第六章酶反应器案例.ppt

第六章,酶反应器,酶反应器(Enzymereactor)：以游离酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应所需的容器及其附属设备称为酶反应器，它是用于完成酶促反应的核心装置，是连接原料和产物的桥梁。作用：为酶催化反应提供合适的场所和最佳反应条件，在酶的催化下使底物最大限度的转化成产物。特点：不同于细胞生物反应器：不同于化学反应器：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能也比较少,一步或几步催化反应的设备，结构简单,只需考虑适合生物催化剂有效发挥催化功能的反应条件，过程控制简单,酶催化反应过程示意图,过程调控,酶反应器,消毒,原料预处理,产物分离提纯,产品,生物催化剂制备,空气,除菌,能量,热量,第六章酶反应器,酶反应器的类型及特点酶反应器的选择与设计酶反应器的操作,本章重点内容1.酶反应器的类型及特点2.酶反应器的选择依据3.酶反应器的操作,6.1酶反应器的类型及特点,按结构分类搅拌罐式反应器（StirredTankReactor,STR）填充床式反应器(packedbedreactor,PBR)流化床式反应器(FluidizedBedReactor,FBR)鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)喷射式反应器（projectionreactor,PR）酶膜反应器(MembraneReactor,MR),按操作方式分类分批式反应器(batch)连续流式反应器(continuous)流加分批式反应器(feedingbatch)结构+操作方式连续流式搅拌罐式反应器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批式搅拌罐式反应器（BatchStirredTankReactor,BSTR）,酶反应器分类,传统酶反应器搅拌罐式反应器（StirredTankReactor,STR）填充床式反应器(packedbedreactor,PBR)流化床式反应器(FluidizedBedReactor,FBR)鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)喷射式反应器（projectionreactor,PR）新型酶反应器酶膜反应器(MembraneReactor,MR),1、搅拌罐式反应器,最常用的一种传统形式的酶反应器。结构组成：容器（反应罐）、搅拌器及保温装置。按操作方式分为：分批式搅拌罐式反应器：底物和游离酶一次性投入反应器，产物一次性取出；游离或固定化酶在反应结束后经过滤回收，转入下一批反应。连续流式搅拌罐式反应器：向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应平衡后，以恒定流速连续流入底物，以相同流速输出产物。,6.1酶反应器的类型及特点,1、搅拌罐式反应器,优点：结构简单，易操作；酶与底物混合充分均匀；传质速度快，反应能迅速达到稳态；能处理胶体状底物、不溶性底物。缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶的失活损失。发展与改进：在反应器出口装上滤器,或制成磁性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐内，作为搅拌桨叶或挡板。,6.1酶反应器的类型及特点,传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质量传递过程，简称传质。例如：气相-液相：液体蒸馏；气相-固相：固体的干燥；液相-固相：结晶、离子交换。,液体蒸馏：根据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化，以达到分离的目的。结晶：含某物质的过饱和溶液与同一物质的固体相接触时，其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大。离子交换：溶液中阳离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交换过程。,1、搅拌罐式反应器,6.1酶反应器的类型及特点,2、填充床式反应器,PackedBedReactor,PBR，又称固定床反应器，是固定化酶常用的一种反应器。,6.1酶反应器的类型及特点,结构：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，底物溶液从反应器以一定方向通过固定化酶柱床，通过酶催化生成产物，并连续收集输出的转化液（含产物）。操作特点：底物按一定方向以恒定速度通过固定化酶床层，通过底物溶液的流动实现物质的传递与混合。活塞流反应器：横截面液体流速相同，浓度相同，流动方向底物、产物浓度逐渐变化。,2、填充床式反应器,6.1酶反应器的类型及特点,适用性：广泛适用于固定化酶优点：高效率（单位体积催化剂负荷量高）、剪切力小、结构简单等，特别适合于存在底物、产物抑制的催化反应，是工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。