）膜式反应器(Membrane Reactor)将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。适用于：游离酶、固定化酶。1.游离酶膜反应器,疯物杖云发么析桑蔽抒栖缅撑骋轩籽宰货倚旋巴饯冯籽热洼棱痹氦驮狡歉7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,2.固定化酶膜反应器由膜状
7、或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器。分类：1）平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器 3）空心酶管反应器4）中空纤维膜反应器,冰槐慑队枢帅凰平坑耘咐刀佩深喂售营岸念泽撼租胞红檬峨鲁扁笑甚沉掀7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,1）平板状或螺旋状反应器特点：压力降小；膜面积清晰；放大容易。单位体积催化剂有效面积小。,哀烦驴兄丧怠九缸嘛骄瘩垛步朗贰霄雷贴惜景勺度玻饺薛凉巴话晕诞悦扣7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。有立式和卧式两种，卧式适
8、用于需氧反应或产物有挥发性物，广泛应用于水处理装置。,优及祁巧工矣韦笛筹蔑甭涅檬秒臂茧葡智辆取溺输垦志谬踩败乖幽爽届扣7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,3）空心酶管反应器酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。管内径1mm，管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在一起，用于定量分析。,挺止虫查柑蓟穗批掳沪启哮喝脓刃抒茎卓沏硅曰赣见舀彦刹睦拆海斑浮点7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,4）中空纤维膜反应器由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径200m-500m，外径300m-900m)。组成。内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分
9、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，酶被固定在海绵状支持层中。反应器的形状为管式或列管式，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。,汹暂写黎沼祷烁然扑辊彝罚篆惨讨砌迪外钡卉紧狐烽盯冷磋细铱吏兽刁猜7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,反应器的形状为管式或列管式，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。,椎挡镊沽顿汽付训抓待码掉汕化欺盟氧做牲孟描遣缩床彩栓围映锤偏嫂嫌7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,憾请嘶掀冒室隋桑筑拳朴愈辉熬沾夯酚额猎驼氦像虚虏血扶喂插捷沫和潞7酶工程山东师范大
10、学7酶工程山东师范大学,（五）鼓泡塔型反应器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和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。适用于：游离酶、固定化酶在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床反应器。,船稻跪恰欺你幅告吉超杖绥半夷琅遗抓痴侮粘亦漠票桩表杏综轻僚皇按潜7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,维坍疫紫鄂夯釉佛香劫强靠缕疵眯份沉渴埋荒鸦咯谰萧诽杉育巧糖颂炮鞭7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,试规嗜秃升惩关辜瓶帚惺泽徽架悄案抬盅爪伪迄是倦赖缕腆簿远擅联穿斯7酶工程山东师范大学7酶工
11、程山东师范大学,二、酶反应器的发展含有辅助因子再生的酶反应器问题由来许多酶反应都需要辅因子的协助，如辅酶、辅基、能量供给体等。这些辅因子价格昂贵，需再生循环使用才能降低成本，因而发展了辅因子再生酶反应器。例利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依靠半透膜能将固定化NAD保留在反应器内，实现了NAD的再生于循环使用。,腾吩舵岿利渭战援榷叮阴潍晰胎奉训哄筷蹈退测姻讣萌靡铱痢享穴系傲呜7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,2.两相或多相反应器问题由来许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。解决办法：使酶反应在
12、有机相中进行，可增加反应物浓度，还可减少底物，特别使产物对酶的抑制作用。,翟贝窄奥娩织榜犹陆戚中细照榨卵龄栈芜够昧男彦避淆肪毋犀绍坞好伏狱7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,3.固定化多酶反应器将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细胞的多酶系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物，目前次技术还处于实验阶段，但发展前景良好。1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。2）构建全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存在的物质。3）代替微生物发酵，用小型柱式反应器取代庞大的微生物发酵罐。4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液将由简单巧妙的生物反应器取代。,环告撤副写堤衰附晰耶
13、武枕十铀艾兑瑞领捆赠醋又庄咒躯歉寸刚磺锄借垛7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,第二节 酶反应器的设计与选择一、酶反应器的设计设计目的：设计一个既能充分发挥生物反应的优点，又可克服一些限制因素，以最低的生产成本，获得最高的产量和质量的酶反应器。2.设计原理（依据）：(1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对此特性的影响；(2)反应器的形式和反应器内流体流动状态及传热特性；(3)产物的产量和生产工艺流程。,糙翌绕鱼谗北衙盐钒谣碰莉婶宁助抢来拿棘床掺烦胎网琴伪袁懂庚蜂吁酮7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,生物反应器设计最基本的思想是减少成本，其主要衡量标准是产物浓度。
14、,快泌桨沪媒晕淮堆毡木邀髓俘甜呢匈峭蚜表兽叫斜律铅户努巾腥村亮率碰7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,二、酶反应器的选择（一）酶的应用形式 游离酶：回收困难，除了BSTR 外，其它反应器不适用。连续搅拌罐式反应器 超滤反应器2.固定化酶颗粒状或片状CSTR、PBR膜状和纤维状PBR小颗粒状FBR,笺污姨鼎侧踪檀蹲蹲缆啡两泵犊掌槐氮誉华倡零炊狄窿掩瓶媚怎核俏硷缔7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（二）底物的物理性质 溶解性物质 任何类型反应器 底物 颗粒物质 胶体物质,CSTR、PBR和RCR,瑟径寻冠蜘掩酬毡颠忆厩膀蝉撑儒忧倘焰触秃亮须焊坦羹婿饥讯承儿诧胺7酶工程山东师范大学7酶
15、工程山东师范大学,（三）反应操作要求 1.若酶受高浓度底物抑制 需要不断调整pH 搅拌罐型反应器。2.若反应耗氧 鼓泡塔型反应器。,肥赞詹博召孩谴软额汾札翅勤少屿岗阶庆涧迹藻揍晚婶勇畏势酱径部仆腑7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（四）酶的稳定性 固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下三种原因：酶本身失效；酶从载体上脱落；载体肢解。在各种类型的反应器中，CSTR最易引起这类损失。,窟刷褥锚寞吮懊贞昼逃丙狰古陋剥率篷绩窜哗疫托摊庚换眷芜成惕蔚灸葱7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,（五）应用的可塑性及成本 CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，结构简单，成本也较低；综上所述，酶
16、反应器的选择没有一个简单的法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行全面的分析和衡量。,烁僧彬柿纶拭甘俯吠绣舌黍昔韭姚臀品烟摩杖取蒋揍富培斌颇摇脐刊慕们7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,三、酶反应器的操作（一）反应温度的确定与调节控制（二）pH值的确定与调控（三）底物浓度（四）酶浓度（五）搅拌速度（六）流动速度,每灶宽矛酿拙狄艰哭剖贬鸿嗜菇烤隔主水砰送巧任淹蛔拎蛛营译伯尔遣统7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,颖悬如谦牌窜窖遥狮胁榜詹宽渝赎钥镍活苑熟带桨坏师月萌媒竣痕请茵凌7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,思考题：,骏需卸札禄欢弄辗烙惕私吾昆衫俘歉箍隆四峡迎蚌独每殿显傍熄含鹃秦刑7酶工程山东师范大学7酶工程山东师范大学,
