酶工程_09酶反應(yīng)器2012

1、S酶反應(yīng)器概述S用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備，稱為酶反應(yīng)用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備，稱為酶反應(yīng)器（器（enzyme reactor）S功能：提供酶催化反應(yīng)的場所，并提供合適的反應(yīng)條件功能：提供酶催化反應(yīng)的場所，并提供合適的反應(yīng)條件酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器 消毒消毒原料原料預(yù)處理預(yù)處理 產(chǎn)物分離產(chǎn)物分離提純提純 生物催化劑生物催化劑(酶、細(xì)胞酶、細(xì)胞)除菌除菌能量能量熱量熱量產(chǎn)品產(chǎn)品空氣空氣過程調(diào)控過程調(diào)控S酶反應(yīng)器的基本要求S評價生物反應(yīng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)評價生物反應(yīng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)S生產(chǎn)能力的大小生產(chǎn)能力的大小S產(chǎn)品質(zhì)量的高低產(chǎn)品質(zhì)量的高低 使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低！使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，

2、生產(chǎn)成本最低！生物生物反應(yīng)器反應(yīng)器生物催化劑應(yīng)具有較高的比活生物催化劑應(yīng)具有較高的比活和濃度，以達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率和濃度，以達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率能用計算機(jī)自動檢測和調(diào)控，能用計算機(jī)自動檢測和調(diào)控，從而獲得最佳的反應(yīng)條件從而獲得最佳的反應(yīng)條件應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和混合性能應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和混合性能應(yīng)具有最佳的無菌條件，應(yīng)具有最佳的無菌條件，避免受到雜菌污染避免受到雜菌污染S本章主要內(nèi)容S酶反應(yīng)器的類型 根據(jù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的不同分類S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器S填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器S流化床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器S鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器S噴射式反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器S酶反應(yīng)器的類型S攪拌罐式

3、反應(yīng)器（攪拌罐式反應(yīng)器（stirred tank reactor，STR）S最常用的生物反應(yīng)器，俗稱最常用的生物反應(yīng)器，俗稱“發(fā)酵罐發(fā)酵罐”S反應(yīng)器組成反應(yīng)器組成S反應(yīng)罐體反應(yīng)罐體S機(jī)械攪拌部分機(jī)械攪拌部分S恒溫裝置恒溫裝置S攪拌式反應(yīng)器操作方式攪拌式反應(yīng)器操作方式S分批式（分批式（batch）S流加分批式（流加分批式（feeding batch）S連續(xù)式（連續(xù)式（continuous）反應(yīng)反應(yīng)罐體罐體機(jī)械攪拌機(jī)械攪拌部分部分恒溫恒溫裝置裝置S酶反應(yīng)器的類型S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器 分批式分批式S底物與酶一次性投入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)后，底物與酶一次性投入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)后，產(chǎn)物一次性取出產(chǎn)物一

4、次性取出S如果采用固定化酶（細(xì)胞），反應(yīng)完成之如果采用固定化酶（細(xì)胞），反應(yīng)完成之后，用過濾法或超濾法回收，再轉(zhuǎn)入下一后，用過濾法或超濾法回收，再轉(zhuǎn)入下一批反應(yīng)批反應(yīng)，可能破壞固定化酶的結(jié)，可能破壞固定化酶的結(jié)構(gòu)，故一般適用于游離酶構(gòu)，故一般適用于游離酶 / 細(xì)胞細(xì)胞S操作過程操作過程SubtrateCells時間時間濃濃度度0S酶反應(yīng)器的類型S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器 流加式流加式S先將一部分底物和酶（細(xì)胞）加入反應(yīng)先將一部分底物和酶（細(xì)胞）加入反應(yīng)器中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度逐漸器中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度逐漸降低，然后再連續(xù)或分批添加底物；反降低，然后再連續(xù)或分批添加底物；反應(yīng)結(jié)

5、束后，產(chǎn)物一次性取出應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物一次性取出S高濃度底物對酶具有高濃度底物對酶具有作用時往往采作用時往往采用流加式反應(yīng)器用流加式反應(yīng)器S操作特點(diǎn)和分批式相似，但操作特點(diǎn)和分批式相似，但，應(yīng)注意添加料液的無菌處理，應(yīng)注意添加料液的無菌處理Subtrate時間時間濃濃度度Cells0S酶反應(yīng)器的類型S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器 連續(xù)式連續(xù)式S向反應(yīng)器投入固定化酶和底物溶液，不向反應(yīng)器投入固定化酶和底物溶液，不斷攪拌，反應(yīng)達(dá)到平衡之后，再以恒定斷攪拌，反應(yīng)達(dá)到平衡之后，再以恒定的流速連續(xù)泵入底物溶液，同時以相同的流速連續(xù)泵入底物溶液，同時以相同流速輸出反應(yīng)液（含產(chǎn)物）流速輸出反應(yīng)液（含產(chǎn)物）S流速

