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1、酶反应器Enzyme Reactor,酶工程原理和基本过程,Contents,酶反应器简介,酶反应器的类型及特点,酶反应器的选择,酶反应器的设计,Go,Go,Go,Go,酶反应器的操作,Go,一、酶反应器简介,游离酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必须在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。酶反应器(enzyme reactor)：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备。酶反应器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。,酶催化反应过程示意图,酶反应器,消毒,原料预处理,产物分离提纯,产品,二、酶反应器的类型
2、及特点,按形状、结构区分：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）,二、酶反应器的类型及特点,按操作方式区分：分批式反应器（batch reactor）流加分批式反应器（feeding batch reactor）连续式反应器（continuous reactor）按结构与操作方式结合区分：分批搅拌罐反应器（batch
3、stirred tank reactor，BSTR）连续搅拌罐反应器（continuous stirred tank reactor,CSTR）,有搅拌装置的罐式反应器。组成：反应罐、搅拌器和控温装置适用：游离酶、固定化酶,1.搅拌罐式反应器stirred tank reactor,STR,（1）分批搅拌罐反应器,batch stirred tank reactor,BSTR,特点：底物与酶一次性投入反应器内，反应结束后将产物一次性取出。适用：游离酶、固定化酶优点：装置简单，造价低，传热、传质阻力小，反应完全，条件易于控制。缺点：操作麻烦，游离酶难分离，固定化酶经反复回收易失活。,（2）连续搅
4、拌罐反应器,continuous flow stirred tank reactor,CSTR,特点：固定化酶与底物溶液反应达到平衡后，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。适用：固定化酶优点：结构简单，混合良好，底物与固定化酶接触好，利用效率高。缺点：连续搅拌易损坏固定化酶结构。,改进方法：反应器出口装上滤器：连续流动搅拌罐-超滤膜反应器（CSTR/UFR）用尼龙网罩住固定化酶 固定在容器壁或搅拌轴上 制成磁性固定化酶,（2）连续搅拌罐反应器,continuous flow stirred tank reactor,CSTR,连续搅拌罐-超滤反应器,在CSTR出口处设置一个
5、超滤器。为小分子产物与大分子底物的分离、底物较彻底的转化以及固定化酶的反复使用提供了可能，但酶易因循环超滤而失效损失。,CSTR/ultrafiltration reactor,CSTR/UFR,1.搅拌罐式反应器stirred tank reactor,STR,特点：将固定化酶填充于反应器内，底物按一定方向以恒定速度流过。活塞流反应器(plug flow reactor,PFR)：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。适用：固定化酶,2.填充床反应器 packed column reactor,PBR,优点：催化剂 密度大、催化效率高
6、易操作、结构简单 适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液。缺点：传质、传热系数低，温度、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麻烦 床内压力降大，底物须在加压下进入,2.填充床反应器 packed column reactor,PBR,2.填充床反应器 packed column reactor,PBR,特点：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。适用：固定化酶,3.流化床反应器 fluidized bed reactor,FBR,优点：传质、传热性能好，pH、温度控制及气体的 供给容易 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液
