酶工程 第六章 酶反应器.ppt

酶反应器EnzymeReactor 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 enzymereactor 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 酶反应器的类型及特点 按形状 结构区分 搅拌罐式反应器 stirredtankreactor STR 鼓泡式反应器 bubblecolumnreactor BCR 填充床式反应器 packedcolumnreactor PCR 流化床式反应器 fluidizedbedreactor FBR 膜反应器 membranereactor 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 batchreactor 流加分批式反应器 feedingbatchreactor 连续式反应器 continuousreactor 按结构与操作方式结合区分 分批搅拌罐反应器 batchstirredtankreactor BSTR 连续搅拌罐反应器 continuousstirredtankreactor 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stirredtankreactor STR 1 分批搅拌罐反应器 batchstirredtankreactor 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 连续搅拌罐反应器 continuousflowstirredtankreactor 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 continuousflowstirredtankreactor CSTR 连续搅拌罐 超滤反应器 在CSTR出口处设置一个超滤器 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 ultrafiltrationreactor CSTR UFR 1 搅拌罐式反应器stirredtankreactor 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 plugflowreactor 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packedcolumnreactor PBR 优点 催化剂密度大 催化效率高 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packedcolumnreactor PBR 2 填充床反应器packedcolumnreactor 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fluidizedbedreactor 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fluidizedbedreactor 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fluidizedbedreactor FBR 循环反应器recyclereactor 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bubblecolumnreactor BCR 4 鼓泡式反应器bubblecolumnreactor 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bubblecolumnreactor 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membranereactor 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projectionalreactor 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 HighFructoseSyrup 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 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1 3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