酶工程-第4章-酶反应器课件

第4章

酶反应器刘立丽浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所E-mail:llliu@1第4章

酶反应器刘立丽1生物反应器一、生物反应器概述生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化

成有用物质的过程。四个组成部分：——原材料的预处理——生物催化剂的制备——生物反应器的选择及反应条件的控制——产物的分离提纯2生物反应器一、生物反应器概述2生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程3生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程3生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品产业化的关键设备。在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料升值。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。评价生物反应器主要是看它生产能力的大小以及产品质量的高低。4生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地位，连接原料和产一般的化学反应器相似：

维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行。与一般的化学反应器不同：

细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。生物反应器的要求5一般的化学反应器相似：生物反应器的要求5生物反应器生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低。生物反应器处于生物过程的中心，它常是影响整个过程的经济效益的一个重要方面。6生物反应器生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低。生物反应器历史简介生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就是最初的生物反应器。20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和应用获得迅速发展的阶段。传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐”（fermenter）7生物反应器历史简介生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利发酵罐8发酵罐8生物反应器历史简介20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemicalreactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。同一时期，Ollis提出了另一术语——生物反应器（biologicalreactor）.20世纪80年代，生物反应器（bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。9生物反应器历史简介20世纪70年代，Atkinson提出了生生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最主要考虑的问题。传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见，在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反应器不断出现，相应地提高了传质效率。传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一个环节。传质和传热10生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质和传热1酶反应器（enzymereactor）定义：通常将用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。作用：使酶得到合理的应用，并能够提高产品的质量和降低成本。11酶反应器（enzymereactor）定义：通常将用于酶进12121313本章内容P92酶反应器的分类酶反应器的选择酶反应器的设计酶反应器的放大酶反应器的操作14本章内容P92酶反应器的分类144.1酶反应器的类型和特点按照结构的不同可以分为：搅拌罐式反应器stirredtankreactor，STR填充床式反应器packedcolumnreactor，PCR流化床反应器fluidizedbedreactor，FBR鼓泡式反应器bubblecolumnreactor，BCR膜反应器membranereactor，MR喷射式反应器jetgas-liquidreactor154.1酶反应器的类型和特点按照结构的不同可以分为：15按操作方式分为：分批式反应（batch）连续式反应（continuous）流加分批式反应（feedingbatch）将结构和操作方式结合一起分为：连续搅拌罐式反应器

continuousstirredtankreactor，CSTR分批搅拌罐式反应器

batchstirredtankreactor，BSTR等16按操作方式分为：将结构和操作方式结合一起分为：164.1.1搅拌罐式反应器由反应罐、搅拌器和保温装置组成。既可以用于游离酶的催化反应，又可以用于固定化酶的催化反应171、分批搅拌罐式反应器4.1.1搅拌罐式反应器171、分批搅拌罐式反应器18优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀，传质阻力较小，反应较为完全，反应条件容易调节控制。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。18优点：缺点：分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。流加分批搅拌罐式反应器的装置与分批搅拌罐式反应器的装置相同。流加分批式反应可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。19分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。192、连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。202、连续搅拌罐式反应器20优点：设计简单、操作简便反应条件容易调节控制底物与固定化酶接触较好传质阻力较小反应器的利用率较高。需注意控制好搅拌速度，以免由于强烈搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构受到破坏。21/ipc/hxyj_C12M_detail_200720125230.html微型生物酶反应器优点：21patentinfo.c22224.1.2填充床式反应器是将酶固定化后，填充到柱式反应容器中而制成的一种反应器。适用于固定化酶进行催化反应234.1.2填充床式反应器是将酶固定化后，填充到柱式反应容旋转填充床24旋转填充床24优点：设备简单操作方便单位体积反应床的固定化酶密度大可以提高酶催化反应的速度缺点：底层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。25优点：缺点：254.1.3流化床反应器26是一种适用于固定化酶进行连续催化反应的反应器。4.1.3流化床反应器26是一种适用于固定化酶进行连续催优点：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反应27优点：27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。28/ipc/hxyj_C12M_detail_200710063268.html固定化酶流化床反应器1、2缺点：28patentinfo.c4.1.4鼓泡式反应器294.1.4鼓泡式反应器29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应中常用的一种反应器30结构简单30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。进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。31可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。314.1.5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。/yjnew_view.asp?id=273