6、保持恒定，但不能過大流速保持恒定，但不能過大S反應(yīng)條件調(diào)節(jié)、控制較容易反應(yīng)條件調(diào)節(jié)、控制較容易，料液和管路的無菌要求高，料液和管路的無菌要求高SubtrateCells時間時間濃濃度度0S酶反應(yīng)器的類型S攪拌罐式反應(yīng)器的特點(diǎn)攪拌罐式反應(yīng)器的特點(diǎn)S結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單S內(nèi)容物內(nèi)容物S反應(yīng)條件容易控制反應(yīng)條件容易控制：對可溶性、不：對可溶性、不溶性、膠體狀底物均適用溶性、膠體狀底物均適用S攪拌動力消耗大攪拌動力消耗大S固定化酶的結(jié)構(gòu)容易受固定化酶的結(jié)構(gòu)容易受影影響而破壞響而破壞S酶反應(yīng)器的類型S填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器（packed bed reactor，PBR）S把顆粒狀或片狀等固定化酶填充把

7、顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床（填充床，可直立或平于固定床（填充床，可直立或平放）內(nèi)，底物按一定方向以恒定放）內(nèi)，底物按一定方向以恒定流速通過床層，反應(yīng)后，產(chǎn)物以流速通過床層，反應(yīng)后，產(chǎn)物以同樣恒定的流速流出同樣恒定的流速流出S床層內(nèi)的流動接近床層內(nèi)的流動接近“”S沿流動方向，底物和產(chǎn)物濃度是沿流動方向，底物和產(chǎn)物濃度是逐漸變化的，但逐漸變化的，但SubtrateProduct軸向位移軸向位移 x濃濃度度0S酶反應(yīng)器的類型S循環(huán)式填充床反應(yīng)器循環(huán)式填充床反應(yīng)器 將填充床和循環(huán)槽將填充床和循環(huán)槽偶聯(lián)，不斷補(bǔ)充含有底偶聯(lián)，不斷補(bǔ)充含有底物的新鮮料液，并及時物的新鮮料液，并及時分離出產(chǎn)物，可以減

8、少分離出產(chǎn)物，可以減少產(chǎn)物抑制，保證產(chǎn)物的產(chǎn)物抑制，保證產(chǎn)物的連續(xù)生產(chǎn)。連續(xù)生產(chǎn)。S酶反應(yīng)器的類型S填充床式反應(yīng)器的特點(diǎn)填充床式反應(yīng)器的特點(diǎn)S單位體積催化劑負(fù)載量高，催化效單位體積催化劑負(fù)載量高，催化效率高率高S可可S流體垂直向下流動時，底部的固定流體垂直向下流動時，底部的固定化酶顆粒受到化酶顆粒受到（床層（床層的垂直壓降），顆粒容易破碎的垂直壓降），顆粒容易破碎S流體在床層內(nèi)微觀流動形態(tài)復(fù)雜，流體在床層內(nèi)微觀流動形態(tài)復(fù)雜，存在存在“溝流溝流”和和“短路短路”現(xiàn)象，特現(xiàn)象，特別是顆粒不均一或填充不均勻時別是顆粒不均一或填充不均勻時S床層有發(fā)生堵塞的可能床層有發(fā)生堵塞的可能S酶反應(yīng)器的類型S流化

9、床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器（fluidized bed reactor，F(xiàn)BR）S通過流體至下而上的流動使固定化酶顆粒在懸浮翻通過流體至下而上的流動使固定化酶顆粒在懸浮翻騰狀態(tài)下進(jìn)行催化反應(yīng)的反應(yīng)器騰狀態(tài)下進(jìn)行催化反應(yīng)的反應(yīng)器S液體的混合程度介于液體的混合程度介于 CSTR 和和 PBR 之間之間S顆粒大小、密度差異不能太大，否則易被顆粒大小、密度差異不能太大，否則易被“吹出吹出”S操作速率操作速率 U 應(yīng)滿足的條件應(yīng)滿足的條件起始流化速率起始流化速率終端沉降速率終端沉降速率S酶反應(yīng)器的類型S循環(huán)式流化床反應(yīng)器循環(huán)式流化床反應(yīng)器 將流化床和循環(huán)將流化床和循環(huán)槽偶聯(lián)，使底物循環(huán)槽偶聯(lián)，使底物循環(huán)利

10、用，并可減少產(chǎn)物利用，并可減少產(chǎn)物抑制，保證產(chǎn)物的連抑制，保證產(chǎn)物的連續(xù)生產(chǎn)。續(xù)生產(chǎn)。 操作時應(yīng)控制好操作時應(yīng)控制好料液的流動速率，以料液的流動速率，以防小顆粒被吹出。防小顆粒被吹出。S酶反應(yīng)器的類型S流化床式反應(yīng)器的特點(diǎn)流化床式反應(yīng)器的特點(diǎn)S具有具有，反應(yīng)，反應(yīng)條件控制較容易條件控制較容易S床層壓降小，不易堵塞，適于處理床層壓降小，不易堵塞，適于處理黏度高的液體黏度高的液體S能處理粉末狀底物能處理粉末狀底物S顆粒酶易機(jī)械破損顆粒酶易機(jī)械破損S單位體積內(nèi)催化劑密度低單位體積內(nèi)催化劑密度低S需保持一定的流速，運(yùn)行成本高需保持一定的流速，運(yùn)行成本高S酶反應(yīng)器的類型S鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器（bub

