第六章酶反應器

第六章酶反應器酶反應器(Enzymereactor)：以游離酶或固定化酶作為催化劑進行酶促反應所需的容器及其附屬設備稱為酶反應器，它是用于完成酶促反應的核心裝置，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。作用：為酶催化反應提供合適的場所和最佳反應條件，在酶的催化下使底物最大限度的轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。特點：不同于細胞生物反應器：不同于化學反應器：在低溫、低壓下發(fā)揮作用，反應時的耗能和產(chǎn)能也比較少一步或幾步催化反應的設備，結構簡單只需考慮適合生物催化劑有效發(fā)揮催化功能的反應條件，過程控制簡單酶催化反應過程示意圖過程調(diào)控酶反應器

消毒原料預處理

產(chǎn)物分離提純

產(chǎn)品生物催化劑制備空氣除菌能量熱量第六章酶反應器酶反應器的類型及特點酶反應器的選擇與設計酶反應器的操作本章重點內(nèi)容1.酶反應器的類型及特點2.酶反應器的選擇依據(jù)3.酶反應器的操作6.1酶反應器的類型及特點按結構分類攪拌罐式反應器（StirredTankReactor,STR）填充床式反應器(packedbedreactor,PBR)流化床式反應器(FluidizedBedReactor,FBR)鼓泡式反應器(bubblecolumnreactor,BCR)噴射式反應器（projectionreactor,PR）酶膜反應器(MembraneReactor,MR)

按操作方式分類分批式反應器(batch)連續(xù)流式反應器(continuous)流加分批式反應器(feedingbatch)結構+操作方式連續(xù)流式攪拌罐式反應器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批式攪拌罐式反應器（BatchStirredTankReactor,BSTR）酶反應器分類傳統(tǒng)酶反應器攪拌罐式反應器（StirredTankReactor,STR）填充床式反應器(packedbedreactor,PBR)流化床式反應器(FluidizedBedReactor,FBR)鼓泡式反應器(bubblecolumnreactor,BCR)噴射式反應器（projectionreactor,PR）新型酶反應器酶膜反應器(MembraneReactor,MR)

1、攪拌罐式反應器最常用的一種傳統(tǒng)形式的酶反應器。結構組成：容器（反應罐）、攪拌器及保溫裝置。按操作方式分為：分批式攪拌罐式反應器：

底物和游離酶一次性投入反應器，產(chǎn)物一次性取出；

游離或固定化酶在反應結束后經(jīng)過濾回收，轉(zhuǎn)入

下一批反應。連續(xù)流式攪拌罐式反應器：

向反應器中投入固定化酶和底物溶液，不斷

攪拌，反應平衡后，以恒定流速連續(xù)流入底物，

以相同流速輸出產(chǎn)物。6.1酶反應器的類型及特點1、攪拌罐式反應器優(yōu)點：結構簡單，易操作；酶與底物混合充分均勻；傳質(zhì)速度快，反應能迅速達到穩(wěn)態(tài)；能處理膠體狀底物、不溶性底物。

缺點：反應效率低，攪拌動力消耗；由于攪拌剪切力，固定化載體易被破壞、游離酶易發(fā)生泡沫化活性下降，反復回收固定化酶過程中易造成酶的失活損失。發(fā)展與改進：在反應器出口裝上濾器,或制成磁性固定化酶，將酶顆粒裝在尼龍網(wǎng)制成的扁平筐內(nèi)，作為攪拌槳葉或擋板。6.1酶反應器的類型及特點傳質(zhì)：物質(zhì)以擴散方式從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程，稱為質(zhì)量傳遞過程，簡稱傳質(zhì)。例如：氣相-液相：液體蒸餾；

氣相-固相：固體的干燥；

液相-固相：結晶、離子交換。液體蒸餾：根據(jù)液體中各組分的揮發(fā)性不同，使其中沸點低的組分氣化，以達到分離的目的。結晶：含某物質(zhì)的過飽和溶液與同一物質(zhì)的固體相接觸時，其分子以擴散方式通過溶液到達固相表面，并析出使固體長大。離子交換：溶液中陽離子與陰離子與稱為離子交換劑的固相上離子的交換過程。1、攪拌罐式反應器6.1酶反應器的類型及特點2、填充床式反應器