324.1.5膜反应器将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在膜反应器的类型：平板型螺旋型管型中空纤维型转盘型33膜反应器的类型：33中空纤维反应器是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组成。中空纤维的内径200-500μm，外径300-900μm。中空纤维壁上分布许多孔径均匀的微孔，可以截留大分子而允许小分子物质通过。34中空纤维反应器是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成优点：集反应与分离于一体，利于连续化生产。缺点：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。35/ipc/hxyj_C12M_detail_200810059776.html生物柴油装置示意图1、2优点：集反应与分离于一体，利于连续35http://www.4.1.6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。364.1.6喷射式反应器利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底优点：结构简单体积小混合均匀可在短时间内完成催化反应37/ipc/hxyj_C12M_detail_92211214.html固定化糖化酶反应器优点：37patentinfo.c383839反应器类型适用的操作方式适用的酶特点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式游离酶固定化酶由反应罐，搅拌器和保温装置组成。设备简单，操作容易，酶与底物混合较均匀，传质阻力较小，

反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床反应器连续式固定化酶设备简单，操作方便，单位体积反应床的固定化酶

密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。鼓泡式反应器分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器连续式游离酶固定化酶膜反应器结构紧骤，集反应与

分离于一体,利于连续化生产,但是容易发生浓差极化而引起膜孔阻塞，清洗比较困难喷射式反应器连续式游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应39反应器类型适用的操作方式适用的酶特点搅拌罐式分批式,游离主要影响因素：酶的应用形式酶的反应动力学性质底物和产物的理化性质要求：结构简单、操作方便、易于维护和清洗、可适用于多种酶的催化反应、制造成本和运行成本较低4.2酶反应器的选择40主要影响因素：4.2酶反应器的选择40

游离酶反应器的选择搅拌罐式反应器最常用有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器价格较高的酶，为了能够回收，可采用游离酶膜反应器耐高温的酶，可采用喷射式反应器4.2.1根据酶的应用形式选择反应器41游离酶反应器的选择4.2.1根据酶的应

固定化酶反应器的选择根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性的不同进行选择。固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管状、螺旋管状等，通常为颗粒状固定化酶。颗粒状的固定化酶可以选用搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床反应器和鼓泡式反应器等进行催化。搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固

定化酶。采用填充床式反应器时应注意控制好反应器

的高度。42固定化酶反应器的选择42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。43采用流化床反应器时，固定化酶的434.2.2根据酶反应动力学性质选择反应器主要影响因素：酶与底物的混合程度底物浓度对酶催化反应速度的影响反应产物对酶的反馈抑制作用酶催化作用的温度条件444.2.2根据酶反应动力学性质选择反应器主要影响因素：4

酶与底物的混合程度搅拌罐式反应器、流化床反应器均具有较好的混合效果填充床式反应器混合效果较差采用膜反应器时，可以采用辅助搅拌或其它方法来提高混合效果45酶与底物的混合程度搅拌罐式反应器、流化床反

底物浓度对酶反应速度的影响具有高浓度底物抑制作用的游离酶，可以采用游离酶膜反应器进行催化反应。具有高浓度底物抑制作用的固定化酶，可以采用连续搅拌罐反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、膜反应器等进行连续催化反应，但需要控制底物浓度在一定的范围。46底物浓度对酶反应速度的影响具有高浓度底物抑

