酶工程：9 酶反应器的选型与设计

1、酶反应器的选型与设计酶反应器的选型与设计酶催化反应过程示意图酶催化反应过程示意图过程调控过程调控生物反应器生物反应器 消毒消毒原料原料预处理预处理 产物分离产物分离提纯提纯 产产品品生物催化生物催化剂制备剂制备空气空气除菌除菌能量能量热量热量回本章目录回本章目录5.3.1酶反应器的特点与类型型式操作方式均相酶反应器搅拌罐超滤膜反应器分批、半分批分批、半分批连续固定化酶搅拌罐固定床流化床膜反应器鼓泡塔分批、半分批 连续连续分批、连续连续分批、半分批连续一、游离酶反应器游离酶反应器 1搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器(stirred tank reactor，STR) ：其基本结：其基本结构由容器、搅

2、拌器及保温装置组成。有时也可在容器壁上装上挡构由容器、搅拌器及保温装置组成。有时也可在容器壁上装上挡板，以促进反应物的混合。其结构如下：板，以促进反应物的混合。其结构如下： 特点：结构简单适合小规模生产。可分批或半分批操作。操作方式分批：酶和分批：酶和底物一次装底物一次装入，反应完入，反应完后取出全部后取出全部反应物。反应物。半分批：酶半分批：酶和底物分批和底物分批装入，反应装入，反应完后取出全完后取出全部反应物。部反应物。2 超滤膜反应器底物酶底物酶膜膜产物产物底物酶底物酶底物酶底物酶特点：连续操作，去除产物抑制，特点：连续操作，去除产物抑制，酶利用率高。要求底物和酶分子大酶利用率高。要求底

3、物和酶分子大于膜孔径，产物小于膜孔径。于膜孔径，产物小于膜孔径。特点：连续操作，去除产物抑制，特点：连续操作，去除产物抑制，酶利用率高。要求底物和酶分子大酶利用率高。要求底物和酶分子大于膜孔径，产物小于膜孔径。于膜孔径，产物小于膜孔径。 超滤膜超滤膜(UF)的孔径尺寸为的孔径尺寸为llOOnm，可截留的相对分子质量范，可截留的相对分子质量范围为围为50010000，它对游离酶和固定化酶，它对游离酶和固定化酶(相对分子质量相对分子质量10000100000)都有较高的截流能力。都有较高的截流能力。 常用的超滤膜酶反应器的结构如图所示常用的超滤膜酶反应器的结构如图所示 ：3喷射式反应器喷射式反应器

4、 喷射式反应器是利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混喷射式反应器是利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，是进行高温短时催化反应的一种反应器。如图所示：合，是进行高温短时催化反应的一种反应器。如图所示：4鼓泡式反应器鼓泡式反应器 鼓泡式反应器鼓泡式反应器(bubble column reactor，BCR)是利用从反应是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合两种作用的一类反应器，它也是一种无搅拌装置的反底物和混合两种作用的一类反应器，它也是一种无搅拌装置的反应器。如图所示：应器。如图所示： 二

5、、固定化酶反应器 1、搅拌罐反应器分批式（BSTR）与连续式（CSTR）特点：结构简单，温度和pH易控制，传质阻力低；但反应效率低，剪切力大，载体易被破坏，搅拌动力消耗大。CSTR在BSTR基础上加有截留酶系统。分批搅拌罐式反应器(batch stirred tank reactor，BSTR)和连续流搅拌罐式反应器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR)。如图所示： 2、固定填充床式反应器特点有利于达到高的选择性和转化率。催化剂不易磨损。催化剂不易磨损。床层内流体流动床层内流体流动平推流，较少量催化剂平推流，较少量催化剂可获较大生产能力。可获较大

6、生产能力。传热较差，温度和传热较差，温度和pH难以控制。难以控制。 床内的压力降较大，底物必须加压才能通过。床内的压力降较大，底物必须加压才能通过。3、流化床反应器(FBR) 装有较小颗粒的垂直塔式反应器装有较小颗粒的垂直塔式反应器( (形状为柱形、锥形等形状为柱形、锥形等) )。底物。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反应。以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下反应。底物底物底物底物底物底物产物产物底物底物 酶酶 优点: 具有良好的传热、传质性能 。pH、温度控制及气体的供给比较容易。不易堵塞，可适用于高粘液体。能处理粉末状底物。压力降低。 缺点：需保持一定的