11、ble column reactor，BCR）S利用反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大利用反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混合兩種作用的反應(yīng)器底物和混合兩種作用的反應(yīng)器S無攪拌器，無攪拌器，S適用于游離適用于游離 / 固定化酶（細(xì)胞）固定化酶（細(xì)胞）S氣體入口處有氣流分布器，產(chǎn)生分散氣體入口處有氣流分布器，產(chǎn)生分散均勻的小氣泡均勻的小氣泡S酶反應(yīng)器的類型S鼓泡式反應(yīng)器的型式鼓泡式反應(yīng)器的型式簡單鼓泡式簡單鼓泡式內(nèi)循環(huán)式內(nèi)循環(huán)式外循環(huán)式外循環(huán)式S酶反應(yīng)器的類型S鼓泡式反應(yīng)器的特點(diǎn)鼓泡式反應(yīng)器的特點(diǎn)S氣液固三相系統(tǒng)，涉及氣體吸收氣液固三相

12、系統(tǒng)，涉及氣體吸收或產(chǎn)生的反應(yīng)，采用此類型反應(yīng)器效或產(chǎn)生的反應(yīng)，采用此類型反應(yīng)器效果較好果較好S氣液氣液S可用于連續(xù)反應(yīng)，也可用于分批反應(yīng)可用于連續(xù)反應(yīng)，也可用于分批反應(yīng)，對結(jié)構(gòu)較脆弱的細(xì)胞和固，對結(jié)構(gòu)較脆弱的細(xì)胞和固定化載體有利定化載體有利S單位體積內(nèi)催化劑密度低單位體積內(nèi)催化劑密度低S酶反應(yīng)器的類型S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器（membrane reactor，MR）S將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器用組合在一起而成的反應(yīng)器S游離酶和固定化酶均適用游離酶和固定化酶均適用S膜反應(yīng)器分類膜反應(yīng)器分類S平板狀或螺旋狀反應(yīng)器平板狀或螺旋狀反應(yīng)器S轉(zhuǎn)盤型反應(yīng)器轉(zhuǎn)

13、盤型反應(yīng)器S空心酶管反應(yīng)器空心酶管反應(yīng)器S中空纖維膜反應(yīng)器中空纖維膜反應(yīng)器S超濾膜反應(yīng)器超濾膜反應(yīng)器S酶反應(yīng)器的類型S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器 中空纖維膜反應(yīng)器中空纖維膜反應(yīng)器S由數(shù)千根醋酸纖維制成的中空纖維管，固定在反應(yīng)器中由數(shù)千根醋酸纖維制成的中空纖維管，固定在反應(yīng)器中S內(nèi)徑內(nèi)徑 200500 m，外徑，外徑 300900 mS內(nèi)層緊密光滑，多微孔，具一定分子量截留值（截留酶內(nèi)層緊密光滑，多微孔，具一定分子量截留值（截留酶 / 細(xì)胞）細(xì)胞）S外層為多孔海綿狀支持層，酶固定于此（或內(nèi)外相反）外層為多孔海綿狀支持層，酶固定于此（或內(nèi)外相反）S酶反應(yīng)器的類型S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器 中空纖維膜反應(yīng)器中空纖維膜

14、反應(yīng)器S工作原理工作原理 培養(yǎng)基和空氣從中空纖維膜的內(nèi)腔培養(yǎng)基和空氣從中空纖維膜的內(nèi)腔流入，底物透過纖維內(nèi)壁上的微孔進(jìn)入流入，底物透過纖維內(nèi)壁上的微孔進(jìn)入固定化催化劑層，經(jīng)酶或細(xì)胞催化生成固定化催化劑層，經(jīng)酶或細(xì)胞催化生成產(chǎn)物，再經(jīng)微孔，流入中空纖維。產(chǎn)物，再經(jīng)微孔，流入中空纖維。 固定化酶或細(xì)胞因體積大，無法透固定化酶或細(xì)胞因體積大，無法透過纖維膜孔而被截留。過纖維膜孔而被截留。S酶反應(yīng)器的類型S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器 中空纖維膜反應(yīng)器中空纖維膜反應(yīng)器S操作方式操作方式反沖式反沖式反循環(huán)式反循環(huán)式S酶反應(yīng)器的類型S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器 超濾酶膜反應(yīng)器超濾酶膜反應(yīng)器 將將超濾膜分離器與超濾膜分離器與連續(xù)