反应产物对酶的反馈抑制作用最好选择膜反应器对于固定化酶，也可以采用填充床式反应器47反应产物对酶的反馈抑制作用最好选择膜反应器

酶催化作用的温度条件对可以耐受100℃以上高温的酶催化反应，最好是选择喷射式反应器。48酶催化作用的温度条件对可以耐受100℃以上4.2.3根据底物和产物理化性质选择反应器主要影响因素：底物和产物的理化性质分子量溶解性黏度494.2.3根据底物和产物理化性质选择反应器主要影响因素：需要小分子物质作为辅酶参与，通常不采用膜反应器。底物或产物的分子量较大，一般不采用膜反应器。底物或者产物的溶解度较低、黏度较高应当选择搅拌罐式反应器或者流化床反应器，而不采用填充床式反应器和膜反应器。有气体底物参与时，通常选用鼓泡式反应器。50需要小分子物质作为辅酶参与，通常不采用底物或产物的分子量较大4.3酶反应器的设计4.3.1、确定酶反应器的类型4.3.2、确定酶反应器的制造材料4.3.3、进行热量衡算4.3.4、进行物料衡算514.3酶反应器的设计4.3.1、确定酶反应器的类型514.3.1确定酶反应器的类型是酶反应器设计的第一步。根据酶、底物和产物的性质选择并确定酶反应器的类型。524.3.1确定酶反应器的类型是酶反应器设计的第一步。524.3.2、确定酶反应器的制造材料对制造材料要求比较低，一般采用不锈钢或玻璃等材料即可，可根据投资的大小来选择。534.3.2、确定酶反应器的制造材料对制造材料要求比较低，一般4.3.3、进行热量衡算主要是根据热水的温度和使用量来进行计算。对于喷射式反应器，根据所使用的水蒸气的热焓和用量来计算。再根据所需传递的热量和反应器换热装置制造材料的传热系数，计算所需的传热面积，并根据使用要求确定换热器的传热方式，再确定换热装置的形状和尺寸。544.3.3、进行热量衡算主要是根据热水的温度和使用量来进行计4.3.4、进行物料衡算是酶反应器设计的重要任务确定酶催化反应动力学参数底物用量反应液总体积酶用量反应器数量554.3.4、进行物料衡算是酶反应器设计的重要任务55是反应器设计的主要依据之一根据酶反应动力学特性，确定反应所需的：底物浓度酶浓度最适温度最适pH激活剂浓度确定酶催化反应动力学参数56是反应器设计的主要依据之一确定酶催化反应动力学参数56计算底物用量产量：P（kg/年）=Pd（kg/d）×300分批反应器

=Ph（kg/h）×300×24连续反应器根据产品产量、产物转化率和收率，计算所需底物用量。57计算底物用量产量：根据产品产量、产物转化率和收率，计算所需底产物转化率：YP/S=mP/mSmP——生成的产物量（kg）mS——投入的底物量（kg）58产物转化率：YP/S=mP/mS58反应副产物忽略不计，产物转化率：△[S]——反应前后底物浓度的变化[S0]——反应前底物浓度（kg/m3）[St]——反应后底物浓度（kg/m3）产物转化率与反应条件、反应器性能和操作工艺有关。59反应副产物忽略不计，产物转化率：△[S]——反应前后底物收率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。收率主要取决于分离纯化技术及其工艺条件。60收率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。收率底物用量（kg）：mS——所需的底物用量（kg）mP——反应产物的产量（kg）YP/S——产物转化率（%）

