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用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。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。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。1 1、分批搅拌罐式反应器、分批搅拌

2、罐式反应器发酵罐发酵罐优点：设备简单，操作容易，酶与底物优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀，混合均匀， 传质阻力小，反应较完全传质阻力小，反应较完全，反应条件易于调节控制。，反应条件易于调节控制。缺点：用于游离酶，酶难以回收。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。且可能对固定化酶的结构造成破坏。2 2、连续搅拌罐式反应器、连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。只适用于固定化酶的催化反应。底底物物溶溶液液进进口口反反应应液液出出口口优点：设备简单，操作方便优点：设备简单，操作方便，反应条件

3、易于调节控制，反应条件易于调节控制，底物与固定化酶接触较好，底物与固定化酶接触较好，传质阻力低，反应器利用率传质阻力低，反应器利用率较高。较高。v需注意控制好搅拌速度。需注意控制好搅拌速度。底物溶液进口底物溶液进口反应产物出口反应产物出口固定化酶固定化酶二、填充床式反应器把催化剂填充把催化剂填充在填充床（固在填充床（固定床）中的反定床）中的反应器叫做填充应器叫做填充床型反应器。床型反应器。这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器，它这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器，它具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高等优点，特容易放大

4、、剪切力小、催化效率高等优点，特别适合于存在底物抑制的催化反应。别适合于存在底物抑制的催化反应。但也存在下列缺点：但也存在下列缺点：温度和温度和pHpH值难控制；值难控制；底物和产物会产生轴底物和产物会产生轴向分布易引起相应的酶失活程度也呈轴向分布；向分布易引起相应的酶失活程度也呈轴向分布；更换部分催化剂相当麻烦；更换部分催化剂相当麻烦；柱内压降相当柱内压降相当大，底物必须加压后才能进人。大，底物必须加压后才能进人。固定化酶固定化酶颗粒所受压力较大，容易引起固定化酶颗粒所受压力较大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎。颗粒的变形或破碎。三、流化床反应器固定化酶固定化酶反应产物出口反应产物出口底物

5、溶液进口底物溶液进口适用于固定化酶进行连续适用于固定化酶进行连续催化。催化。但固定化酶颗粒不但固定化酶颗粒不应过大，同时应具有较高应过大，同时应具有较高的强度。的强度。在操作时需注意控制好底在操作时需注意控制好底物溶液和反应液的流动速物溶液和反应液的流动速度。度。优点：混合均匀，传质和传热效果好，温度优点：混合均匀，传质和传热效果好，温度和和pHpH值易于调节控制，不易堵塞，对黏度较值易于调节控制，不易堵塞，对黏度较大的反应液也可进行催化，大的反应液也可进行催化，能处理粉状底物能处理粉状底物、压降较小，也很适合于需要排气供气的反、压降较小，也很适合于需要排气供气的反应应。缺点：缺点：需要较高的

6、流速才能维持粒子的充分需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且流态化，而且固定化酶颗粒易于被破坏，流固定化酶颗粒易于被破坏，流体动力学变化较大，参数复杂，放大较为困体动力学变化较大，参数复杂，放大较为困难。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。 反反应应液液出出口口排气口排气口进气口进气口底底物物溶溶液液进进口口空空气气分分布布器器可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。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，也可可以用于连续反应，也可用于分批反应。用于分批反应。结构简单、操作方便，剪结构简单、操作方便，剪切力小，

7、物质与热量的传切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一的酶催化反应中常用的一种反应器。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。的催化反应。中空纤维反应器优：集反应与分离优：集反应与分离于一体，利于连续于一体，利于连续化生产。化生产。缺：经过长时间使缺：经过长时间使用，酶或其他杂质用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，会被吸附在膜上，造成膜透过性降低造成膜透过性降低，而且清洗困难

8、。，而且清洗困难。包括了用固定化酶膜组装的平板状或螺旋卷型反应器、转盘反应器和空心酶管、中空纤维膜反应器等。平板状和螺旋卷型反应器具有压降小放大容易等优点，但反应器内单位体积催化剂的有效面积较小。空心酶管反应器主要与自动分析仪等组装，用于定量分析。转盘反应器又可细分为立式和卧式两种，主要多于废水处理装置，其中卧式反应器由于液体的上部接触空气可以吸氧，适用于需氧反应。中空纤维反应器则是由数根醋酸纤维素制成的中空纤维构成，其内层紧密光滑，具有一定的分子量截留值，可截留大分子物质，而允许不同的小分子量物质通过；外层则是多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵支持层中。这种反应器不仅能承受68个标准大气压以

9、上的压力而且还具有高的聪装填密度，具有很好的工业应片前景。游离酶膜反应器游离酶膜反应器优点：酶可以回收循优点：酶可以回收循环使用，可以降低甚环使用，可以降低甚至消除产物引起的抑至消除产物引起的抑制作用（产物连续排制作用（产物连续排出）。出）。缺点：酶和杂质易于缺点：酶和杂质易于吸附在膜上，从而影吸附在膜上，从而影响分离速度和分离效响分离速度和分离效果。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）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

10、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器。二、根据酶反应动力学性质选择反应器q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

11、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q分子量、溶解度、黏度1底物或产物分子量较大时，一般不采用膜反应器。1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。1底物为气体时，通常采用鼓泡式反应器1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1反应器应能适用于多种酶的催化反应，能够满足催化反应的各种条件，并可进行调节1反应器应结构简单，操作方便，易于维护和清洗1反应器应制造成本及

12、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 =SS0 St =S0S反应前后底物浓度的变化S0反应前底物浓

13、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=PYP/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）计算反应液总体积Vt=SS（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

14、） 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=VdV0t24N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=VhV0 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（

15、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=PhV0=V0Vh.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 tPN反应器数目（个）P反应液总中所含的产物浓度（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510Km4、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