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1、Chapter 9Reactors for enzymatic catalysis酶反应器,酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备,酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。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。,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）。,酶催化反应过程示意图,过程调控,生物反应器,消毒,原料预处理,产物分离提纯,产品,生物催化剂制备,空气,除菌,能量,热量,1、一个优良的生物反
2、应器应具备的条件：,严密的结构良好的液体混合性能高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表,生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低。评价生物反应器的主要标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。,(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力下降。,(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），才能得到较大的产品转化率。,(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。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。,第一节 酶反应器类型,按结构区分搅拌罐式反应器（Stirred T
3、ank 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)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),（一）搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor,STR）有搅拌装置的、罐式反应器，是传统形式的反应器。反应罐+搅拌器+保温装置 适用的操作方式：分批式、流加分批式、连续式,1、分类：
4、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,反应罐,搅拌器,保温装置或内置,优点：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。缺点：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）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor,CSTR)适用的酶：固定化酶,特点：反应器设备简单、操作容易，酶与底物混合较均匀，传质阻力小。反应器利用率比较高。,注意：控制好搅拌速度，以免剪切力破坏酶结构。,2.优点
5、：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。3.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。4.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。,溶液中连续流加酶,使用多孔膜使酶在溶液中滞留,出口处用筛网罩住,酶被固定在搅拌轴上的容器内,溶液快速循环通过固定化酶柱,（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，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，
6、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。,优点：设备简单，操作方面。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。固定化酶易变形或破碎。,（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，使固定化酶颗粒在悬浮翻动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间
7、。适用于：固定化酶。,注意：控制流速固定化酶的颗粒不应过大,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，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，避免催化剂损伤。使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。,（四）鼓泡塔型反应器(Bubble Column Reactor,BCR)利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上
8、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。,无搅拌装置,优点：结构简单，操作容易，剪切力小，物质与热量的传递效率高。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。缺点：反应器很高，要在室外安装，而且压缩空气要有较高压力。适用于培养液黏度小，含固量少的生物催化过程。,（五）膜反应器,结构组成：主要由酶反应装置和膜分离组件构成，将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成 的反应器。根据适用性对象分为：游离酶膜反应器固定化酶膜反应器,（
9、1）游离酶膜反应器,优点：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，且酶易在膜上吸附损失，或发生浓差极化现象。,（2）固定化酶膜反应器,结构组成：由膜状或板状固定化酶组装的反应器。根据固定化酶膜的形状可分为：平板状或螺旋状反应器转盘型反应器空心酶管中空纤维膜反应器,A、平板型或螺旋卷型反应器特点：压力降小；膜面积清晰；单位体积催化剂有效面积小。,B、空心酶管反应器结构：将酶固定在细管的内壁上，管内径在1mm左右。操作特性：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：除工业上应用外，
10、更多的则是与自动分析仪组装在一起，用于定量分析。,C、转盘型固定化酶反应器结构：凝胶包埋的固定化酶成型为圆盘状或叶片状薄板，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。,D、中空纤维膜反应器,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。反应器的形状为管式或列管式，通过正常超滤程序将底物压过内壁与海绵状介质上的酶起反应。,特点：可承
11、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。,（六）喷射式反应器（Jet Reactor）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一种反应器,适合于游离酶的连续催化，只适合于某些耐高温的反应。,各种酶反应器的特点,7.2 酶反应器的选型与设计,理想的酶反应器的要求：评价标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。,(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度，才能得到较大的产品转化率。,(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳反应条件。,(3)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。传质阻力是限制反应速度的主要因素,(4)应具有最
