第八章酶反應(yīng)器-課件

第八章生物反應(yīng)器1什么是酶反應(yīng)器?酶和固定化酶在體外進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，都必需在一定的反應(yīng)容器中進(jìn)行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催化反應(yīng)的速度。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。酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反應(yīng)提供合適的場(chǎng)所和最佳的反應(yīng)條件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。2生物反應(yīng)器具有中心的作用，它是連接原料和產(chǎn)物的橋梁，也是多種學(xué)科的交叉點(diǎn)。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，就是生物工程中一個(gè)極其重要的問題，它對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有著很大影響。3生物反應(yīng)器的特點(diǎn)酶促反應(yīng)器：利用生物催化劑進(jìn)行一步或幾步催化反應(yīng)，游離或固定化酶（細(xì)胞），簡(jiǎn)單，與一般的化學(xué)反應(yīng)器無大的區(qū)別。細(xì)胞生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)過程中，活細(xì)胞（微生物、動(dòng)植物細(xì)胞）的生長(zhǎng)、代謝或者同時(shí)復(fù)雜酶系統(tǒng)的生物催化轉(zhuǎn)化，發(fā)酵罐。生物反應(yīng)復(fù)雜，細(xì)胞中精確調(diào)控的酶系進(jìn)行的催化反應(yīng)。生物反應(yīng)器的作用：為生物催化反應(yīng)與細(xì)胞代謝提供一個(gè)適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使反應(yīng)效率更高，細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝更快更好，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物更多。4優(yōu)良的反應(yīng)器應(yīng)具備：嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)；良好的液體混合性能高效的傳質(zhì)、傳熱性能；配套而又可靠的檢測(cè)和控制儀表。判斷的標(biāo)準(zhǔn)：能否適合催化工藝要求，最大生產(chǎn)效率。5酶促反應(yīng)器：生化反應(yīng)簡(jiǎn)單，酶如同化學(xué)催化劑，基本與化學(xué)反應(yīng)器同，要考慮生物酶的特性。細(xì)胞反應(yīng)器：發(fā)酵罐，考慮細(xì)胞的增殖、催化活性、雜菌的污染。與化學(xué)反應(yīng)器區(qū)別很大。發(fā)酵罐與酶促反應(yīng)器的主要區(qū)別：生物反應(yīng)速率較慢，體積反應(yīng)速率不高，反應(yīng)器大。對(duì)好氧過程，通風(fēng)和混合要求，動(dòng)力消耗較大，產(chǎn)物濃度低。杜絕雜菌污染6生物反應(yīng)器的分類按幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征劃分：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等管式、膜式用于連續(xù)操作。直徑較大、縱向較短的管式成為塔式反應(yīng)器。7按催化劑類型或培養(yǎng)對(duì)象劃分：酶促反應(yīng)器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器。游離酶反應(yīng)器：考慮使用目的、反應(yīng)形式、底物濃度、反應(yīng)速率、物質(zhì)傳遞、反應(yīng)器制造和運(yùn)轉(zhuǎn)成本及操作難易等因素，采用一般化學(xué)反應(yīng)器，固定化酶促反應(yīng)器：還要考慮固定化酶的形狀（顆粒、纖維、膜）、大小、機(jī)械強(qiáng)度、密度和再生難易，操作上的要求（如pH、供養(yǎng)、雜菌污染），反應(yīng)動(dòng)力學(xué)形式，和物質(zhì)傳遞特性，內(nèi)外擴(kuò)散、底物性質(zhì)、催化劑的表面與反應(yīng)器的體積的比值等。如：顆粒狀固定化酶，機(jī)械強(qiáng)度（凝膠包埋、微囊酶）、機(jī)械攪拌的剪切、耐壓縮性（安裝篩板）8按供氧劃分：好氧反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器好氧、厭氧反應(yīng)，某些溶劑（乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇）、乳酸、沼氣都是厭氧產(chǎn)品。氧在培養(yǎng)基中的溶解度，不斷進(jìn)行通氣和攪拌，同時(shí)保持培養(yǎng)液懸浮，促進(jìn)發(fā)酵熱散發(fā)。