第八章酶反应器

1、第八章 酶反应器,用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器,第一节 酶反应器的类型,按照结构不同可分为： 搅拌罐式反应器(stirred tank reactor,STR) 鼓泡式反应器(bubble column reactor,BCR) 填充床式反应器(packed column reactor,PCR) 流化床式反应器(fluidized bed reactor,FBR) 膜反应器(membrane reactor) 喷射式反应器,一、搅拌罐式反应器 由反应罐、搅拌器和保温装置组成。 1、分批搅拌罐式反应器,优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀， 传质阻力小，反应较完全，反

2、应条件易于调节控制,缺点：用于游离酶，酶难以回收。 用于固定化酶，反应器利用率较低，而且可能对固定化酶的结构造成破坏,2、连续搅拌罐式反应器 只适用于固定化酶的催化反应,底物溶液进口,反应液出口,优点：设备简单，操作方便，反应条件易于调节控制，底物与固定化酶接触较好，传质阻力低，反应器利用率较高。 需注意控制好搅拌速度,底物溶液进口,反应产物出口,固定化酶,二、填充床式反应器,把催化剂填充在填充床（固定床）中的反应器叫做填充床型反应器,三、流化床反应器,固定化酶,反应产物出口,底物溶液进口,适用于固定化酶进行连续催化。但固定化酶颗粒不应过大，同时应具有较高的强度。 在操作时需注意控制好底物溶液

3、和反应液的流动速度,优点：混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值易于调节控制，不易堵塞，对黏度较大的反应液也可进行催化，能处理粉状底物、压降较小，也很适合于需要排气供气的反应。 缺点：需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且固定化酶颗粒易于被破坏，流体动力学变化较大，参数复杂，放大较为困难。 目前，流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白质,反应液出口,排气口,进气口,底物溶液进口,空气分布器,可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应,可以用于连续反应，也可用于分批反应。 结构简单、操作方便，剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反

4、应中常用的一种反应器,四、鼓泡式反应器,五、膜反应器,将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应,中空纤维反应器,优：集反应与分离于一体，利于连续化生产。 缺：经过长时间使用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，造成膜透过性降低，而且清洗困难,游离酶膜反应器,优点：酶可以回收循环使用，可以降低甚至消除产物引起的抑制作用（产物连续排出）。 缺点：酶和杂质易于吸附在膜上，从而影响分离速度和分离效果,六、喷射式反应器,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。 适用于耐高温游离酶的连续催化反应,一、根据酶的应用形式选择反应器 （一）

5、游离酶反应器的选择 1、搅拌罐式反应器最常用 2、有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器 3、价格较高的酶，为了能够回收，可采用游离酶膜反应器 4、耐高温的酶，可采用喷射式反应器,第二节 酶反应器的选择,二）固定化酶反应器的选择,根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性进行选择。为了提高催化效率，通常采用连续反应器。 搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固定化酶。 采用填充床反应器时应注意控制好反应器的高度。 采用流化床反应器时，固定化酶的颗粒不能太大，密度要与反应液的密度相当，而且要有较高的强度。 有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器。平板状、直管状、螺旋管状固定化酶一般采用膜反应

6、器,二、根据酶反应动力学性质选择反应器,底物、酶、产物以及酶催化作用的温度条件 酶与底物结合搅拌罐式反应器、流化床式反应器 高浓度底物抑制流加分批搅拌罐式反应器、游离酶膜反应器、流化床式反应器、填充床式反应器、膜反应器。 反馈抑制膜反应器、填充床式反应器 耐高温喷射式反应器,三、根据底物或产物的理化性质选择反应器,分子量、溶解度、黏度 底物或产物分子量较大时，一般不采用膜反应器。 底物或产物溶解度低、黏度较高时，应选择搅拌罐式反应器或流化床式反应器，而不应采用填充床式反应器和膜反应器。 底物为气体时，通常采用鼓泡式反应器 需要小分子物质作为辅酶的酶催化反应，通常不用膜反应器 反应器应能适用于多

7、种酶的催化反应，能够满足催化反应的各种条件，并可进行调节 反应器应结构简单，操作方便，易于维护和清洗 反应器应制造成本及运行成本低,第三节 酶反应器的设计,一、确定酶反应器的类型 二、确定酶反应器的制造材料 三、进行热量衡算 根据热水的温度和使用量计算,四、进行物料衡算,一）酶反应动力学参数的确定 底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH值、激活剂浓度,二）计算底物用量,P（kg/年）=Pd（ kg /d） 300 分批反应器 =Ph（kg/h） 300 24 连续反应器,产物转化率：YP/S = P /S P生成的产物量（ k g ，g ） S 投入的底物量（ k g ，g,根据产品产量、产物转

8、化率和收得率，计算所需底物用量,反应副产物忽略不计，产物转化率,YP/S,S,S0 St,S0,S反应前后底物浓度的变化S0反应前底物浓度（g/L） St 反应后底物浓度（g/L） 产物转化率与反应条件、反应器性能和操作工艺有关,S0,收得率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值,R,分离得到的产物量,反应生成的产物量的,收得率主要取决于分离纯化技术及其工艺条件,底物用量,S,P,YP/S R,kg,S所需的底物用量（ k g ，g ） P反应产物的产量（ k g ，g ） YP/S 产物转化率（%） R产物收得率（,分批反应器常采用日产量Pd，连续反应器一般采用时产量Ph,三）计算

9、反应液总体积,Vt,S,S,L,Vt反应液总体积（L） S底物用量（L） S反应前底物浓度（g/L,四）计算酶用量,E=E.Vt （U,E所需的酶量（U） E酶浓度（U/L） Vt 反应液体积（ L,五）计算反应器数目,一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%80,N,Vd,V0,t,24,N反应器数目（个） Vd每天获得的反应液总体积（L/d） V0 单个反应器的有效体积（L） t 底物在反应器中的停留时间（h,对于分批反应器，可以根据每天获得的反应液的总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算所需反应器数目,个,对于连续反应器，可以根据每小时获得的反应液的总体积、反应器

10、的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算反应器数目,N,Vh,V0,t,个,N反应器数目（个） Vh每小时获得的反应液总体积（L/d） V0 单个反应器的有效体积（L） t 底物在反应器中的停留时间（h,连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。反应器的生产强度指反应器每小时每升反应液所产生的产物克数,Qp,Ph,V0,V0,Vh.P,g/L. h,Qp反应器的生产强度（ g/L. h ） Ph 每小时获得的产物量（ g/h ） V0 每个反应器的有效体积（ L ） Vh 每小时获得的反应液体积（ L /h ） P 产物浓度（g/L,N,个,Qp,t,P,N反应器数目（个） P反应液总中

11、所含的产物浓度（g/L） t 底物在反应器中的停留时间（h,连续反应器的数目与反应器的生产强度的关系如下,第四节 酶反应器的操作,一、酶反应器操作条件的确定及其调控 1、反应温度的确定与调节控制 根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度。 夹套、列管等换热装置。水或蒸汽 2、pH值的确定与调节控制,3、底物浓度的确定与调节控制 通常底物浓度在510Km 4、酶浓度的确定与调节控制 综合考虑速度、成本，确定一个适宜的酶浓度。 连续固定化酶反应器应具备添加或更换酶的装置，而且要求这些装置的结构简单、操作容易,5、搅拌速度的确定与调节控制 6、流动速度的确定与调节控制 控制流动速度和流动状态（流体速度