R——产物收率（%）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

。61底物用量（kg）：mS——所需的底物用量（kg）分批反应器计算反应液总体积Vt——反应液总体积（m3）mS——底物用量（kg）[S]——反应前底物浓度（kg/m3）62计算反应液总体积Vt——反应液总体积（m3）62酶用量的计算E——所需的酶量（U）[E]——酶浓度（U/m3）Vt——反应液体积（m3）63酶用量的计算E——所需的酶量（U）63反应器数量的计算一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%~80%。64反应器数量的计算一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%~N——构成所需反应器数量（个）Vd——每天的反应液总体积（m3/d）V0——单个反应器的有效体积（m3）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。65N——构成所需反应器数量（个）对于分批反应器，可以根据每天获对于连续反应器，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——过程所需的反应器数量（个）Vh——每小时的反应液总体积（m3/h）V0——单个反应器的有效体积（m3）t——底物在反应器中的停留时间（h）66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单位时间单位体积反应液所产生的产物量。Qp——反应器的生产强度（kg/m3▪h）Ph——每小时的产物量（kg/h）V0——单个反应器的有效体积（m3）Vh——每小时的反应液体积（m3/h）[P]——反应液中的产物浓度（kg/m3）67连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。Qp——反应器N——过程所需的反应器数量（个）[P]——反应液中的产物浓度（kg/m3）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：68N——过程所需的反应器数量（个）连续反应器的数目与反应器的生4.4酶反应器的放大通常一个生物反应过程的开发，包括了三个不同规模的阶段：⑴利用实验室规模的反应器进行工艺试验；⑵在中间规模的反应器中试验（中试），确定最佳的操作条件；⑶在大型生产设备中投入生产。694.4酶反应器的放大通常一个生物反应过程的开发，包括了三目前主要有：经验放大法几何相似放大单位体积液体中搅拌功率相同放大搅拌器叶尖速度相同放大混合时间相同放大因次分析法时间常数法数学模拟法70目前主要有：704.5酶反应器的操作酶反应器操作条件的确定及其调节控制酶反应器应用的注意事项714.5酶反应器的操作酶反应器操作条件的确定及其调节控制7一、酶反应器操作条件的确定及其调控温度pH底物浓度酶浓度反应液的混合与流动72一、酶反应器操作条件的确定及其调控温度721、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。将反应温度控制在适宜温度范围内，在温度发生变化时，及时进行调节。夹套、列管等换热装置。喷射式反应器，通过控制水蒸汽的压力。731、反应温度的确定与调节控制732、pH值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pH。分批式反应器，通常在加入酶液之前，用稀酸或稀碱调节底物溶液到酶的最适pH。连续式反应器，一般将调节好pH的底物溶液连续加到反应器中。有些酶的底物或产物是一种酸或碱，反应前后pH变化大，必须在反应过程中进行必要的调节。742、pH值的确定与调节控制74pH的调节通常采用稀酸或稀碱溶液进行，加入稀酸或稀碱溶液时要一边搅拌一边慢慢添加，以防止局部过酸或过碱必要时可以采用缓冲溶液配制底物溶液，以维持反应液的pH。75pH的调节通常采用稀酸或稀碱溶液进行，加入稀酸或稀碱溶液时73、底物浓度的确定与调节控制底物浓度是决定酶催化速度的主要因素。要确定一个适宜的底物浓度范围。通常底物浓度在5~10Km。要防止高浓度底物的抑制作用。763、底物浓度的确定与调节控制764、酶浓度的确定与调节控制综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。对连续式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。774、酶浓度的确定与调节控制775、搅拌速度的确定与调节控制保证酶与底物混合均匀，使酶分子与底物分子能够进行有效碰撞，进而互相结合进行催化反应。