PackedBedReactor,PBR，又稱固定床反應器，

是固定化酶常用的一種反應器。6.1酶反應器的類型及特點結構：將固定化酶填充于反應器內(nèi)，制成穩(wěn)定的柱床，然后，底物溶液從反應器以一定方向通過固定化酶柱床，通過酶催化生成產(chǎn)物，并連續(xù)收集輸出的轉(zhuǎn)化液（含產(chǎn)物）。操作特點：底物按一定方向以恒定速度通過固定化酶床層，通過底物溶液的流動實現(xiàn)物質(zhì)的傳遞與混合。活塞流反應器：橫截面液體流速相同，濃度相同，流動方向底物、產(chǎn)物濃度逐漸變化。2、填充床式反應器6.1酶反應器的類型及特點適用性：廣泛適用于固定化酶優(yōu)點：高效率（單位體積催化劑負荷量高）、剪切力小、結構簡單等，特別適合于存在底物、產(chǎn)物抑制的催化反應，是工業(yè)生產(chǎn)及研究中應用最為普遍的反應器。缺點：溫度和pH難以控制；底物和產(chǎn)物會產(chǎn)生軸向分布，相應酶失活程度呈軸向分布；清洗和更換固定化酶麻煩；傳質(zhì)傳熱性能較差，柱內(nèi)有自壓縮傾向，易堵塞（不宜采用黏度大的底物），固定化酶受到的壓力大（引起破碎）。改進：在固定床中間用托板分隔，減少底層固定化酶所受壓力3、流化床反應器6.1酶反應器的類型及特點結構：流化床反應器（FluidizedBedReactor,FBR）是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應器，反應器形狀可為柱形或錐形等。操作特點：底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在懸浮狀態(tài)下進行催化反應。注意控制反應液的流動速度。適用性：適用于固定化酶進行連續(xù)催化反應3、流化床反應器6.1酶反應器的類型及特點優(yōu)點：不斷旋轉(zhuǎn)翻動，混合均勻，具有良好的傳質(zhì)及傳熱性能，不易堵塞，適用于處理粘度高的液體；pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；即使細小顆粒的固定化酶，壓力也不會很高。缺點：需保持一定的流速，運轉(zhuǎn)成本高，難于放大；由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導致粒子的機械破損；由于流化床的空隙體積大，酶的濃度不高。4、鼓泡式反應器特點：利用從反應器底部通入氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用。結構：底部有氣體分散板或其它形式的氣體分散裝置。操作：游離酶、固定化酶放入反應器內(nèi)，底物與氣體從底部通入。氣體經(jīng)過分散板得到充分分散，氣泡提供混合作用。優(yōu)點：適用于有氣體吸收的生物反應。6.1酶反應器的類型及特點啤酒連續(xù)發(fā)酵塔型固定化活菌體反應器5.噴射式反應器特點：利用高壓蒸汽的噴射作用，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應的反應器。催化反應速度快，效率高，可在短時間完成催化反應。適用于：高溫游離酶，如高溫淀粉酶。新型酶反應器-酶膜反應器結構組成：由酶反應裝置和膜分離組件構成，將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起，同時完成生化反應和分離過程的反應器。根據(jù)酶的存在狀態(tài)不同分為：游離酶膜反應器固定化酶膜反應器6.1酶反應器的類型及特點幾種典型的酶膜反應器游離酶膜反應器特點：超濾膜孔徑范圍：1-100nm（截留Mr500-10000）