15、攪連續(xù)攪拌式反應(yīng)器（拌式反應(yīng)器（CSTR）偶聯(lián)，）偶聯(lián)，將酶和小分子底物將酶和小分子底物 / 產(chǎn)物通過產(chǎn)物通過超濾分離，由于酶分子量大，超濾分離，由于酶分子量大，不能透過超濾膜而被截留，可不能透過超濾膜而被截留，可循環(huán)使用。循環(huán)使用。 透過超濾膜的產(chǎn)物和部分透過超濾膜的產(chǎn)物和部分未反應(yīng)完全的底物再進(jìn)入下一未反應(yīng)完全的底物再進(jìn)入下一工序進(jìn)行分離。工序進(jìn)行分離。S酶反應(yīng)器的類型S膜反應(yīng)器的特點(diǎn)膜反應(yīng)器的特點(diǎn)S游離酶和固定化酶均適用游離酶和固定化酶均適用S可作用于膠態(tài)或不溶性底可作用于膠態(tài)或不溶性底物，特別是產(chǎn)物對酶有抑物，特別是產(chǎn)物對酶有抑制作用時制作用時S酶易在膜上吸附損失或濃酶易在膜上吸附損失

16、或濃縮極化縮極化S膜會因?yàn)槟驗(yàn)槎鴮?dǎo)致工作能力下降而導(dǎo)致工作能力下降S放大成本高昂放大成本高昂S酶反應(yīng)器的類型S噴射式反應(yīng)器（噴射式反應(yīng)器（projectional reactor，PR）S利用高壓蒸汽噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶與底物混合，進(jìn)行利用高壓蒸汽噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶與底物混合，進(jìn)行的一種反應(yīng)器的一種反應(yīng)器S適用面較狹窄，僅適用于適用面較狹窄，僅適用于的連續(xù)催化反應(yīng)的連續(xù)催化反應(yīng)S酶反應(yīng)器的類型S酶反應(yīng)器特點(diǎn)小結(jié)酶反應(yīng)器特點(diǎn)小結(jié)反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型操作方式操作方式適用的酶適用的酶主主 要要 特特 點(diǎn)點(diǎn)攪拌罐攪拌罐分批、流加、分批、流加、連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶設(shè)備簡單，操作方便；酶

17、與底物混合較均設(shè)備簡單，操作方便；酶與底物混合較均勻；傳質(zhì)阻力小；反應(yīng)條件易控制勻；傳質(zhì)阻力??；反應(yīng)條件易控制填充床填充床連續(xù)式連續(xù)式固定化酶固定化酶設(shè)備簡單，操作方便；單位體積內(nèi)催化劑設(shè)備簡單，操作方便；單位體積內(nèi)催化劑密度高；床層有一定壓降密度高；床層有一定壓降流化床流化床連續(xù)式連續(xù)式固定化酶固定化酶混合均勻，傳熱傳質(zhì)效果好；不易堵塞，混合均勻，傳熱傳質(zhì)效果好；不易堵塞，可處理黏度較大的料液可處理黏度較大的料液鼓泡式鼓泡式分批、流加、分批、流加、連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶剪切力?。换旌闲Ч?，傳熱傳質(zhì)效率高；剪切力??；混合效果好，傳熱傳質(zhì)效率高；適用于有氣體參與的反應(yīng)適用于有

18、氣體參與的反應(yīng)膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶集反應(yīng)和分離于一體，效率高；膜孔容易集反應(yīng)和分離于一體，效率高；膜孔容易堵塞；存在濃差極化現(xiàn)象；放大成本高堵塞；存在濃差極化現(xiàn)象；放大成本高噴射式噴射式連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶瞬時催化，僅適用于耐高溫游離酶瞬時催化，僅適用于耐高溫游離酶S酶反應(yīng)器的選擇S依據(jù)酶的應(yīng)用形式依據(jù)酶的應(yīng)用形式S游離酶游離酶S固定化酶固定化酶S依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)S依據(jù)底物依據(jù)底物 / 產(chǎn)物理化性質(zhì)產(chǎn)物理化性質(zhì)S其他考慮因素其他考慮因素S操作的簡便性操作的簡便性S運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性S酶反應(yīng)器的選擇 酶的應(yīng)用形式S游離酶適用的

19、反應(yīng)器游離酶適用的反應(yīng)器S特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)反應(yīng)S有氣體參與：鼓泡式反應(yīng)器有氣體參與：鼓泡式反應(yīng)器S昂貴的酶：酶膜反應(yīng)器昂貴的酶：酶膜反應(yīng)器 酶回收較容易酶回收較容易S耐高溫酶：噴射式反應(yīng)器耐高溫酶：噴射式反應(yīng)器S不宜采用的反應(yīng)器不宜采用的反應(yīng)器S填充床式反應(yīng)器（原因填充床式反應(yīng)器（原因 ？）？）S流化床式反應(yīng)器（原因流化床式反應(yīng)器（原因 ？）？）S酶反應(yīng)器的選擇 酶的應(yīng)用形式S固定化酶適用的反應(yīng)器固定化酶適用的反應(yīng)器S特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)，多采用反應(yīng)，多采用操作操作S影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩(wěn)定性影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩(wěn)定性S顆粒狀固定化酶顆粒狀固定化酶/細(xì)胞細(xì)胞S攪拌罐