7、体 能处理粉末状底物 压力降小缺点：需保持一定流速，难于放大 固定化酶处于流动状态，易破损 空隙体积大，酶浓度低,3.流化床反应器fluidized bed reactor,FBR,改进方法：使用几个流化床组成的反应器组，或使用锥形流化床。底物进行循环，避免固定化酶冲出，促进底物完全转化为产物。,3.流化床反应器fluidized bed reactor,FBR,循环反应器recycle reactor,RCR,特点：把部分流出液与加料液混合，然后再令其进入反应器。优点：可提高液体的流速和减少底物向固定化酶表面传递的阻力。,特点：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
8、应底物和混和两种作用。三相流化床反应器：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 适用：游离酶、固定化酶,4.鼓泡式反应器bubble column reactor,BCR,4.鼓泡式反应器bubble column reactor,BCR,优点：结构简单，操作容易 传质、传热性能好，剪切力小 适合于需要气体参与的反应缺点：液体返混严重，气泡易聚并，效率低改进办法：锥形、多段式,污水处理,4.鼓泡式反应器bubble column reactor,BCR,特点：将酶催化反应与半透膜的分离作用相结合 适用：游离酶、固定化酶。分类：游离酶膜反应器、固定化酶膜反应器,5.膜反应器
9、membrane reactor，MR,游离酶膜反应器,特点：由膜状或板状固定化酶组装的反应器。分类：平板状或螺旋状反应器 转盘型反应器 空心酶管反应器 中空纤维膜反应器,固定化酶膜反应器,特点：放大容易；单位体积催化剂有效面积小,平板状或螺旋状反应器,有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物有挥发性物质，广泛应用于水处理装置。,转盘型反应器,特点：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。多与自动分析仪等组装，用于定量分析。,空心酶管反应器,特点：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成 内层：半透膜，可截留大分子物质而允许小分子物质通过 外层：多孔的海
10、绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 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,中空纤维反应器,6.喷射式反应器projectional reactor，PR,特点：通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应组成：喷射器、维持罐适用：耐高温游离酶优点：结构简单，催化效率高,食糖是日常生活必需品，也是食品、医药等工业原料。世界食糖的需求每年以4的速率增加，而产量每年只增加2-3，供不应求。目前各国都竞相生产高果糖浆(High Fructose Syrup，甜度为蔗糖的173.5)。在美国、日本等发达国家2/3的食糖已为高果糖浆代替。高果糖浆采
11、用固定化葡萄糖异构酶和固定化含酶菌体进行生产。,例：利用固定化酶生产高果糖浆,高果糖浆的生产工艺,葡萄糖异构酶,双酶法制糖工艺流程图,小结：各类反应器的特点,各类反应器的特点,三、酶反应器的选择,酶反应器的选择依据酶的应用形式 酶反应动力学性质底物和产物的理化性质其他,（1）游离酶：STR、MR、BCR、PR。常用STR气体参与 BCR高价酶MR耐高温酶PR,1.酶的应用形式,1.酶的应用形式,（2）固定化酶：STR、PCR、BCR、FBR、MR颗粒状STR、PCR小颗粒状FBR、BCR片状、膜状或纤维状PCR平板状、直管状、螺旋管状MR,混合效果STR、FBR 酶受高浓度底物抑制BSTR 酶
12、受产物反馈抑制MR、PCR 酶耐受高温PR,2.酶反应动力学性质,分子量大不适用MR 溶解性物质 任何类型反应器 底物 颗粒物质 胶体物质 气体BCR,STR、FCR,3.底物和产物的理化性质,成本：低 使用：方便，易清洗 CSTR应用的可塑性较大，结构简单，成本较低。PBR可塑性较差，但应用广泛。,4.其他,选择反应器需考虑的因素,酶的机械强度、密度反应操作的要求反应速率方程式的类型对付杂菌污染的措施酶的稳定性、再生、更换的难易反应器内催化表面积与反应器体积之比,生物反应器设计的主要目标：产品的质量最高，生产成本最低。,(4)应具有最佳的无菌条件,(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度