游離酶和固定化酶平均相對分子質(zhì)量：10000-100000優(yōu)點：酶均勻分布于反應器內(nèi)，酶促反應接近本征動力學的狀態(tài)下進行；酶可重復利用，特別適用于價格較高的酶；可用于膠態(tài)或不溶性底物，特別適用于有產(chǎn)物抑制的場合；缺點：酶的長期操作穩(wěn)定性差；酶易在膜上吸附造成膜污染，發(fā)生濃差極化現(xiàn)象。添加新鮮的酶以維持反應連續(xù)穩(wěn)定地進行游離酶膜反應器4膜反應器濃差極化膜分離過程中的一種現(xiàn)象料液中的溶液在壓力驅(qū)動下透過膜，溶質(zhì)被截留，在臨近膜界面濃度越來越高；在濃度梯度作用下，溶質(zhì)又會向本體溶液擴散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，導致溶劑透過量下降。超濾膜酶反應器濃差極化現(xiàn)象固定化酶膜反應器結構組成：酶以固定化酶的形式存在于膜相的微孔或膜基質(zhì)中。（半透膜可作為界面催化劑的支撐體）根據(jù)固定化酶膜的形狀可分為：平板式或螺旋卷式酶膜反應器轉(zhuǎn)盤式酶膜反應器空心管式酶膜反應器中空纖維式酶膜反應器4膜反應器固定化酶膜反應器（1）平板式或螺旋卷式酶膜反應器特點：壓力降??；膜面積清晰；單位體積催化劑有效面積小。4膜反應器固定化酶膜反應器（2）空心酶管反應器結構：將酶固定在細管的內(nèi)壁上，管內(nèi)徑1mm左右。操作：底物溶液流經(jīng)細管時，只有與管壁接觸的部分進行酶反應。管內(nèi)流體的流動屬于層流。應用：主要是與自動分析儀組裝在一起，用于定量分析。4膜反應器固定化酶膜式應器（3）轉(zhuǎn)盤型固定化酶反應器結構：凝膠包埋的固定化酶成型為圓盤狀薄板，而后將許多凝膠薄板裝配在旋轉(zhuǎn)軸上，并把整個裝置浸在底物溶液中。反應器有立式和臥式兩種。特點：更換催化劑方便。臥式反應器適用于需氧反應，或者產(chǎn)生揮發(fā)性生成物的反應。應用：廣泛用于廢水處理裝置。4膜反應器固定化酶膜式反應器（4）中空纖維酶膜反應器4膜反應器結構：由外殼和數(shù)以千計的醋酸纖維制成的中空纖維組成。中空纖維：內(nèi)層緊密、光滑，可截留大分子物質(zhì)而允許不同的小分子物質(zhì)通過。外層為多孔的海綿狀支持層，酶被固定在此層中。反應器的形狀是管式或列管式，通過正常超濾程序壓迫底物與海綿狀介質(zhì)上的酶起反應。

固定化酶膜式應器（4）中空纖維膜反應器特點：可承受較高的操作壓力，表面積大，但易發(fā)生濃度極化或孔堵塞。4膜反應器中空纖維酶膜反應器連續(xù)制備異麥芽低聚糖以淀粉為原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。采用中空纖維酶膜反應器,先用α－淀粉酶和異淀粉酶糖化制備麥芽低聚糖;后用α－葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶轉(zhuǎn)苷制得異麥芽低聚糖。本發(fā)明大大縮短糖化、轉(zhuǎn)苷的反應周期,酶用量省,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,分枝糖含量大于60%。發(fā)酵液除菌過濾醬油、醋等釀造產(chǎn)品的澄清過濾果酒、藥酒、葡萄酒、白酒的澄清過濾；茶飲料、果飲料澄清過濾濃縮中藥提取液的分離和精制礦泉水無菌凈化住宅小區(qū)或大樓中水回收利用血液制品分離與精制酶膜反應器的應用及研究新進展（1）生物大分子的分解主要集中在淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)的水解。利用膜的篩分，將生物大分子與分子質(zhì)量小的水解產(chǎn)物相分離，可消除產(chǎn)物抑制作用。水解果膠以降低果汁的黏度；降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐癥）。6.1酶反應器的類型及特點（2）制備生物活性肽將生物活性肽的產(chǎn)生和分離耦合；降低酶用量、制備成本，有效控制蛋白質(zhì)水解。制備氨基酸，酪啡肽等。（3）含有輔助因子再生的酶反應器許多酶反應都需要輔因子的參與。如輔酶、輔基、能量供給體等。而這些輔因子的價格較貴，采用簡單的添加方法很不經(jīng)濟。特點：可使輔因子反復使用，降低生產(chǎn)成本。實例：NADH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生循環(huán)系統(tǒng)ATP再生循環(huán)系統(tǒng)（4）兩相或多相反應器問題由來：不溶或微溶于水的底物，在進行酶催化時，在水相中有濃度低、反應體積大、分離困難、能耗大等缺點。特點：使酶反應在水-有機相中進行，大大增加反應時的底物濃度，減少底物或產(chǎn)物對酶的抑制作用，使酶反應進行到底。操作：是將酶或固定化酶置于水相中，而底物溶解于有機相中，然后在攪拌乳化條件下反應。6.1酶反應器的類型及特點（5）固定化多酶反應器特點：可模擬微生物細胞的多酶系統(tǒng)，在反應器內(nèi)進行多種酶的順序反應，來合成各種產(chǎn)物。前景：有可能代替微生物發(fā)酵法來催化產(chǎn)品生成，用小型柱式反應器，取代龐大而低效的微生物發(fā)酵罐。6.1酶反應器的類型及特點反應器類型適用操作方式適用的酶優(yōu)、缺點攪拌罐式反應器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應比較完全，反應條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應液也可進行催化反應。鼓泡式反應器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應器的結構簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應。膜反應器連續(xù)式游離酶固定化酶結構緊湊、集反應和分離于一體；清洗比較困難。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。噴射式反應器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應，適用于某些耐高溫酶的反應第六章酶反應器酶反應器的類型及特點