20、式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器 槳葉剪切力大，對顆粒有機(jī)械強(qiáng)度要求槳葉剪切力大，對顆粒有機(jī)械強(qiáng)度要求S填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器 顆粒堆積密度大；床層壓降大顆粒堆積密度大；床層壓降大S流化床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器 混合效果好；動力消耗大；有機(jī)械強(qiáng)度要求混合效果好；動力消耗大；有機(jī)械強(qiáng)度要求S鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器 即即“三相流化床三相流化床”S非顆粒狀固定化酶非顆粒狀固定化酶/細(xì)胞細(xì)胞 膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器S不宜采用的反應(yīng)器不宜采用的反應(yīng)器S噴射式反應(yīng)器（原因噴射式反應(yīng)器（原因 ？）？）S酶反應(yīng)器的選擇 依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)S影響因素：影響因素：1) 酶與底物的混合程度酶與底物的混合程度S要使酶與底物

21、有效結(jié)合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞要使酶與底物有效結(jié)合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞S混合效果好混合效果好S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器S流化床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器S鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器S混合效果較差混合效果較差S填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器S膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器S酶反應(yīng)器的選擇 依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)S影響因素：影響因素：2) 底物濃度及其抑制作用底物濃度及其抑制作用S底物的濃度受其對酶抑制情況的制約底物的濃度受其對酶抑制情況的制約 防止底物濃度過高防止底物濃度過高S游離酶游離酶S酶膜反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器 連續(xù)式操作連續(xù)式操作S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器 流加式操作流加式操作 / 連續(xù)

22、式操作連續(xù)式操作S固定化酶固定化酶S攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器S填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器S流化床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器S酶膜反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器S酶反應(yīng)器的選擇 依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)S影響因素：影響因素：3) 產(chǎn)物濃度及其抑制作用產(chǎn)物濃度及其抑制作用S產(chǎn)物的過度積累造成抑制產(chǎn)物的過度積累造成抑制 設(shè)法將產(chǎn)物移出反應(yīng)器設(shè)法將產(chǎn)物移出反應(yīng)器S游離酶游離酶 酶膜反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器S固定化酶固定化酶 酶膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器S影響因素：影響因素：4) 酶反應(yīng)溫度酶反應(yīng)溫度S耐高溫酶耐高溫酶 噴射式反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器S優(yōu)點(diǎn)：加速反應(yīng)，縮短反應(yīng)時間，催化效率高優(yōu)點(diǎn)：加速反應(yīng)，縮

23、短反應(yīng)時間，催化效率高S酶反應(yīng)器的選擇 依據(jù)底物 / 產(chǎn)物理化性質(zhì)S底物底物 / 產(chǎn)物的物理狀態(tài)產(chǎn)物的物理狀態(tài)S溶解狀態(tài)（包括乳濁液）溶解狀態(tài)（包括乳濁液）S顆粒態(tài)顆粒態(tài)S高黏度液體高黏度液體S含氣體含氣體S分子量較大分子量較大S具有輔酶的反應(yīng)具有輔酶的反應(yīng) 適用于各類反應(yīng)器適用于各類反應(yīng)器宜采用攪拌罐式宜采用攪拌罐式 / 流化床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器 宜采用鼓泡式反應(yīng)器宜采用鼓泡式反應(yīng)器 一般不采用膜反應(yīng)器一般不采用膜反應(yīng)器 一般不采用膜反應(yīng)器一般不采用膜反應(yīng)器S酶反應(yīng)器的設(shè)計S設(shè)計目的設(shè)計目的S設(shè)計出一個既能發(fā)揮生物反應(yīng)的設(shè)計出一個既能發(fā)揮生物反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，又可克服一些，又可克服一些限制

24、因素限制因素，以最低的生產(chǎn)以最低的生產(chǎn)成本成本，獲得最高的，獲得最高的產(chǎn)量產(chǎn)量和和質(zhì)量質(zhì)量的酶反應(yīng)器的酶反應(yīng)器S設(shè)計的原理和依據(jù)設(shè)計的原理和依據(jù)S酶促反應(yīng)動力學(xué)，以及受溫度、壓力、酶促反應(yīng)動力學(xué)，以及受溫度、壓力、pH 等操作參數(shù)的影響等操作參數(shù)的影響S反應(yīng)器的型式，和反應(yīng)器內(nèi)流體的傳遞特性反應(yīng)器的型式，和反應(yīng)器內(nèi)流體的傳遞特性S需要的生產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝流程需要的生產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝流程上述上述 3 項(xiàng)組合建立的式子稱為項(xiàng)組合建立的式子稱為或或S酶反應(yīng)器的設(shè)計S建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型S把所要設(shè)計和控制的各個變量（設(shè)計變量和操作變量）以數(shù)量表把所要設(shè)計和控制的各個變量（設(shè)計變量和操作變量）以數(shù)量表示