7、流速，运转成本高，难于放大。由于酶处于流动状态易破损，流化床空隙较大，酶的浓度不高。底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。4膜型反应器膜型反应器 由膜状或板状固定化酶组装的反应器由膜状或板状固定化酶组装的反应器 (membrane reactor，MR)。 根据膜组件型式的不同，分为平板式、螺旋卷式、转盘式根据膜组件型式的不同，分为平板式、螺旋卷式、转盘式、空心管式和中空纤维式酶膜反应器五种。、空心管式和中空纤维式酶膜反应器五种。 特点 膜作为酶的固定化载体可以使酶在类似生物膜的环境中高效发挥作用. 反应产物及时从反应区域移出,消除了不利动力学和热力学. 可实现对流传质代替自由扩散,强化了传质速

8、率,提高了反应速率. 膜作为相分离器和相接触器,避免了乳化和破乳等问题,也摆脱了液泛的限制. 易于连续化和自动控制 设备费和操作费均低.5鼓泡式反应器鼓泡式反应器 使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统中使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称三相流化床式反应器存在固、液、气三相，又称三相流化床式反应器。高径比大的反高径比大的反应器称为塔，也称鼓泡塔反应器。应器称为塔，也称鼓泡塔反应器。 特点 塔内充液体,气体从塔底部通入，分散成气泡，沿着液层向升，从塔顶排走。鼓泡塔的优点是结构结构简单、造价低、易控制和维修，防腐问题易于解决，用于高压操作也无甚

9、困难但鼓泡塔中 液体返混大，气泡容易聚并，使得效率下降。 适用于有气体参加或有气体产生的反应。酶反应器的选型与设计v理想的酶反应器的要求：理想的酶反应器的要求：评价标准：评价标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。反应器生产能力的大小和产品质量的高低。(1) 所用生物催化剂应具有所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度较高的比活和酶浓度，才能得，才能得到较大的产品转化率。到较大的产品转化率。(2) 能用电脑能用电脑自动检测和调控自动检测和调控，从而获得最佳反应条件。，从而获得最佳反应条件。(3) 具有良好的具有良好的传质和混合性能传质和混合性能。传质是指底物和产物在。传质是指底物和产物在反应

10、介质中的传递。传质阻力是限制反应速度的主要因素反应介质中的传递。传质阻力是限制反应速度的主要因素(4) 应具有应具有最佳的无菌条件最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。生产能力下降。21酶反应器的选择 影响酶反应器选择的因素很多，但一般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221. 酶的存在形式 游离酶：可根据具体情况选择BSTR、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CSTR、填充床反应器、流化床反应器、

11、膜反应器、鼓泡式反应器。232.固定化酶的形状、大小、机械强度 形状：主要有粒状、膜状和纤维状。 粒状的，可采用搅拌罐、固定床、流化床和鼓泡塔； 对于膜状催化剂，则考虑采用膜反应器。 颗粒大小 颗粒细小的粒状酶不宜采用固定床，宜采用流化床。 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； 对固定床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适当隔开。243、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。254、酶的反应动力学性质混

12、合效果越好，反应效率越高：STR、FBR混合效果较好，膜反应器可采用辅助搅拌以提高混合效果 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 其他条件的影响：耐受高温的酶最好用喷射式反应器26一、酶反应器的选择5、底物和产物的理化性质： 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：往往会堵塞填充床，应采用搅拌罐或流化床型反应器。因高的搅拌速度，高的流速可减少底物颗粒的集结、沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态