根據(jù)反應(yīng)器所需的混合方式與能量輸入方式劃分：機(jī)械攪拌輸入能量的攪拌型反應(yīng)器、利用氣體噴射動(dòng)能的氣升式反應(yīng)器、利用泵對(duì)液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式反應(yīng)器。最多的還是攪拌型反應(yīng)器，氣升式反應(yīng)器在特殊產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用效果很好。9根據(jù)反應(yīng)器的操作方式劃分：間歇式、連續(xù)式、半間歇式生物反應(yīng)器。間歇式反應(yīng)器：反應(yīng)物料一次性加入，反應(yīng)過程中，沒有底物的加入和產(chǎn)物的取出，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成隨反應(yīng)時(shí)間的變化而變化，非穩(wěn)態(tài)過程。連續(xù)式反應(yīng)器：不斷補(bǔ)充底物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物不斷被稀釋而排除，催化過程連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，反應(yīng)期內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時(shí)間變化而改變，穩(wěn)態(tài)過程?？朔说孜锘驙I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被耗盡或產(chǎn)物代謝物積累抑制等缺點(diǎn)。但是連續(xù)反應(yīng)過程的操作和質(zhì)量控制有更高的要求。半連續(xù)反應(yīng)器：將原料與部分產(chǎn)物連續(xù)輸入或輸出，其余分批加入和輸出。具有上述兩種反應(yīng)器的特點(diǎn)。10根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：生物團(tuán)塊反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器。生物團(tuán)塊反應(yīng)器按催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為：填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤。根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀態(tài)劃分：全混流和活塞流型生物反應(yīng)器?；钊魇剑悍磻?yīng)液在反應(yīng)器徑向嚴(yán)格均一的速度分布，反應(yīng)速度僅隨空間位置不同而變化。全混流式：反應(yīng)器內(nèi)濃度分布均勻。根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的物料狀態(tài)劃分：液態(tài)和固態(tài)生物反應(yīng)器。1112生物反應(yīng)器的研究?jī)?nèi)容高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、良好的液體混合性能和較高的三傳速率、能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的檢測(cè)及控制儀表。評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器的好壞：適合工藝，最大生產(chǎn)效率。研究和設(shè)計(jì)內(nèi)容：按工藝選型；按反應(yīng)過程物料衡算、傳質(zhì)傳熱計(jì)算；考慮無菌條件；設(shè)計(jì)必要的過程控制。13生物反應(yīng)器開發(fā)研究的具體內(nèi)容：1、建立描述生化反應(yīng)過程的各種數(shù)學(xué)模型，為生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提高理論基礎(chǔ)。：以反應(yīng)器為研究對(duì)象，分別研究生化反應(yīng)、傳遞過程、流體流動(dòng)與混合等過程，聯(lián)立求解動(dòng)力學(xué)方程、物料及能量衡算，生物反應(yīng)過程規(guī)律的解析表達(dá)式，獲得數(shù)學(xué)模型，過程的自控、優(yōu)化和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大。2、生物反應(yīng)器的大型化發(fā)展：放大降低生產(chǎn)成本，大型反應(yīng)器200—500m3，抗生素400m3，氨基酸300m3，SCP氣升式2600m3，廢水處理27000m3。3、特殊要求的新型生物反應(yīng)器的研制：適應(yīng)不同類型的生物催化劑與催化反應(yīng)過程的生物反應(yīng)器，如基因工程菌反應(yīng)器、固定化酶反應(yīng)器、固定化細(xì)胞反應(yīng)器、非水相生物反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器、固體發(fā)酵、反應(yīng)與分離耦合反應(yīng)器。