25、，制訂出可進(jìn)行最優(yōu)化的定量函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)或評價函數(shù)）示，制訂出可進(jìn)行最優(yōu)化的定量函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)或評價函數(shù)）S反應(yīng)器設(shè)計中的關(guān)系式反應(yīng)器設(shè)計中的關(guān)系式S流動特性流動特性S物料平衡物料平衡S熱量平衡熱量平衡S反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué) 動量衡算動量衡算 動量傳遞動量傳遞 質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞 熱量衡算熱量衡算 熱量傳遞熱量傳遞 反應(yīng)速率反應(yīng)速率“三傳一反三傳一反”S酶反應(yīng)器的設(shè)計S步驟一：確定反應(yīng)器類型步驟一：確定反應(yīng)器類型 反應(yīng)器的選擇反應(yīng)器的選擇S步驟二：確定反應(yīng)器的制造材料步驟二：確定反應(yīng)器的制造材料S一般的產(chǎn)品采用不銹鋼制造容器即可，無特殊要求一般的產(chǎn)品采用不銹鋼制造容器即可，無特

26、殊要求S步驟三：熱量衡算步驟三：熱量衡算S酶催化反應(yīng)一般在酶催化反應(yīng)一般在 3070 oC 常溫下進(jìn)行，熱量衡算較簡單常溫下進(jìn)行，熱量衡算較簡單S根據(jù)冷卻水的流量和溫度變化來計算根據(jù)冷卻水的流量和溫度變化來計算S噴射式反應(yīng)器：根據(jù)蒸汽的熱焓和用量計算噴射式反應(yīng)器：根據(jù)蒸汽的熱焓和用量計算S酶反應(yīng)器的設(shè)計S步驟四：物料衡算步驟四：物料衡算 直接決定了產(chǎn)量和產(chǎn)率直接決定了產(chǎn)量和產(chǎn)率S(1) 確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)S(2) 計算底物用量計算底物用量S(3) 計算反應(yīng)液總體積計算反應(yīng)液總體積S(4) 計算酶用量計算酶用量S(5) 計算反應(yīng)器數(shù)目計算反應(yīng)器數(shù)目S酶反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算

27、S(1) 確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)S底物濃度底物濃度S通過米氏方程定量通過米氏方程定量S注意底物抑制情況注意底物抑制情況S酶濃度酶濃度S考慮生產(chǎn)成本問題，不宜使用過多的酶考慮生產(chǎn)成本問題，不宜使用過多的酶S溫度、溫度、pH 值值 采用最適值或在其附近采用最適值或在其附近S激活劑、抑制劑激活劑、抑制劑 激活激活 / 抑制動力學(xué)抑制動力學(xué)S酶反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算S(2) 計算底物用量計算底物用量S產(chǎn)量：以產(chǎn)量：以“年產(chǎn)量年產(chǎn)量 Py（kg/y）”表示表示S分批式：分批式：“日產(chǎn)量日產(chǎn)量 Pd（kg/d）”S連續(xù)式：連續(xù)式：“每小時產(chǎn)量每小時產(chǎn)量 Ph（kg/h）”S產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率產(chǎn)物

28、轉(zhuǎn)化率 YP/S：產(chǎn)物生成量：產(chǎn)物生成量 P (kg) 與投入底物量與投入底物量 S (kg) 之比之比SS0 反應(yīng)前的底物濃度，反應(yīng)前的底物濃度，gL-1SSt 反應(yīng)后的底物濃度，反應(yīng)后的底物濃度，gL-1ydh30030024PPP (9-1)(9-2) 0tP/S00SSSPYSSS S酶反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算S(2) 計算底物用量計算底物用量S收率收率 R：分離得到產(chǎn)物量：分離得到產(chǎn)物量 Psep 和反應(yīng)生成產(chǎn)物量和反應(yīng)生成產(chǎn)物量 Pform 之比之比S底物用量底物用量 S：由產(chǎn)量：由產(chǎn)量 P、轉(zhuǎn)化率、轉(zhuǎn)化率 YP/S 和收率和收率 R 計算得到計算得到S注意：注意：Py、Pd、Ph