13、。 反应底物或产物有气体时：常用鼓泡式反应器27 分子量较大的底物：一般不采用膜反应器或者固定化酶适用的反应器。 辅酶参加的反应：一般不采用膜反应器。28一、酶反应器的选择6、应用的可塑性及成本： CSTR类型的反应器一般来说应用的可塑性较大，且由于结构简单，制造成本也较低。 反应器也应具有再生、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。 在考虑成本时，除反应器造价外，还需将酶本身的价值及其在各种反应器中的稳定性考虑在内。29二、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

14、影响； 反应器的型式和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。30二、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31二、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，选择并确定反应器的类型。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，所以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。32二、酶反应器的设计3、进行热量衡算 酶催化反应一般在3070的常温条件下进行，热量衡算较简单 温度的调节控制通

15、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，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。33二、酶反应器的设计4、进行物料衡算生产强度：生产强度：反应器每小时每升反应液所生产的产物克数v 反应器设计的首要目的是使反应器具有高的生产强度。反应器设计的首要目的是使反应器具有高的生产强度。v 影响因素：酶的影响因素：酶的活性、浓度、反应器特性及操作方法活性、浓度、反应器特性及操作方法等。其中等。其中酶的活性和浓酶的活性和浓度度最为重要。最为重要。v 控制反应条件以保持酶的高活性；反应器中也可

16、使用高浓度的酶，但并非越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。高越好，过高会造成浪费。0h0hpVPVVPQ34二、酶反应器的设计4、进行物料衡算酶反应动力学参数：酶反应动力学参数：考虑产品产量、质量和成本，试验确定最适底物浓度、酶浓度、温度、pH等条件底物用量：底物用量：根据所需产量、产物转化率、得率计算RYPSp/s反应液体积：反应液体积：根据根据底物用量底物用量和和最适底物浓度最适底物浓度计算计算SSVt35二、酶反应器的设计tVEE反应器数目：反应器数目： 分批反应器分批反应器 连续式反应器连续式反应器24tVVN0d)(停留时间4、

17、进行物料衡算酶用量：酶用量：根据最适酶浓度和反应液总体积计算0hVtVN36化工基本原理 动量传递 质量传递 热量传递 反应器设计还涉及到自动化控制问题37湍流 湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流； 逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流； 当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。381电动机；电动机；2减速机；减速机

18、；3机架；机架；4人孔；人孔；5密封装置；密封装置；6进料口；进料口；7上封头；上封头；8筒体：筒体：9联轴器；联轴器；10搅拌轴；搅拌轴；11夹套；夹套；12载热介质出口；载热介质出口；13挡板；挡板；14螺旋导流板；螺旋导流板；15轴向流搅拌器；轴向流搅拌器；16径向流搅拌器；径向流搅拌器；17气体分布器；气体分布器；18下封头；下封头；19出料口；出料口；20载热介质进口；载热介质进口；21气体进口气体进口图图17-1 通气式搅拌反应器通气式搅拌反应器典型结构典型结构39搅拌器 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。 搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的

19、充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。 提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。40一、流型一、流型流型与搅拌的关系流型与搅拌的关系流型与搅拌效果、搅拌功流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌率的关系十分密切。搅拌器的改进和新型搅拌器的器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。开发往往从流型着手。流型决定因素流型决定因素取决于搅拌器的形式、搅拌取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特征，以容器和内构件几何特征，以及流体性质、搅拌器转速等及流体性质、搅拌器转速等因素。因素。搅拌机顶插式中心安装搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型立式圆筒的三种基本流型径向流径向流

20、轴向流轴向流切向流切向流流型流型41流体流动方向垂直于流体流动方向垂直于搅拌轴，搅拌轴，沿径向流动沿径向流动，碰到容器壁面分成二碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。下二个循环流动。(a)径向流径向流径向流径向流42流体流动方向流体流动方向平行于平行于搅拌轴搅拌轴，流体由桨叶，流体由桨叶推动，使流体向下流推动，使流体向下流动，遇到容器底面再动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。向上翻，形成上下循环流。(b)轴向流轴向流轴向流轴向流43无挡板的容器内，流无挡板的容器内，流体体绕轴作旋转运动绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混叶区的流量很小，混合效果很差。合效果很差。(c)切向流切向流切向流切向流