首先要在试验的基础上确定适宜的搅拌速度，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。搅拌速度过慢，会影响混合的均匀性；搅拌过快，产生的剪切力会使酶的结构受到影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏甚至破碎。785、搅拌速度的确定与调节控制保证酶与底物混合均匀，使酶分子与必须确定适宜的流动速度和流动状态（流体速度、流量、进液管的方向和排布等），并根据变化的情况进行适当的调节。流化床反应器，通过控制进液口的流体流速和流量以及进液管的方向和排布等方法，加以调节。填充床式反应器，必须选择好适宜流速。6、流动速度的确定与调节控制79必须确定适宜的流动速度和流动状态（流体速度、流量、进液管的方膜反应器，采用适当的速度搅拌，使粘附在膜表面的固形物和大分子物质离开膜表面，还可以通过控制流动速度和流动状态，使反应液混合均匀，减少浓差极化现象的发生。喷射式反应器，可以控制蒸汽压力和喷射速度进行调节。80膜反应器，采用适当的速度搅拌，使粘附在膜表面的固形物和大分子二、酶反应器操作的注意事项1、保持酶反应器的操作稳定性在酶反应器的应用过程中，尽量保持操作的稳定性，以避免反应条件的激烈波动。搅拌罐式反应器，尽量保持搅拌速度的稳定；连续式反应器，尽量保持流速的稳定，流进的底物浓度和流出的产物浓度不要变化太大；填充床式反应器，防止固定化酶的破碎、挤压而产生的阻塞现象发生；81二、酶反应器操作的注意事项1、保持酶反应器的操作稳定性81膜反应器，要防止浓差极化而产生的膜孔阻塞现象。反应过程，尽量保持反应温度、反应液pH值等的稳定，不要波动太大，以保持反应器恒定的生产能力。82膜反应器，要防止浓差极化而产生的膜孔阻塞现象。822、保持反应器中流体的流动方式和状态尽量保持液体和气体的流动方式和状态。流动方式和状态的改变，会影响底物、产物与酶的接触状态，从而影响催化反应的速度。832、保持反应器中流体的流动方式和状态尽量保持液体和气体的流动3、防止酶的变性失活特别注意防止酶的变性失活。影响因素主要有温度、pH、重金属离子以及剪切力等。除了某些耐高温的酶以外，通常酶的催化反应在60℃以下进行；除了某些特别耐酸碱的酶以外，通常酶在pH4-9的条件下进行；重金属离子例如铅离子（Pb2+）、汞离子（Hg2+）等会与酶分子结合而引起酶的不可逆变性。843、防止酶的变性失活特别注意防止酶的变性失活。844、防止微生物的污染在应用酶反应器进行催化反应过程中，由于酶的作用底物或反应产物往往只有一二种，一般情况下不具备微生物生长、繁殖的基本条件，在进行操作时，一般不必在严格的无菌条件下进行操作，然而并不意味着不必防止微生物污染。不同酶的催化反应，由于底物、产物和催化条件各不相同，在催化过程中受到微生物污染的可能性有很大差别。854、防止微生物的污染在应用酶反应器进行催化反应过程中，由于酶一些酶催化的底物或产物对微生物的生长、繁殖有抑制作用，受微生物污染的情况较少有些酶催化反应温度较高，微生物无法生长有些酶催化反应的pH较高或较低，对微生物有抑制作用。有些酶可以在非水介质中进行催化反应，微生物难于生长繁殖，污染的可能性甚微。而有些酶催化反应的底物或产物是微生物生长、繁殖的营养物质，在反应过程中或者在反应结束后，在适合微生物生长繁殖的条件下，必须注意防止微生物的污染。86一些酶催化的底物或产物对微生物的生长、繁殖有抑制作用，受微生酶反应器的操作必须符合必要的卫生条件，尤其是在生产药用或食用产品时，卫生条件要求较高，应尽量避免微生物的污染。87酶反应器的操作必须符合必要的卫生条件，尤其是在生产药用或食用在酶反应器的操作过程中，防止微生物污染的主要措施有：保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件。反应器在使用前，都要进行清洗和适当的消毒处理。在反应器的操作过程中，要严格管理，经常检测，避免微生物污染。88在酶反应器的操作过程中，防止微生物污染的主要措施有：88必要时，在反应液中适当添加对酶催化反应和产品质量无不良影响而又可以杀灭或抑制微生物生长的物质，以防止微生物的污染。在不影响酶催化活性的前提下，选择在较高的温度（45℃以上），较高或较低的pH条件下进行操作，以防止微生物污染。89必要时，在反应液中适当添加对酶催化反应和产品质量无不良影响而生物酶反应器90生物酶反应器90生物酶反应器系列描述:采用机械上搅拌机构，玻璃罐体（全容积10L以上采用316L不锈钢罐体+玻璃视镜），带不锈钢滤网的底部出料阀，操作方便。控制系统可采用BIOTECH-2020模块控制器，自由组合，简单方便；也可采用单回路控制器控制温度、转速，转子流量计控制空气流量。配备一台“带时间控制的蠕动泵”。可控制时间区间：0—99秒或0—99分。可增加pH、DO等控制模块。