29、和和 P 的單位是不同的的單位是不同的(9-3)sepformPRPP/SPSYR (9-4)S酶反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算S(3) 計算反應(yīng)液總體積計算反應(yīng)液總體積S反應(yīng)液總體積反應(yīng)液總體積 Vt 由底物用量及其初始濃度計算由底物用量及其初始濃度計算S(4) 計算酶的用量計算酶的用量S所需酶量所需酶量 E 為酶濃度為酶濃度 E 與反應(yīng)液體積與反應(yīng)液體積 Vt 的乘積的乘積S注意注意 1：酶的用量以：酶的用量以 表示表示S注意注意 2：一般從：一般從來考慮酶的用量來考慮酶的用量(9-5)t0SVS tEE V(9-6)S酶反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算S(5) 計算反應(yīng)器數(shù)目計算反應(yīng)器數(shù)目S反應(yīng)器的有效體

30、積反應(yīng)器的有效體積 V0S單個反應(yīng)器可容納反應(yīng)液的最大體積，一般為總體積的單個反應(yīng)器可容納反應(yīng)液的最大體積，一般為總體積的 7080%S反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度 QPS（）反應(yīng)器在單位時間內(nèi)，單位體積反應(yīng)液所生產(chǎn)的產(chǎn)物的）反應(yīng)器在單位時間內(nèi)，單位體積反應(yīng)液所生產(chǎn)的產(chǎn)物的質(zhì)量，一般以質(zhì)量，一般以 gL-1h-1 為單位為單位SPh 每小時獲得的產(chǎn)物量，每小時獲得的產(chǎn)物量，gh-1SVh 每小時獲得的反應(yīng)液體積，每小時獲得的反應(yīng)液體積，Lh-1 hhP00VPPQVV (9-7)S酶反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算S(5) 計算反應(yīng)器數(shù)目計算反應(yīng)器數(shù)目S對于分批式反應(yīng)器，用每天獲得的反應(yīng)液總體積對于

31、分批式反應(yīng)器，用每天獲得的反應(yīng)液總體積 Vd 表示：表示：S對于連續(xù)式反應(yīng)器，用每小時獲得的反應(yīng)液總體積對于連續(xù)式反應(yīng)器，用每小時獲得的反應(yīng)液總體積 Vh 表示：表示：或用生產(chǎn)強(qiáng)度或用生產(chǎn)強(qiáng)度 QP 計算：計算：(9-8)d024VtNV h0VtNV (9-9) PQtNP (9-10)S酶反應(yīng)器的操作S反應(yīng)器操作的要求反應(yīng)器操作的要求S選擇高品質(zhì)的酶選擇高品質(zhì)的酶S選擇恰當(dāng)?shù)拿笐?yīng)用形式選擇恰當(dāng)?shù)拿笐?yīng)用形式S選擇和設(shè)計合適的酶反應(yīng)器選擇和設(shè)計合適的酶反應(yīng)器S確定合理的反應(yīng)操作條件確定合理的反應(yīng)操作條件各因素相互關(guān)聯(lián)，相互影響！各因素相互關(guān)聯(lián)，相互影響！S酶反應(yīng)器的操作S操作條件確定及其調(diào)控操

32、作條件確定及其調(diào)控S反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度SpH 值值S底物濃度底物濃度S酶濃度酶濃度S攪拌速度攪拌速度S流動速度（連續(xù)式）流動速度（連續(xù)式）S酶反應(yīng)器操作注意事項(xiàng)酶反應(yīng)器操作注意事項(xiàng)S酶反應(yīng)器的操作條件及其調(diào)控S反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度S反應(yīng)溫度一般維持在酶的最適溫度附近反應(yīng)溫度一般維持在酶的最適溫度附近S恒溫方法：冷卻恒溫方法：冷卻 / 加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)SpH 值值S保持反應(yīng)體系的保持反應(yīng)體系的 pH 值在最適值在最適 pH 值附近值附近S分批式反應(yīng)器：先將底物溶液調(diào)到酶最適分批式反應(yīng)器：先將底物溶液調(diào)到酶最適 pHS連續(xù)式反應(yīng)器：調(diào)好連續(xù)式反應(yīng)器：調(diào)好 pH 的底物溶液連續(xù)加到反應(yīng)器中的底物溶液連續(xù)加

33、到反應(yīng)器中S加酸加酸 / 堿調(diào)節(jié)堿調(diào)節(jié)S采用緩沖液維持反應(yīng)體系采用緩沖液維持反應(yīng)體系 pHS酶反應(yīng)器的操作條件及其調(diào)控S底物濃度底物濃度S底物濃度并非越高越好（為什么底物濃度并非越高越好（為什么 ？）？）S適宜的底物濃度：適宜的底物濃度：510 KmS分批式：逐步流加法分批式：逐步流加法S連續(xù)式：控制流動速率使底物濃度保持恒定連續(xù)式：控制流動速率使底物濃度保持恒定S酶濃度酶濃度S底物量一定時，催化速率與酶濃度成正比底物量一定時，催化速率與酶濃度成正比S酶的成本為限制性因素酶的成本為限制性因素S酶的循環(huán)數(shù)：使用一段時間后需對酶進(jìn)行補(bǔ)充更換酶的循環(huán)數(shù)：使用一段時間后需對酶進(jìn)行補(bǔ)充更換S酶反應(yīng)器的操