酶反應器的選型與設計酶反應器的操作6.2酶反應器的選型與設計評價標準：反應器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。理想的酶反應器的要求：(1)所用生物催化劑應具有較高的比活和酶濃度，才能得到較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率。(2)能用電腦自動檢測和調(diào)控，從而獲得最佳反應條件。(3)具有良好的傳質(zhì)和混合性能。傳質(zhì)阻力是限制反應速度的主要因素(4)應具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應器的生產(chǎn)能力下降。一、酶反應器的選擇影響酶反應器選擇的因素很多，可以從以下幾個方面考慮：酶的形式(游離/固定化..)固定化酶的形狀、大小、機械強度酶的穩(wěn)定性酶反應動力學性質(zhì)底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)應用的可塑性及成本6.2酶反應器的選擇與設計一、酶反應器的選擇1、酶的應用形式：游離酶：可根據(jù)具體情況選擇攪拌罐式反應器、鼓泡式反應器、膜反應器、噴射式反應器；固定化酶：可根據(jù)具體情況選擇攪拌罐式反應器、填充床反應器、鼓泡式反應器、流化床反應器、膜反應器。6.2酶反應器的選擇與設計一、酶反應器的選擇2、固定化酶的形狀、顆粒大小、機械強度：形狀：主要有顆粒狀、膜狀和纖維狀。顆粒狀，采用攪拌罐、填充床、鼓泡式和流化床式反應器；對于膜狀、纖維狀固定化酶，采用填充床式、膜反應器。顆粒大小小顆粒狀固定化酶不宜采用填充床式，宜采用流化床、鼓泡式反應器。機械強度包埋法制備的固定化酶機械強度較差，對攪拌罐來說，要防止攪拌槳葉的剪切力對其造成的損傷；對填充床來說，如塔身很長，可用多孔板等將塔身適當隔開。一、酶反應器的選擇3、酶的穩(wěn)定性：考慮到酶的失效，在相似的條件下，PBR優(yōu)于CSTR，即酶失效速度較低。CSTR一般遠比其他反應器更易引起酶從載體上的脫落，或使酶顆粒變細，最后從反應器流失。PBR：填充床式反應器；CSTR：連續(xù)流式攪拌罐式反應器；6.2酶反應器的選擇與設計一、酶反應器的選擇4、酶的反應動力學性質(zhì)：混合效果越好，反應效率越高：攪拌罐式、流化床式反應器，混合效果較好，保證酶與底物分子有效碰撞和結合，反應系統(tǒng)均勻。膜反應器可采用輔助攪拌。底物濃度的高低：通常情況下，底物濃度越高，反應速度越快；當有高濃度底物抑制作用時，游離酶宜采用流加分批攪拌罐反應器、膜反應器固定化酶可采用CSTR、PBR、FBR、MR產(chǎn)物對反應有反饋抑制作用：最好采用MR酶催化反應條件：耐受高溫的酶選用噴射式反應器，反應需控制溫度、pH時，CSTR方便。6.2酶反應器的選擇與設計一、酶反應器的選擇5、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)：分子量較大的底物或產(chǎn)物：一般不采用膜反應器。溶解性底物或產(chǎn)物：顯然對任何類型的反應器都不會造成困難。顆粒狀和膠體狀底物：會堵塞超濾膜和填充床，應采用攪拌罐或流化床型反應器。高的攪拌速度可減少底物顆粒的沉積與堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。反應底物有氣體時：常用鼓泡式反應器。輔酶參加的反應：一般不采用膜反應器。6.2酶反應器的選擇與設計一、酶反應器的選擇6、應用的可塑性及成本：反應器應具有添加或更換酶的結構，且越容易越好，另外，必須具備容易清洗的結構。反應器應能夠適用于多種酶的催化反應?？紤]反應器造價成本、酶本身的價值。CSTR一般來說應用的可塑性較大，結構簡單，制造成本也較低。6.2酶反應器的選擇與設計二、酶反應器的設計目的：設計出生產(chǎn)成本最低，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量最高的酶反應器。設計依據(jù)：酶促反應動力學以及溫度、壓力、pH等操作參數(shù)對反應特性的影響；反應器內(nèi)流體流動狀態(tài)及傳熱特性；需要的生產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝流程。6.2酶反應器的選擇與設計二、酶反應器的設計設計過程