14生物反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)生化反應(yīng)機(jī)制、反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱、物料混合流動(dòng)、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和型式。生物學(xué)基礎(chǔ)：生化反應(yīng)機(jī)制、生理特性等。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，定量描述反應(yīng)過程速率及其影響因素，包括生物體本身、組分的濃度、溫度。細(xì)胞生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率及動(dòng)力學(xué)模型細(xì)胞基質(zhì)產(chǎn)物反應(yīng)體積15生物反應(yīng)器中混合與傳熱：混合：混合過程影響反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量傳遞，影響催化反應(yīng)效果。機(jī)械攪拌混合和氣流攪拌混合。機(jī)械攪拌混合：主體對(duì)流擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散、分子擴(kuò)散。作用范圍：主體>渦流>分子。宏觀流動(dòng)（粗略混合）-微觀流動(dòng)-微觀混合（完全混合）。反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)決定物料的混合狀態(tài)，混合狀態(tài)常用返混表述。不同停留時(shí)間的物料之間的混合，間歇反應(yīng)器中，不存在返混。返混是與連續(xù)操作伴生的現(xiàn)象。返混原因：死角、溝流或短路、軸向擴(kuò)散與徑向速度分布不勻（管式反應(yīng)器）、劇烈攪動(dòng)（釜式反應(yīng)器）。實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，難于精確數(shù)學(xué)描述，通常采用合理簡(jiǎn)化（流動(dòng)模型）,用模型的分析和計(jì)算代替實(shí)際反應(yīng)器的分析和計(jì)算（數(shù)學(xué)模型法）。平推流模型（無返混）、全返混模型（全返混）、軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型（介于無返混和全返混之間）。流動(dòng)情況用流場(chǎng)描述。16生物反應(yīng)器中的傳熱：能量平衡：熱量計(jì)算方法：通過反應(yīng)中冷卻水帶走的熱量計(jì)算。通過反應(yīng)液溫度的升高進(jìn)行計(jì)算。通過生物合成進(jìn)行計(jì)算。通過燃燒熱計(jì)算。換熱面積計(jì)算：A=Qall/KΔtm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，夾套K400-700kJ/(m2.h.C),排管K1200-1900，管壁較薄且對(duì)冷卻水強(qiáng)制循環(huán)時(shí)K3300-4200。17理想的反應(yīng)器模型：活塞流（CPFR）、全混式（CSTR）CPFR與CSTR的比較：停留時(shí)間（CSTR>CPFR）、酶的需求量（CSTR相對(duì)量較大）、酶的穩(wěn)定性（一級(jí)反應(yīng):CPFR更容易失活）、濃度分布、參見生化反應(yīng)工程CPFRCSTR18幾種常見的反應(yīng)器機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和功能19機(jī)械攪拌反應(yīng)器的幾何尺寸通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸比例H-筒身高度D-罐徑W-擋板寬度HL-液位高度d-攪拌器直徑s-兩攪拌器間距B-下攪拌器據(jù)底間距20一般來講，發(fā)酵罐的“公稱容積”V0是指筒身容積Vc和底封頭容積Vb之和。底封頭容積V可根據(jù)封頭的形狀、直徑及壁厚查有關(guān)化工容器設(shè)計(jì)手冊(cè)求得，也可近似地用下式計(jì)算：21機(jī)械攪拌反應(yīng)器的混合和攪拌：軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)