缺点：温度和pH难以控制；底物和产物会产生轴向分布，相应酶失活程度呈轴向分布；清洗和更换固定化酶麻烦；传质传热性能较差，柱内有自压缩倾向，易堵塞（不宜采用黏度大的底物），固定化酶受到的压力大（引起破碎）。改进：在固定床中间用托板分隔，减少底层固定化酶所受压力,3、流化床反应器,6.1酶反应器的类型及特点,结构：流化床反应器（FluidizedBedReactor,FBR）是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器，反应器形状可为柱形或锥形等。操作特点：底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在悬浮状态下进行催化反应。注意控制反应液的流动速度。适用性：适用于固定化酶进行连续催化反应,3、流化床反应器,6.1酶反应器的类型及特点,优点：不断旋转翻动，混合均匀，具有良好的传质及传热性能，不易堵塞，适用于处理粘度高的液体；pH、温度控制及气体的供给比较容易；即使细小颗粒的固定化酶，压力也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大；由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损；由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。,4、鼓泡式反应器,特点：利用从反应器底部通入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合两种作用。结构：底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。操作：游离酶、固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡提供混合作用。优点：适用于有气体吸收的生物反应。,6.1酶反应器的类型及特点,啤酒连续发酵塔型固定化活菌体反应器,5.喷射式反应器,特点：利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应的反应器。催化反应速度快，效率高，可在短时间完成催化反应。适用于：高温游离酶，如高温淀粉酶。,新型酶反应器-酶膜反应器,结构组成：由酶反应装置和膜分离组件构成，将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起，同时完成生化反应和分离过程的反应器。根据酶的存在状态不同分为：游离酶膜反应器固定化酶膜反应器,6.1酶反应器的类型及特点,几种典型的酶膜反应器,游离酶膜反应器特点：超滤膜孔径范围：1-100nm（截留Mr500-10000）游离酶和固定化酶平均相对分子质量：10000-100000,优点：酶均匀分布于反应器内，酶促反应接近本征动力学的状态下进行；酶可重复利用，特别适用于价格较高的酶；可用于胶态或不溶性底物，特别适用于有产物抑制的场合；缺点：酶的长期操作稳定性差；酶易在膜上吸附造成膜污染，发生浓差极化现象。添加新鲜的酶以维持反应连续稳定地进行,游离酶膜反应器,4膜反应器,浓差极化,膜分离过程中的一种现象料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质被截留，在临近膜界面浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，导致溶剂透过量下降。,超滤膜酶反应器浓差极化现象,固定化酶膜反应器,结构组成：酶以固定化酶的形式存在于膜相的微孔或膜基质中。（半透膜可作为界面催化剂的支撑体）根据固定化酶膜的形状可分为：平板式或螺旋卷式酶膜反应器转盘式酶膜反应器空心管式酶膜反应器中空纤维式酶膜反应器,4膜反应器,固定化酶膜反应器,（1）平板式或螺旋卷式酶膜反应器特点：压力降小；膜面积清晰；单位体积催化剂有效面积小。,4膜反应器,固定化酶膜反应器,（2）空心酶管反应器结构：将酶固定在细管的内壁上，管内径1mm左右。操作：底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。管内流体的流动属于层流。应用：主要是与自动分析仪组装在一起，用于定量分析。,4膜反应器,固定化酶膜式应器,（3）转盘型固定化酶反应器结构：凝胶包埋的固定化酶成型为圆盘状薄板，而后将许多凝胶薄板装配在旋转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中。反应器有立式和卧式两种。特点：更换催化剂方便。卧式反应器适用于需氧反应，或者产生挥发性生成物的反应。应用：广泛用于废水处理装置。,4膜反应器,固定化酶膜式反应器,（4）中空纤维酶膜反应器,4膜反应器,结构：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成。中空纤维：内层紧密、光滑，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在此层中。反应器的形状是管式或列管式，通过正常超滤程序压迫底物与海绵状介质上的酶起反应。