34、作條件及其調(diào)控S攪拌速度攪拌速度S攪拌的目的：加強(qiáng)底物與酶的碰撞；強(qiáng)化熱量傳遞攪拌的目的：加強(qiáng)底物與酶的碰撞；強(qiáng)化熱量傳遞S控制攪拌速度，防止過快或過慢控制攪拌速度，防止過快或過慢S料液流動速度（連續(xù)式反應(yīng)器）料液流動速度（連續(xù)式反應(yīng)器）反應(yīng)器反應(yīng)器流速快流速快流速慢流速慢填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器酶與底物接觸不充分，反酶與底物接觸不充分，反應(yīng)不完全；壓降較大應(yīng)不完全；壓降較大酶和底物接觸時間長，反應(yīng)酶和底物接觸時間長，反應(yīng)完全；生產(chǎn)效率較低完全；生產(chǎn)效率較低流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器物料被吹出；固定化酶結(jié)物料被吹出；固定化酶結(jié)構(gòu)有可能被破壞構(gòu)有可能被破壞物料不能充分流化，影響催物料不能充分流化，

35、影響催化劑與底物的接觸化劑與底物的接觸膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器產(chǎn)生濃差極化使膜孔堵塞產(chǎn)生濃差極化使膜孔堵塞反應(yīng)液充分混合，可減少濃反應(yīng)液充分混合，可減少濃差極化；生產(chǎn)效率較低差極化；生產(chǎn)效率較低S酶反應(yīng)器操作注意事項(xiàng)S保持反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性保持反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性S(1) 控制酶反應(yīng)器中的流動狀態(tài)控制酶反應(yīng)器中的流動狀態(tài)S流動方式不當(dāng)造成的后果流動方式不當(dāng)造成的后果酶與底物接觸不良酶與底物接觸不良產(chǎn)生副反應(yīng)產(chǎn)生副反應(yīng)壓降加大，產(chǎn)生溝流或堵塞壓降加大，產(chǎn)生溝流或堵塞原因原因解決辦法解決辦法攪拌不均或過快，酶分布不均攪拌不均或過快，酶分布不均調(diào)節(jié)攪拌速度調(diào)節(jié)攪拌速度填充床中柱高和流速產(chǎn)生壓降造成載填充床中柱

36、高和流速產(chǎn)生壓降造成載體壓縮或破碎體壓縮或破碎對固定化材料進(jìn)行改進(jìn)；采用球型填對固定化材料進(jìn)行改進(jìn)；采用球型填料；嚴(yán)格控制流速料；嚴(yán)格控制流速壅塞現(xiàn)象（固體或膠體物沉積妨礙了壅塞現(xiàn)象（固體或膠體物沉積妨礙了底物與酶接觸）底物與酶接觸）間隔式填充，反沖床重新裝柱，通上間隔式填充，反沖床重新裝柱，通上行氣流；底物預(yù)處理并高速循環(huán)行氣流；底物預(yù)處理并高速循環(huán)S酶反應(yīng)器操作注意事項(xiàng)S保持反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性保持反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性S(2) 維持恒定的生產(chǎn)能力維持恒定的生產(chǎn)能力控制流速控制流速連續(xù)或間隔降低流速可維持轉(zhuǎn)化率恒定，但要連續(xù)或間隔降低流速可維持轉(zhuǎn)化率恒定，但要根據(jù)產(chǎn)物量決定流速，而不能按活性或一

37、定時根據(jù)產(chǎn)物量決定流速，而不能按活性或一定時間內(nèi)達(dá)到的百分轉(zhuǎn)化率間內(nèi)達(dá)到的百分轉(zhuǎn)化率控制溫度控制溫度較復(fù)雜的溫度變化可用微機(jī)處理，精確控制和較復(fù)雜的溫度變化可用微機(jī)處理，精確控制和調(diào)節(jié)恒溫水的流量調(diào)節(jié)恒溫水的流量反應(yīng)器串、并聯(lián)反應(yīng)器串、并聯(lián)錯開起動錯開起動采用錯開起動，掌握好反應(yīng)器切換的時間，能采用錯開起動，掌握好反應(yīng)器切換的時間，能使在預(yù)定的輸出或轉(zhuǎn)化水平時具有最小波動，使在預(yù)定的輸出或轉(zhuǎn)化水平時具有最小波動，反應(yīng)器也能平穩(wěn)工作反應(yīng)器也能平穩(wěn)工作S酶反應(yīng)器操作注意事項(xiàng)S防止酶的變性失活防止酶的變性失活S防止酶的變性或中毒失活防止酶的變性或中毒失活S防止固定化酶自溶或載體磨損造成的酶損失防止固定化酶自溶或載體磨損造成的酶損失影響因素影響因素解決辦法解決辦法溫度溫度等于或低于最適溫度等于或低于最適溫度pH、離子強(qiáng)度、離子強(qiáng)度嚴(yán)