攪拌器的形式與攪拌流型：

槳型式：螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式…..螺旋槳：軸向流動(dòng)為主，流體形成軸向的螺旋狀運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：直徑小、轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)生的循環(huán)量大，混合效果較好，但對(duì)氣泡非分散效果較差。22希望以徑向液流為主，同時(shí)兼顧軸向翻動(dòng)。通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器。渦輪槳:徑向流動(dòng)為主，徑向離心力，攪拌器中央帶有圓盤，特點(diǎn)：對(duì)流體的剪切力劇烈、葉片寬產(chǎn)生大的流體循環(huán)量，平葉、彎葉、箭葉。23功率消耗：平葉>彎葉>箭葉粉碎氣泡的能力：相同攪拌功率下，平葉>彎葉>箭葉翻動(dòng)流體的能力：箭葉>彎葉>平葉攪拌功率的確定和計(jì)算：反應(yīng)器設(shè)計(jì)重要方面。攪拌功率影響流體的混合、傳質(zhì)和傳熱。24機(jī)械攪拌酶反應(yīng)器：間歇式BSTR、連續(xù)攪拌式CSTR：敞口式CSTR便于更換固定化酶，易于控制，能處理膠態(tài)和不溶性底物。25

連續(xù)流攪拌桶反應(yīng)器連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器26鼓泡式和氣升式生物反應(yīng)器特點(diǎn)：無機(jī)械攪拌、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氧傳遞效率高、能耗低、安裝維修方便等。鼓泡式反應(yīng)器：空氣攪拌高位反應(yīng)器，高徑比大的鼓泡為塔式反應(yīng)器，又稱高位篩板式反應(yīng)器，多孔篩板的作用27鼓泡式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌反應(yīng)器對(duì)比：鼓泡式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、動(dòng)力消耗小、沒有軸封不造成染菌、對(duì)細(xì)胞剪切力小、操作成本低、噪音小。鼓泡式缺點(diǎn)：反應(yīng)器很高、室外安裝、較大壓力的壓縮空氣。適用于液體粘度低、固含量少、需氧量低的催化工程。低能耗下較高的氧傳遞效率。28環(huán)流反應(yīng)器塔式反應(yīng)器，氣升環(huán)流式和噴射環(huán)流式氣升式環(huán)流反應(yīng)器：內(nèi)環(huán)流式、外環(huán)流式….特點(diǎn)：氣體的上升力帶動(dòng)流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)形成良好的混合，供氧和傳熱較好。29噴射環(huán)流式：機(jī)械泵引射壓縮空氣，噴口出口強(qiáng)的剪切力場(chǎng)，形成小氣包，反應(yīng)器內(nèi)從新聚并成大氣泡，通過環(huán)流再度分散，加快傳質(zhì)，相同能耗下，氧傳遞速率要高很多。30自吸式生物反應(yīng)器類型：機(jī)械攪拌自吸式、噴射自吸式、溢流噴射自吸式….不需要壓縮空氣壓縮機(jī)，而是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)等方式產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。關(guān)鍵部件：帶有中央吸氣口的攪拌器，攪拌器為空心葉輪，攪拌器旋轉(zhuǎn)甩出液體，葉輪中心形成負(fù)壓。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械攪拌的抽吸作用自行引入空氣，氣液接觸良好、氣泡分散細(xì)、溶氧系數(shù)高、省去了壓縮機(jī)。缺點(diǎn)：進(jìn)罐空氣為負(fù)壓、吸程不高、采用低阻力高效空氣除菌裝置。3132厭氧生物反應(yīng)器連續(xù)厭氧發(fā)酵設(shè)備連續(xù)管道厭氧反應(yīng)器33固定床、流化床生物反應(yīng)器用于固定化酶、細(xì)胞固定床反應(yīng)器：塔式、管式，平推流反應(yīng)器固定化酶：球形、蝶形、薄片、小珠狀34優(yōu)點(diǎn)：催化劑裝填密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、適用于易磨損的固定化酶、較高的產(chǎn)率（產(chǎn)物抑制體系）。缺點(diǎn)：傳質(zhì)傳熱相對(duì)較低，固定床顆粒影響壓降和內(nèi)擴(kuò)散阻力（顆粒盡可能均勻）、固體物料不宜、35流化床反應(yīng)器：fludizedbedreactor,FBR特點(diǎn)：流體與固體顆粒充分接觸，混合程度高、傳熱傳質(zhì)好、適宜于粘性大和含固體物料。不適宜于產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。新型流化床顆粒：固定化酶內(nèi)添加砂粒、或磁性物質(zhì)等，提高固相和液相的的密度差，提高傳質(zhì)速率。36選擇酶反應(yīng)器的原則：無特定的規(guī)律，根據(jù)酶、底物、載體性能、酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性、反應(yīng)條件、反應(yīng)器本身的造價(jià)綜合因素。37膜生物反應(yīng)器膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)，membranebioreactor,MBR,工程強(qiáng)化技術(shù)，依靠膜的功能改變反應(yīng)進(jìn)程，提高反應(yīng)效率。膜的4種主要功能：載體功能：固定化載體，生物活性的功能膜分離功能：膜的多孔性、膜與組分物理化學(xué)作用的不同，選擇性透過不同物質(zhì)。分隔功能：膜的兩個(gè)表面將系統(tǒng)分隔成相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)部分，可透過相關(guān)物質(zhì)。復(fù)合功能：依靠復(fù)合技術(shù)制備出幾層不同功能膜組成的復(fù)合膜。38如：利用分離和分隔功能，反應(yīng)和分離耦合，膜的原位分離技術(shù)，移動(dòng)平衡、提高選擇性、緩解產(chǎn)物抑制和毒害等。39膜反應(yīng)器的類型：2種（1）膜反應(yīng)器：酶膜、固定化細(xì)胞的中空纖維反應(yīng)器。（2）生物反應(yīng)器與膜組件組合成反應(yīng)與分離耦合體系:攪拌反應(yīng)器+超濾膜膜的孔徑由小到大分為：滲透膜（RO）、超濾膜（UF）、微濾膜（MF）、普通過濾膜40膜反應(yīng)器的應(yīng)用：生物大分子的水解輔酶再生反應(yīng)體系脂肪酶、酯酶的有機(jī)相酶催化體系反膠束體系和其他酶催化過程。膜的污染和大型膜反應(yīng)系統(tǒng)的制備等原因，遠(yuǎn)未進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。例：有機(jī)酸發(fā)酵反應(yīng)與分離耦合：41