1.基本系统

1)全容积：2/3/5/7/10/20升（或用户指定体积）

2)拌速度：0-1000±5rpm

3)温度控制：(冷却水+5℃)-50.0℃±0.2℃（电加热,PID开关控制）

4)通气流量：0-罐体全容积/min(转子流量计，<自动检测控制可选>)

5)补料：(一台蠕动泵时间比例开关控制)

6)消毒方式：灭菌锅

7)电源：220AC/1kw

2.可扩展

1）pH控制：2.00-12.00±0.05pH（梅特勒电极,酸碱双向，PID开关控制。<兼容国产电极>）

2）溶解氧：0-150±3%,显示精度0.1%（梅特勒电极，<兼容国产电极>）

3）泡沫：（电极检测,一台蠕动泵时间比例开关控制）

4）空气流量、罐压、液位检测控制

5）排气O2、CO2检测

6）可增加两路补料

7）可增加电子天平称重系统91/生物酶反应器系列描述:采用机械上搅拌机构，玻璃罐体（全容酶反应器的研究现状目前工业上大规模应用的酶，仅限于水

解酶和异构酶两大类中的某些酶，而且大多是单酶系统。为了适应酶的开发利用的需要，酶反应器的研制也在提高层次。目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。92酶反应器的研究现状目前工业上大规模应用的酶，仅限于水

解酶和从第二代酶反应器的研制来看，主要包括以下三种类型：①含辅因子的酶反应器；②多相或两相反应器；③固定化多酶反应器。其中多相反应器在近几年来进展较快，例如可利用脂肪酶的特点来合成具有重要医疗价值的大环内酯和光学聚酯。93从第二代酶反应器的研制来看，主要包括以下三种类型：9394EndThanks!94End第4章

酶反应器刘立丽浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所E-mail:llliu@95第4章

酶反应器刘立丽1生物反应器一、生物反应器概述生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化

成有用物质的过程。四个组成部分：——原材料的预处理——生物催化剂的制备——生物反应器的选择及反应条件的控制——产物的分离提纯96生物反应器一、生物反应器概述2生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程97生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程3生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品产业化的关键设备。在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料升值。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。评价生物反应器主要是看它生产能力的大小以及产品质量的高低。98生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地位，连接原料和产一般的化学反应器相似：

维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行。与一般的化学反应器不同：

细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。生物反应器的要求99一般的化学反应器相似：生物反应器的要求5生物反应器生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低。生物反应器处于生物过程的中心，它常是影响整个过程的经济效益的一个重要方面。100生物反应器生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低。生物反应器历史简介生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就是最初的生物反应器。20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和应用获得迅速发展的阶段。传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐”（fermenter）101生物反应器历史简介生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利发酵罐102发酵罐8生物反应器历史简介20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemicalreactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。同一时期，Ollis提出了另一术语——生物反应器（biologicalreactor）.20世纪80年代，生物反应器（bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。103生物反应器历史简介20世纪70年代，Atkinson提出了生生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最主要考虑的问题。传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见，在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反应器不断出现，相应地提高了传质效率。传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一个环节。传质和传热104生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质和传热1酶反应器（enzymereactor）定义：通常将用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。作用：使酶得到合理的应用，并能够提高产品的质量和降低成本。105酶反应器（enzymereactor）定义：通常将用于酶进1061210713本章内容P92酶反应器的分类酶反应器的选择酶反应器的设计酶反应器的放大酶反应器的操作108本章内容P92酶反应器的分类144.1酶反应器的类型和特点按照结构的不同可以分为：搅拌罐式反应器stirredtankreactor，STR填充床式反应器packedcolumnreactor，PCR流化床反应器fluidizedbedreactor，FBR鼓泡式反应器bubblecolumnreactor，BCR膜反应器membranereactor，MR喷射式反应器jetgas-liquidreactor1094.1酶反应器的类型和特点按照结构的不同可以分为：15按操作方式分为：分批式反应（batch）连续式反应（continuous）流加分批式反应（feedingbatch）将结构和操作方式结合一起分为：连续搅拌罐式反应器