12、佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。,一、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：酶的形式(游离/固定化.)固定化酶的形状、大小、机械强度酶的稳定性酶反应动力学性质底物和产物的理化性质应用的可塑性及成本,一、酶反应器的选择,1、酶的应用形式：游离酶：可根据具体情况选择BSTR、鼓泡式反应器、膜反应器、喷射式反应器；固定化酶：可根据具体情况选择CSTR、填充床反应器、流化床反应器、膜反应器、鼓泡式反应器。,一、酶反应器的选择,2、固定化酶的形状、大小、机械强度：形状：主要有粒状、膜状和纤维状。粒状的，可采用搅拌罐、固定床、流化床和鼓泡塔；对于膜状
13、催化剂，则考虑采用膜反应器。颗粒大小颗粒细小的粒状酶不宜采用固定床，宜采用流化床。机械强度包埋法制备的固定化酶机械强度较差，对搅拌罐来说，要防止搅拌桨叶的剪切力对其造成的损伤；对固定床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适当隔开。,一、酶反应器的选择,3、酶的稳定性：考虑到酶的失效，在相似的条件下，PBR优于CSTR，即酶失效速度较低。CSTR一般远比其他反应器更易引起酶从载体上的脱落，或使酶颗粒变细，最后从反应器流失。,一、酶反应器的选择,4、酶的反应动力学性质：混合效果越好，反应效率越高：STR、FBR混合效果较好，膜反应器可采用辅助搅拌以提高混合效果底物浓度的高低：通常情况下，底物浓度越
14、高，反应速度越快；当有高浓度底物抑制作用时，游离酶宜采用流加分批搅拌罐反应器、膜反应器固定化酶可采用CSTR、PBR、FBR、MR产物对反应有反馈抑制作用：最好采用MR其他条件的影响：耐受高温的酶最好用喷射式反应器,一、酶反应器的选择,5、底物和产物的理化性质：溶解性底物或产物：显然对任何类型的反应器都不会造成困难。颗粒状和胶体状底物：往往会堵塞填充床，应采用搅拌罐或流化床型反应器。因高的搅拌速度，高的流速可减少底物颗粒的集结、沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。反应底物有气体时：常用鼓泡式反应器,分子量较大的底物：一般不采用膜反应器或者固定化酶适用的反应器。辅酶参加的反应：一般不采用膜反应器。,
15、一、酶反应器的选择,6、应用的可塑性及成本：CSTR类型的反应器一般来说应用的可塑性较大，且由于结构简单，制造成本也较低。反应器也应具有再生、添加或更换酶的结构，且越容易越好，另外，必须具备容易清洗的结构。在考虑成本时，除反应器造价外，还需将酶本身的价值及其在各种反应器中的稳定性考虑在内。,二、酶反应器的设计,目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反应器。设计依据：酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影响；反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性；需要的生产量及生产工艺流程。,二、酶反应器的设计,设计过程 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3
16、、进行热量衡算 4、进行物料衡算,二、酶反应器的设计,1、确定酶反应器的类型根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。2、确定反应器的制造材料酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。,二、酶反应器的设计,3、进行热量衡算酶催化反应一般在3070的常温条件下进行，热量衡算较简单温度的调节控制通常采用一定温度的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，热量衡算是根据水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热
17、焓和用量进行计算。,二、酶反应器的设计,4、进行物料衡算生产强度：反应器每小时每升反应液所生产的产物克数,反应器设计的首要目的是使反应器具有高的生产强度。影响因素：酶的活性、浓度、反应器特性及操作方法等。其中酶的活性和浓度最为重要。控制反应条件以保持酶的高活性；反应器中也可使用高浓度的酶，但并非越高越好，过高会造成浪费。,二、酶反应器的设计,4、进行物料衡算酶反应动力学参数：考虑产品产量、质量和成本，试验确定最适底物浓度、酶浓度、温度、pH等条件底物用量：根据所需产量、产物转化率、得率计算,反应液体积：根据底物用量和最适底物浓度计算,二、酶反应器的设计,反应器数目：分批反应器连续式反应器,4、
18、进行物料衡算酶用量：根据最适酶浓度和反应液总体积计算,Eg：设计任务书,项目名称：年产一万吨葡萄糖车间糖化酶反应器的设计设计要求：产品产量：葡萄糖1万吨/年产品质量：达到国家标准原料：可溶性淀粉（淀粉经-淀粉酶液化而成）淀粉葡萄糖转化率：95%葡萄糖收得率：98%糖化周期：48小时,7.3 酶反应器的操作,实现酶反应的高效进行，必须考虑以下三方面：选择恰当的酶（高质量）应用形式；选择和设计合适的酶反应器；确定合理的反应操作条件。酶反应器的操作中，应注意如下几方面：控制酶反应器中流体的流动状态；维持酶反应器的恒定生产能力；保持酶反应器的稳定；防止酶反应器的污染。,一、流体流动状态的控制,反应器中
19、流动方式的改变造成的不良影响：使酶与底物的接触不良，造成反应器生产能力下降；造成返混程度的变化，可能发生程度不同的反应或使所需产物发生进一步反应及副反应。,一、流体流动状态的控制,产生原因及对策：搅拌罐型反应器原因：搅拌速度不均匀；固定化酶在出料口滤器上积聚对策：控制搅拌速度；在进、出料口各装一个滤器，在一定时间间隔后，出口滤器用进料液反冲。,一、流体流动状态的控制,产生原因及对策：填充床型反应器原因：压降不断加大，载体填充不规则及底物上柱不均匀产生沟流或部分堵塞；柱入口处沉积或者底物流量很大或使用高粘性底物时产生的内、外壅塞现象。对策：使用较大的、不可压缩的、光滑的、珠型的填充材料，均匀填充
20、及严格控制好流速；反冲洗柱床或重新装柱，间隔通上行空气流，以及对底物进行预处理可避免柱的壅塞。,二、恒定生产能力的控制,搅拌罐型反应器较易实现。填充床型反应器要维持恒定的生产能力，在操作上是不方便的，解决方法有：控制反应器的流速，应由一定时间内形成产物的量来决定；通过微机系统精确地加以控制温度。将若干使用不同时间和处于不同阶段的反应器串联或并联，并结合上述方法之一，是普遍采用的方法。采用错开起动，掌握好换柱时间，能使在预定的输出或转化水平时具有最小的流速波动，反应器可平稳工作。,三、酶反应器的稳定性,保持酶反应器的稳定性，主要是防止酶的变性或中毒失活，防止固定化酶的脱落或载体磨损造成酶的损失吸
21、附固定化酶的逐步解吸；控制操作条件加以克服有些载体或多孔玻璃会随使用时间的延长而溶解；克服办法是用金属氧化物包裹。连续搅拌罐或流化床反应器中载体磨损；一个解决的新办法是用电磁场搅拌固定化在磁性载体中的酶。,四、酶反应器的微生物污染与控制,酶反应器通常不必在完全无菌的条件下操作，但应在具备必要的卫生条件下进行操作，以下情况下尤其应加以注意：在制造食品和医药产品时，最好尽量做到无菌条件下操作。底物是微生物生长所需的营养物时，易产生微生物污染。底物在反应器中存留时间长或反应器内有易滋生菌落的滞留区或粗糙表面，也易引起污染。,四、酶反应器的微生物污染与控制,污染后果：微生物引起的柱堵塞；消耗底物或产物；产生令人厌恶的副产物；使固定化酶载体降解。,四、酶反应器的微生物污染与控制,预防措施：产物是抗生素、酒精、有机酸等时，则其本身能抑制微生物生长；向底物加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂；将底物料液预先过滤；45以上或在酸性、碱性缓冲液中操作；酶反应器在每次使用后，或在连续运转过程中周期性用适当试剂清洗处理。,