各種酶反應(yīng)器及其特點(diǎn)反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的酶特點(diǎn)攪拌罐式反應(yīng)器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應(yīng)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(duì)粘度較大反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)。42反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的酶特點(diǎn)鼓泡式反應(yīng)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(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)。膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶固定化酶清洗比較困難噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)43酶反應(yīng)器的選擇在選擇酶反應(yīng)器時(shí)，要考慮：酶形式、酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)等同時(shí)，反應(yīng)器盡可能具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、易于維護(hù)和清洗、可適用于多種酶的催化反應(yīng)、制成成本和運(yùn)行成本較低等特點(diǎn)。44游離酶攪拌罐式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器膜分離反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器45固定化酶攪拌罐式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器膜分離反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器46根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶催化反應(yīng)的速度及其應(yīng)因素的學(xué)科，影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的因素包括酶與底物的結(jié)合程度、底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響、反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)酶的反饋抑制作用以及酶催化作用的溫度條件等。47酶與底物分子有效碰撞和結(jié)合—反應(yīng)系統(tǒng)混合均勻—攪拌罐式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器。高濃度底物對(duì)酶抑制—流加分批罐式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器等產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)—膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器。耐高溫酶—噴射式反應(yīng)器。48三、根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器酶催化過程中，底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)直接影響酶催化反應(yīng)速率，底物或產(chǎn)物的分子質(zhì)量、溶解性、粘度等性質(zhì)也對(duì)反應(yīng)器的選擇有重要影響。（1）反應(yīng)底物或產(chǎn)物分子質(zhì)量較大時(shí)，不宜采用膜反應(yīng)器。（2）底物或產(chǎn)物溶解度低、粘度高時(shí)，選擇攪拌罐式反應(yīng)器，不采用填充床式反應(yīng)器和膜式反應(yīng)器。49（3）反應(yīng)底物為氣體時(shí)，常選擇鼓泡式反應(yīng)器。（4）小分子物質(zhì)作為輔酶的催化反應(yīng)，不選膜反應(yīng)器，以免輔酶的流失。50生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)：強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱等操作，將催化活性控制在最佳條件、降低總的操作成本。設(shè)計(jì)目標(biāo)：催化反應(yīng)效率提高、最大限度降低成本、最少成本最大限度增加單位體積產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，創(chuàng)造更大效益。設(shè)計(jì)的重要方面包括:改善生物催化劑、實(shí)現(xiàn)良好的過程控制、提供良好的無菌條件、克服速度限制因素（物質(zhì)傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞）等酶反應(yīng)器：不需要通氣與劇烈的攪拌，不考慮生物體生長(zhǎng)代謝，主要考慮反應(yīng)器的選型。細(xì)胞生長(zhǎng)代謝的生物反應(yīng)器：復(fù)雜，嚴(yán)格的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大。51生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的限制因素