,固定化酶膜式应器,（4）中空纤维膜反应器特点：可承受较高的操作压力，表面积大，但易发生浓度极化或孔堵塞。,4膜反应器,中空纤维酶膜反应器连续制备异麦芽低聚糖,以淀粉为原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。采用中空纤维酶膜反应器,先用淀粉酶和异淀粉酶糖化制备麦芽低聚糖;后用葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶转苷制得异麦芽低聚糖。本发明大大缩短糖化、转苷的反应周期,酶用量省,产品质量稳定,分枝糖含量大于60%。,发酵液除菌过滤酱油、醋等酿造产品的澄清过滤果酒、药酒、葡萄酒、白酒的澄清过滤；茶饮料、果饮料澄清过滤浓缩中药提取液的分离和精制矿泉水无菌净化住宅小区或大楼中水回收利用血液制品分离与精制,酶膜反应器的应用及研究新进展,（1）生物大分子的分解主要集中在淀粉、纤维素、蛋白质的水解。利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小的水解产物相分离，可消除产物抑制作用。水解果胶以降低果汁的黏度；降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐症）。,6.1酶反应器的类型及特点,（2）制备生物活性肽将生物活性肽的产生和分离耦合；降低酶用量、制备成本，有效控制蛋白质水解。制备氨基酸，酪啡肽等。,（3）含有辅助因子再生的酶反应器许多酶反应都需要辅因子的参与。如辅酶、辅基、能量供给体等。而这些辅因子的价格较贵，采用简单的添加方法很不经济。特点：可使辅因子反复使用，降低生产成本。实例：NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生循环系统ATP再生循环系统,（4）两相或多相反应器问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶催化时，在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大等缺点。特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时的底物浓度，减少底物或产物对酶的抑制作用，使酶反应进行到底。操作：是将酶或固定化酶置于水相中，而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应。,6.1酶反应器的类型及特点,（5）固定化多酶反应器特点：可模拟微生物细胞的多酶系统，在反应器内进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物。前景：有可能代替微生物发酵法来催化产品生成，用小型柱式反应器，取代庞大而低效的微生物发酵罐。,6.1酶反应器的类型及特点,第六章酶反应器,酶反应器的类型及特点酶反应器的选型与设计酶反应器的操作,6.2酶反应器的选型与设计,评价标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。理想的酶反应器的要求：,(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度，才能得到较大的产品转化率。,(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳反应条件。,(3)具有良好的传质和混合性能。传质阻力是限制反应速度的主要因素,(4)应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。,一、酶反应器的选择,影响酶反应器选择的因素很多，可以从以下几个方面考虑：酶的形式(游离/固定化.)固定化酶的形状、大小、机械强度酶的稳定性酶反应动力学性质底物和产物的理化性质应用的可塑性及成本,6.2酶反应器的选择与设计,一、酶反应器的选择,1、酶的应用形式：游离酶：可根据具体情况选择搅拌罐式反应器、鼓泡式反应器、膜反应器、喷射式反应器；固定化酶：可根据具体情况选择搅拌罐式反应器、填充床反应器、鼓泡式反应器、流化床反应器、膜反应器。,6.2酶反应器的选择与设计,一、酶反应器的选择,2、固定化酶的形状、颗粒大小、机械强度：形状：主要有颗粒状、膜状和纤维状。颗粒状，采用搅拌罐、填充床、鼓泡式和流化床式反应器；对于膜状、纤维状固定化酶，采用填充床式、膜反应器。颗粒大小小颗粒状固定化酶不宜采用填充床式，宜采用流化床、鼓泡式反应器。机械强度包埋法制备的固定化酶机械强度较差，对搅拌罐来说，要防止搅拌桨叶的剪切力对其造成的损伤；对填充床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适当隔开。,一、酶反应器的选择,3、酶的稳定性：考虑到酶的失效，在相似的条件下，PBR优于CSTR，即酶失效速度较低。CSTR一般远比其他反应器更易引起酶从载体上的脱落，或使酶颗粒变细，最后从反应器流失。PBR：填充床式反应器；CSTR：连续流式搅拌罐式反应器；,6.2酶反应器的选择与设计,一、酶反应器的选择,4、酶的反应动力学性质：混合效果越好，反应效率越高：搅拌罐式、流化床式反应器，混合效果较好，保证酶与底物分子有效碰撞和结合，反应系统均匀。