continuousstirredtankreactor，CSTR分批搅拌罐式反应器

batchstirredtankreactor，BSTR等110按操作方式分为：将结构和操作方式结合一起分为：164.1.1搅拌罐式反应器由反应罐、搅拌器和保温装置组成。既可以用于游离酶的催化反应，又可以用于固定化酶的催化反应1111、分批搅拌罐式反应器4.1.1搅拌罐式反应器171、分批搅拌罐式反应器112优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀，传质阻力较小，反应较为完全，反应条件容易调节控制。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。18优点：缺点：分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。流加分批搅拌罐式反应器的装置与分批搅拌罐式反应器的装置相同。流加分批式反应可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。113分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。192、连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。1142、连续搅拌罐式反应器20优点：设计简单、操作简便反应条件容易调节控制底物与固定化酶接触较好传质阻力较小反应器的利用率较高。需注意控制好搅拌速度，以免由于强烈搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构受到破坏。115/ipc/hxyj_C12M_detail_200720125230.html微型生物酶反应器优点：21patentinfo.c116224.1.2填充床式反应器是将酶固定化后，填充到柱式反应容器中而制成的一种反应器。适用于固定化酶进行催化反应1174.1.2填充床式反应器是将酶固定化后，填充到柱式反应容旋转填充床118旋转填充床24优点：设备简单操作方便单位体积反应床的固定化酶密度大可以提高酶催化反应的速度缺点：底层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。119优点：缺点：254.1.3流化床反应器120是一种适用于固定化酶进行连续催化反应的反应器。4.1.3流化床反应器26是一种适用于固定化酶进行连续催优点：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反应121优点：27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。122/ipc/hxyj_C12M_detail_200710063268.html固定化酶流化床反应器1、2缺点：28patentinfo.c4.1.4鼓泡式反应器1234.1.4鼓泡式反应器29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应中常用的一种反应器124结构简单30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。进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。125可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。314.1.5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。/yjnew_view.asp?id=273

1264.1.5膜反应器将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在膜反应器的类型：平板型螺旋型管型中空纤维型转盘型127膜反应器的类型：33中空纤维反应器是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组成。中空纤维的内径200-500μm，外径300-900μm。中空纤维壁上分布许多孔径均匀的微孔，可以截留大分子而允许小分子物质通过。128中空纤维反应器是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成优点：集反应与分离于一体，利于连续化生产。缺点：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。129/ipc/hxyj_C12M_detail_200810059776.html生物柴油装置示意图1、2优点：集反应与分离于一体，利于连续35http://www.4.1.6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。1304.1.6喷射式反应器利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底优点：结构简单体积小混合均匀可在短时间内完成催化反应131/ipc/hxyj_C12M_detail_92211214.html固定化糖化酶反应器优点：37patentinfo.c13238133反应器类型适用的操作方式适用的酶特点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式游离酶固定化酶由反应罐，搅拌器和保温装置组成。设备简单，操作容易，酶与底物混合较均匀，传质阻力较小，

反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床反应器连续式固定化酶设备简单，操作方便，单位体积反应床的固定化酶

密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。鼓泡式反应器分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器连续式游离酶固定化酶膜反应器结构紧骤，集反应与

分离于一体,利于连续化生产,但是容易发生浓差极化而引起膜孔阻塞，清洗比较困难喷射式反应器连续式游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应39反应器类型适用的操作方式适用的酶特点搅拌罐式分批式,游离主要影响因素：酶的应用形式酶的反应动力学性质底物和产物的理化性质要求：结构简单、操作方便、易于维护和清洗、可适用于多种酶的催化反应、制造成本和运行成本较低4.2酶反应器的选择134主要影响因素：4.2酶反应器的选择40

游离酶反应器的选择搅拌罐式反应器最常用有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器价格较高的酶，为了能够回收，可采用游离酶膜反应器耐高温的酶，可采用喷射式反应器4.2.1根据酶的应用形式选择反应器135游离酶反应器的选择4.2.1根据酶的应

固定化酶反应器的选择根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性的不同进行选择。固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管状、螺旋管状等，通常为颗粒状固定化酶。颗粒状的固定化酶可以选用搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床反应器和鼓泡式反应器等进行催化。搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固