酶或微生物是一種生物催化劑。實(shí)際上，反應(yīng)器還要受到物理因素的限制，并不可能使生產(chǎn)速率很高。若生物催化劑的濃度和比活力都很高，傳質(zhì)和傳熱成為提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。在生物催化劑濃度較低或比活力也較低時(shí)，生物催化劑的因素是生物反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。在生物催化劑的濃度較高且比活力也較高時(shí)，反應(yīng)器的操作因素成為限制因素。52生物反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

53生物反應(yīng)器研究的主要內(nèi)容反應(yīng)器選型:根據(jù)工藝特征、反應(yīng)特性、物料特性確定反應(yīng)器的操作方式、結(jié)構(gòu)類型、能量傳遞、流體流動(dòng)方式等。設(shè)計(jì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)并確定結(jié)構(gòu)參數(shù)：內(nèi)部機(jī)構(gòu)、幾何尺寸，如攪拌槳形式、大小、轉(zhuǎn)速、換熱方式及換熱面積。確定工藝參數(shù)及控制方式：溫度、壓力、pH、通氣量、底物濃度、物料流量等。54設(shè)計(jì)過程中要考慮的因素生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：生物反應(yīng)器定量研究的基礎(chǔ)流體的輸送及混合：流體間的動(dòng)量傳遞、機(jī)械能的轉(zhuǎn)化熱量的傳遞：反應(yīng)熱（發(fā)酵熱）的傳出和反應(yīng)器溫度的控制物質(zhì)的傳遞：細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的交換、營(yíng)養(yǎng)物、氧、CO2、底物和產(chǎn)物傳遞。55生物催化反應(yīng)涉及到的特殊性底物特殊性：膠狀物、絮狀物等，多考慮流化床反應(yīng)器。固定化酶：減少對(duì)固體的劇烈的剪切力，可以通過不同方式的固定化酶裝載方式，如裝在攪拌葉片上、或外置循環(huán)。微生物和酶的雜菌污染：56生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作參數(shù)停留時(shí)間轉(zhuǎn)化率產(chǎn)物酶的用量溫度pH底物濃度57生物反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算不同于普通的化學(xué)反應(yīng)器，動(dòng)力學(xué)模型更加復(fù)雜，更加非線性化。物料衡算酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：米式方程微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程：Monod方程反應(yīng)器模型：全混式、平推流式58生物反應(yīng)器的放大經(jīng)驗(yàn)放大法因次分析法時(shí)間常數(shù)法數(shù)學(xué)模擬法59經(jīng)驗(yàn)放大法幾何相似放大以單位體積液體中攪拌功率相同放大以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則放大以空氣線速度相同的原則放大以KLa相同的原則放大攪拌器葉尖速度相同的原則放大混合時(shí)間相同的原則放大60數(shù)學(xué)模擬放大法61減壓式反應(yīng)器用于生物催化反應(yīng)中易揮發(fā)產(chǎn)物的在線去除

Wei

Dongzhi*,Yuying,BiocatalysisandBiotransformation,2003,21(3)135-139.

62生物催化合成油酸乙基葡萄糖苷酯減壓式反應(yīng)器用常規(guī)反應(yīng)器用63實(shí)驗(yàn)進(jìn)展反應(yīng)器設(shè)計(jì)酯化反應(yīng)器6464循環(huán)式反應(yīng)器1攪拌罐2柱塞泵3固定化酶柱6566

固定床式反應(yīng)器

1攪拌罐2柱塞泵3固定化酶柱（卷成筒狀）4硅膠柱6768固定床式反應(yīng)器

6869兩種放大反應(yīng)器的比較:固定床反應(yīng)器攪拌式反應(yīng)器697071固定化細(xì)胞反應(yīng)器7273747576777879固定化細(xì)胞的應(yīng)用8081828384858687理想的酶反應(yīng)器的要求生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)：使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低。評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)：反應(yīng)器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。(1)所用生物催化劑應(yīng)具有較高的比活和酶濃度（或細(xì)胞濃度），才能得到較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率。(2)能用電腦自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)控，從而獲得最佳的反應(yīng)條件。(3)應(yīng)具有良好的