《第八章酶反应器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章酶反应器.ppt（35页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第八章 酶反应器,用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。,第一节 酶反应器的类型,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,一、搅拌罐式反应器由反应罐、搅拌器和保温装置组成。1、分批搅拌罐式反应器,优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀，传质阻力小，反应较完全，反应条件易于调节控
2、制。,缺点：用于游离酶，酶难以回收。用于固定化酶，反应器利用率较低，而且可能对固定化酶的结构造成破坏。,2、连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。,底物溶液进口,反应液出口,优点：设备简单，操作方便，反应条件易于调节控制，底物与固定化酶接触较好，传质阻力低，反应器利用率较高。需注意控制好搅拌速度。,底物溶液进口,反应产物出口,固定化酶,二、填充床式反应器,把催化剂填充在填充床（固定床）中的反应器叫做填充床型反应器。,三、流化床反应器,固定化酶,反应产物出口,底物溶液进口,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
3、速度。,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。目前，流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白质。,反应液出口,排气口,进气口,底物溶液进口,空气分布器,可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。,可以用于连续反应，也可用于分批反应。结构简单、操作方便，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
4、反应器。,四、鼓泡式反应器,五、膜反应器,将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。,中空纤维反应器,优：集反应与分离于一体，利于连续化生产。缺：经过长时间使用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，造成膜透过性降低，而且清洗困难。,游离酶膜反应器,优点：酶可以回收循环使用，可以降低甚至消除产物引起的抑制作用（产物连续排出）。缺点：酶和杂质易于吸附在膜上，从而影响分离速度和分离效果。,六、喷射式反应器,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。适用于耐高温游离酶的连续催化反应。,一、根据酶的应用形式选择反应器（一）游离酶反应器
5、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,第二节 酶反应器的选择,（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。有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器。平板状、直管状、螺旋管状固定化酶一般采用膜反应器。,二、根据酶反应动力学
6、性质选择反应器,底物、酶、产物以及酶催化作用的温度条件酶与底物结合搅拌罐式反应器、流化床式反应器高浓度底物抑制流加分批搅拌罐式反应器、游离酶膜反应器、流化床式反应器、填充床式反应器、膜反应器。反馈抑制膜反应器、填充床式反应器耐高温喷射式反应器,三、根据底物或产物的理化性质选择反应器,分子量、溶解度、黏度底物或产物分子量较大时，一般不采用膜反应器。底物或产物溶解度低、黏度较高时，应选择搅拌罐式反应器或流化床式反应器，而不应采用填充床式反应器和膜反应器。底物为气体时，通常采用鼓泡式反应器需要小分子物质作为辅酶的酶催化反应，通常不用膜反应器反应器应能适用于多种酶的催化反应，能够满足催化反应的各种条件
7、，并可进行调节反应器应结构简单，操作方便，易于维护和清洗反应器应制造成本及运行成本低,第三节 酶反应器的设计,一、确定酶反应器的类型二、确定酶反应器的制造材料三、进行热量衡算根据热水的温度和使用量计算。,四、进行物料衡算,（一）酶反应动力学参数的确定底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH值、激活剂浓度,（二）计算底物用量,P（kg/年）=Pd（kg/d）300 分批反应器=Ph（kg/h）300 24 连续反应器,产物转化率：YP/S=P/S P生成的产物量（k g，g）S 投入的底物量（k g，g）,根据产品产量、产物转化率和收得率，计算所需底物用量。,反应副产物忽略不计，产物转化率：,YP/
8、S=,S,S0 St,=,S0,S反应前后底物浓度的变化S0反应前底物浓度（g/L）St 反应后底物浓度（g/L）产物转化率与反应条件、反应器性能和操作工艺有关。,S0,收得率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。,R=,分离得到的产物量,反应生成的产物量的,收得率主要取决于分离纯化技术及其工艺条件。,底物用量：,S=,P,YP/S R,（kg）,S所需的底物用量（k g，g）P反应产物的产量（k g，g）YP/S 产物转化率（%）R产物收得率（%）,分批反应器常采用日产量Pd，连续反应器一般采用时产量Ph,（三）计算反应液总体积,Vt=,S,S,（L）,Vt反应液总体积（L）S底
9、物用量（L）S反应前底物浓度（g/L）,（四）计算酶用量,E=E.Vt（U）,E所需的酶量（U）E酶浓度（U/L）Vt 反应液体积（L）,（五）计算反应器数目,一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%80%。,N=,Vd,V0,t,24,N反应器数目（个）Vd每天获得的反应液总体积（L/d）V0 单个反应器的有效体积（L）t 底物在反应器中的停留时间（h）,对于分批反应器，可以根据每天获得的反应液的总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算所需反应器数目。,（个）,对于连续反应器，可以根据每小时获得的反应液的总体积、反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算反应器数目
10、。,N=,Vh,V0,t,（个）,N反应器数目（个）Vh每小时获得的反应液总体积（L/d）V0 单个反应器的有效体积（L）t 底物在反应器中的停留时间（h）,连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。反应器的生产强度指反应器每小时每升反应液所产生的产物克数。,Qp=,Ph,V0,=,V0,Vh.P,（g/L.h）,Qp反应器的生产强度（g/L.h）Ph 每小时获得的产物量（g/h）V0 每个反应器的有效体积（L）Vh 每小时获得的反应液体积（L/h）P 产物浓度（g/L）,N=,（个）,Qp,t,P,N反应器数目（个）P反应液总中所含的产物浓度（g/L）t 底物在反应器中的停留时间（h）,
11、连续反应器的数目与反应器的生产强度的关系如下：,第四节 酶反应器的操作,一、酶反应器操作条件的确定及其调控1、反应温度的确定与调节控制根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度。夹套、列管等换热装置。水或蒸汽2、pH值的确定与调节控制,3、底物浓度的确定与调节控制通常底物浓度在510Km4、酶浓度的确定与调节控制综合考虑速度、成本，确定一个适宜的酶浓度。连续固定化酶反应器应具备添加或更换酶的装置，而且要求这些装置的结构简单、操作容易。,5、搅拌速度的确定与调节控制6、流动速度的确定与调节控制控制流动速度和流动状态（流体速度、流量、进液管的方向和排布），并根据变化的情况进行适当的调节。酶与底物混合、酶、生产效率,二、酶反应器操作的注意事项,1、保持酶反应器的操作稳定性搅拌速度、流速、反应温度、反应液pH值2、防止酶变性失活温度、pH值、重金属离子、剪切力3、防止微生物污染一般不必在严格的无菌条件下进行操作，但必须符合必要的卫生条件。,EndThanks!,