膜反应器可采用辅助搅拌。底物浓度的高低：通常情况下，底物浓度越高，反应速度越快；当有高浓度底物抑制作用时，游离酶宜采用流加分批搅拌罐反应器、膜反应器固定化酶可采用CSTR、PBR、FBR、MR产物对反应有反馈抑制作用：最好采用MR酶催化反应条件：耐受高温的酶选用喷射式反应器，反应需控制温度、pH时，CSTR方便。,6.2酶反应器的选择与设计,一、酶反应器的选择,5、底物和产物的理化性质：分子量较大的底物或产物：一般不采用膜反应器。溶解性底物或产物：显然对任何类型的反应器都不会造成困难。颗粒状和胶体状底物：会堵塞超滤膜和填充床，应采用搅拌罐或流化床型反应器。高的搅拌速度可减少底物颗粒的沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。反应底物有气体时：常用鼓泡式反应器。辅酶参加的反应：一般不采用膜反应器。,6.2酶反应器的选择与设计,一、酶反应器的选择,6、应用的可塑性及成本：反应器应具有添加或更换酶的结构，且越容易越好，另外，必须具备容易清洗的结构。反应器应能够适用于多种酶的催化反应。考虑反应器造价成本、酶本身的价值。CSTR一般来说应用的可塑性较大，结构简单，制造成本也较低。,6.2酶反应器的选择与设计,二、酶反应器的设计,目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反应器。设计依据：酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影响；反应器内流体流动状态及传热特性；需要的生产量及生产工艺流程。,6.2酶反应器的选择与设计,二、酶反应器的设计,设计过程1、确定酶反应器的类型2、确定反应器的制造材料3、进行热量衡算4、进行物料衡算,6.2酶反应器的选择与设计,二、酶反应器的设计,1、确定酶反应器的类型根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，确定反应器的类型。2、确定反应器的制造材料酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。,6.2酶反应器的选择与设计,二、酶反应器的设计,3、进行热量衡算可以确定为达到一定的物理或化学变化须向设备传入或从设备传出的热量。酶催化反应一般在3070的温度条件下进行，热量衡算较简单常温催化：温度的调节控制通常采用一定温度的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式；热量衡算是根据水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，采用喷射式反应器；热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。,6.2酶反应器的选择与设计,二、酶反应器的设计,4、进行物料衡算是运用质量守恒定律，对化工过程进行定量计算。产物转化率：底物转化为产物的比率,6.2酶反应器的选择与设计,反应器设计的首要目的是使反应器具有高的转化率。影响因素：酶的活性和浓度最为重要。控制反应条件以保持酶的高活性；反应器中也可使用高浓度的酶，但并非越高越好，过高会造成浪费。,二、酶反应器的设计,底物用量：根据所需产量、产物转化率、产物收得率计算,6.2酶反应器的选择与设计,反应液体积：根据底物用量和最适底物浓度计算,酶用量：根据最适酶浓度和反应液总体积计算,二、酶反应器的设计,6.2酶反应器的选择与设计,反应器数目：分批反应器连续反应器,第六章酶反应器,酶反应器的类型及特点酶反应器的选型与设计1、酶的应用形式2、固定化酶的形状、颗粒大小、机械强度3、酶的稳定性4、酶的反应动力学性质5、底物和产物的理化性质6、应用的可塑性及成本酶反应器的操作,第七章酶反应器,酶反应器的类型及特点酶反应器的选型与设计酶反应器的操作,6.3酶反应器的操作,实现酶反应的高效进行，必须考虑以下三方面：选择恰当的酶（高质量）应用形式；选择和设计合适的酶反应器；确定合理的反应操作条件。酶反应器的操作中，应注意如下几方面：控制酶反应器中流体的流动状态；维持酶反应器的恒定生产能力；保持酶反应器的稳定；防止酶反应器的污染。,一、流体流动状态的控制,反应器中流动方式的改变造成的不良影响：使酶与底物的接触不良，造成反应器生产能力下降；造成返混程度的变化，发生程度不同的反应或发生副反应。（反混：指连续过程中与主流方向相反的运动所造成的物料混合。）,6.3酶反应器的操作,一、流体流动状态的控制,产生原因及对策：搅拌罐型反应器原因：搅拌速度不均匀（反应器内物料的流速不均匀时会改变反应器内的浓度分布造成返混）；固定化酶颗粒的磨损对策：控制搅拌速度；采用磁性固定化酶解决磨损问题。,6.3酶反应器的操作,一、流体流动状态的控制,产生原因及对策：填充床型反应器原因：由于柱高和通过柱的液流流速导致压力降；固体或胶体沉积物存在导致堵塞。对策：使用较大的、不可压缩的、光滑的、珠型的填充材料，均匀填充；加入带孔挡板；改善底物性质；反冲洗柱床或重新装柱可避免柱的堵塞。,6.3酶反应器的操作,二、恒定生产能力的控制,搅拌罐型反应器较易实现。活塞流反应器：横截面液体流速相