1、確定酶反應器的類型2、確定反應器的制造材料3、進行熱量衡算4、進行物料衡算6.2酶反應器的選擇與設計二、酶反應器的設計1、確定酶反應器的類型根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)，按照上一節(jié)所述的選擇原則，確定反應器的類型。2、確定反應器的制造材料酶催化反應通常在常溫、常壓、pH近乎中性的環(huán)境中進行反應，酶反應器的設計對制造材料沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼制造反應容器即可。6.2酶反應器的選擇與設計二、酶反應器的設計3、進行熱量衡算可以確定為達到一定的物理或化學變化須向設備傳入或從設備傳出的熱量。酶催化反應一般在30～70℃的溫度條件下進行，熱量衡算較簡單常溫催化：溫度的調(diào)節(jié)控制通常采用一定溫度的水通過夾套（或列管）加熱或冷卻方式；熱量衡算是根據(jù)水的溫度和使用量計算。對于某些耐高溫的酶，例如高溫淀粉酶，采用噴射式反應器；熱量衡算時，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進行計算。6.2酶反應器的選擇與設計二、酶反應器的設計4、進行物料衡算是運用質(zhì)量守恒定律，對化工過程進行定量計算。產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率：底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的比率6.2酶反應器的選擇與設計反應器設計的首要目的是使反應器具有高的轉(zhuǎn)化率。影響因素：酶的活性和濃度最為重要?？刂品磻獥l件以保持酶的高活性；反應器中也可使用高濃度的酶，但并非越高越好，過高會造成浪費。二、酶反應器的設計底物用量：根據(jù)所需產(chǎn)量、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收得率計算6.2酶反應器的選擇與設計反應液體積：根據(jù)底物用量和最適底物濃度計算酶用量：根據(jù)最適酶濃度和反應液總體積計算二、酶反應器的設計6.2酶反應器的選擇與設計反應器數(shù)目：分批反應器連續(xù)反應器第六章酶反應器酶反應器的類型及特點酶反應器的選型與設計1、酶的應用形式2、固定化酶的形狀、顆粒大小、機械強度3、酶的穩(wěn)定性4、酶的反應動力學性質(zhì)5、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)6、應用的可塑性及成本酶反應器的操作反應器類型適用操作方式適用的酶優(yōu)、缺點攪拌罐式反應器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應比較完全，反應條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應液也可進行催化反應。鼓泡式反應器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應器的結構簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應。膜反應器連續(xù)式游離酶固定化酶結構緊湊、集反應和分離于一體；清洗比較困難。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。噴射式反應器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應，適用于某些耐高溫酶的反應第七章酶反應器酶反應器的類型及特點酶反應器的選型與設計

酶反應器的操作6.3酶反應器的操作實現(xiàn)酶反應的高效進行，必須考慮以下三方面：選擇恰當?shù)拿福ǜ哔|(zhì)量）應用形式；選擇和設計合適的酶反應器；確定合理的反應操作條件。酶反應器的操作中，應注意如下幾方面：控制酶反應器中流體的流動狀態(tài)；維持酶反應器的恒定生產(chǎn)能力；保持酶反應器的穩(wěn)定；防止酶反應器的污染。一、流體流動狀態(tài)的控制反應器中流動方式的改變造成的不良影響：使酶與底物的接觸不良，造成反應器生產(chǎn)能力下降；造成返混程度的變化，發(fā)生程度不同的反應或發(fā)生副反應。（反混：指連續(xù)過程中與主流方向相反的運動所造成的物料混合。）6.3酶反應器的操作一、流體流動狀態(tài)的控制產(chǎn)生原因及對策：攪拌罐型反應器原因：攪拌速度不均勻（反應器內(nèi)物料的流