13、（或细胞浓度），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,四、酶反应器的设计,设计步骤,1.确定酶反应器的类型根据酶、底物和产物的性质确定反应器类型。2.确定反应器的制造材料不锈钢3.进行热量衡算设计控温装置：夹套、列管4.进行物料衡算酶反应动力学参数、底物用量、酶量、反应体积、反应器数量,1.酶反应器操作条件的确定及调控（1）反应温度的确定与调控 酶的催化反应有一个最适温度。过低，反应速度减慢；过高，引起酶的变性失活。换热装置夹套或列管等,五、酶反应器的操作,（2）pH值的确定与调控酶的催化反应有一个最适pH值。过低或过高均
14、使反应速度减慢，甚至使酶变性失活。操作：加入稀酸或稀碱进行调解，必要时可采用缓冲液维持反应液的pH值。,五、酶反应器的操作,（3）底物浓度的确定与调控底物浓度是决定酶促反应速度的主要因素。底物浓度低，酶催化反应速度随底物浓度的增加而升高；当底物浓度达到一定值时，反应速度趋于平衡，不再与底物浓度成正比。操作：适宜浓度，流加操作,五、酶反应器的操作,（4）酶浓度的确定与调控酶浓度也是决定酶促反应速度的主要因素。底物浓度足够高时，酶催化反应速度与酶浓度成正比；但提高酶浓度，会增加成本。操作：综合考虑反应速度和成本,五、酶反应器的操作,（5）搅拌速度的确定与调控搅拌罐反应器：搅拌速度过慢，影响混合均匀
15、性；搅拌速度过快，产生的剪切力使酶的结构受影响操作：预先确定搅拌转速，适时调节,五、酶反应器的操作,（6）流速的确定与调控FBR：过慢，影响酶和底物均匀接触；过快，固定化酶结构受到破坏。可控制进液口的流速和进液管的方向和排布。PCR：过慢，酶和底物接触时间长，反应完全，但生产效率低。MR：流速快，可以降低或者清除产物的反馈抑制作用，但容易产生浓度差极化而使膜阻塞。以适当的速度进行搅拌，控制流动速度和流动状态。,五、酶反应器的操作,2.酶反应器操作的注意事项 保持酶反应器的操作稳定性 防止酶的变性失活 防止微生物污染,五、酶反应器的操作,本章思考题,1.何谓酶反应器？主要有哪些种类？2.试比较常
16、见酶反应器的优缺点并画出结构简图（STR、PCR、BCR、FBR）。3.酶反应器的选择依据包含哪些方面？如何根据反应特点确定反应器类型？,低聚糖：指2-10个单糖分子通过糖苷键连结起来，形成直链或分支链的一类寡糖的总称。研究现状：国际市场低聚糖年总产量达6万吨，已广泛应用于饮料、糖果、糕点、乳制品、冷饮、调味料、疗效食品等产品中。应用种类：异麦芽寡糖、蔗果寡糖、半乳糖基寡糖、半乳糖基转移寡糖、帕拉金糖、偶合糖、大豆低聚糖、异构乳糖等。,酶法生产新型低聚糖,生理功能：促进双歧杆菌增殖；抑制腐败菌的生长繁殖；低热能，防止肥胖和糖尿病、抗龋齿、抗肿瘤等。,酶的发酵生产：对菌种进行基因工程改造，以提高
17、酶的活力和产量，运用现代发酵技术和新型生物反应器，达到最优化控制以提高发酵酶的产量 低聚糖的酶法合成：采用固定化酶或固定化菌体来连续合成低聚糖 分离精制：一般包括过滤、脱色、脱盐、分离、纯化、浓缩等操作过程。,低聚糖的生产过程,又称为蔗果寡糖，其分子结构是在蔗糖(GF)分子上结合13个果糖分子的寡糖的总称主要有：蔗果三糖(GF2)、蔗果四糖(GF3)、蔗果五糖(GF4)，蔗糖与果糖分子以-l，2糖苷键连接普遍存在于高等植物中，尤其以洋葱、牛蒡、芦笋、香蕉等植物中含量较高。目前工业上用-果糖转移酶（为胞内酶，来自于黑曲霉）作用于蔗糖，进行分子间果糖转移反应生产低聚糖。,低聚果糖的生产,环状糊精：是一种由6个以上的葡萄糖以-1,4糖苷键结合的环状低聚糖。应用环状糊精葡萄糖基转移酶的催化作用自淀粉或葡萄糖分子间转化而成。酶的产生菌：嗜碱性芽孢杆菌。,环状糊精产品的主要种类：-环状糊精：由6个脱水葡萄糖单位组成-环状糊精，由7个脱水葡萄糖单位组成-环状糊精，由8个脱水葡萄糖单位组成,酶法生产环状糊精,环状糊精(CD)的生产一般分为三个阶段：第一阶段：制造环状糊精合成酶第二阶段：利用酶作用于淀粉糊合成环状糊精第三阶段：环状糊精的分离提取与精制,环状糊精的作用,1.使易挥发、氧化和光分解的物质稳定化2.改变物质的物理和化学性质3.改变被包接络合物分子的反应性能,本章完,