定化酶。采用填充床式反应器时应注意控制好反应器

的高度。136固定化酶反应器的选择42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。137采用流化床反应器时，固定化酶的434.2.2根据酶反应动力学性质选择反应器主要影响因素：酶与底物的混合程度底物浓度对酶催化反应速度的影响反应产物对酶的反馈抑制作用酶催化作用的温度条件1384.2.2根据酶反应动力学性质选择反应器主要影响因素：4

酶与底物的混合程度搅拌罐式反应器、流化床反应器均具有较好的混合效果填充床式反应器混合效果较差采用膜反应器时，可以采用辅助搅拌或其它方法来提高混合效果139酶与底物的混合程度搅拌罐式反应器、流化床反

底物浓度对酶反应速度的影响具有高浓度底物抑制作用的游离酶，可以采用游离酶膜反应器进行催化反应。具有高浓度底物抑制作用的固定化酶，可以采用连续搅拌罐反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、膜反应器等进行连续催化反应，但需要控制底物浓度在一定的范围。140底物浓度对酶反应速度的影响具有高浓度底物抑

反应产物对酶的反馈抑制作用最好选择膜反应器对于固定化酶，也可以采用填充床式反应器141反应产物对酶的反馈抑制作用最好选择膜反应器

酶催化作用的温度条件对可以耐受100℃以上高温的酶催化反应，最好是选择喷射式反应器。142酶催化作用的温度条件对可以耐受100℃以上4.2.3根据底物和产物理化性质选择反应器主要影响因素：底物和产物的理化性质分子量溶解性黏度1434.2.3根据底物和产物理化性质选择反应器主要影响因素：需要小分子物质作为辅酶参与，通常不采用膜反应器。底物或产物的分子量较大，一般不采用膜反应器。底物或者产物的溶解度较低、黏度较高应当选择搅拌罐式反应器或者流化床反应器，而不采用填充床式反应器和膜反应器。有气体底物参与时，通常选用鼓泡式反应器。144需要小分子物质作为辅酶参与，通常不采用底物或产物的分子量较大4.3酶反应器的设计4.3.1、确定酶反应器的类型4.3.2、确定酶反应器的制造材料4.3.3、进行热量衡算4.3.4、进行物料衡算1454.3酶反应器的设计4.3.1、确定酶反应器的类型514.3.1确定酶反应器的类型是酶反应器设计的第一步。根据酶、底物和产物的性质选择并确定酶反应器的类型。1464.3.1确定酶反应器的类型是酶反应器设计的第一步。524.3.2、确定酶反应器的制造材料对制造材料要求比较低，一般采用不锈钢或玻璃等材料即可，可根据投资的大小来选择。1474.3.2、确定酶反应器的制造材料对制造材料要求比较低，一般4.3.3、进行热量衡算主要是根据热水的温度和使用量来进行计算。对于喷射式反应器，根据所使用的水蒸气的热焓和用量来计算。再根据所需传递的热量和反应器换热装置制造材料的传热系数，计算所需的传热面积，并根据使用要求确定换热器的传热方式，再确定换热装置的形状和尺寸。1484.3.3、进行热量衡算主要是根据热水的温度和使用量来进行计4.3.4、进行物料衡算是酶反应器设计的重要任务确定酶催化反应动力学参数底物用量反应液总体积酶用量反应器数量1494.3.4、进行物料衡算是酶反应器设计的重要任务55是反应器设计的主要依据之一根据酶反应动力学特性，确定反应所需的：底物浓度酶浓度最适温度最适pH激活剂浓度确定酶催化反应动力学参数150是反应器设计的主要依据之一确定酶催化反应动力学参数56计算底物用量产量：P（kg/年）=Pd（kg/d）×300分批反应器

=Ph（kg/h）×300×24连续反应器根据产品产量、产物转化率和收率，计算所需底物用量。151计算底物用量产量：根据产品产量、产物转化率和收率，计算所需底产物转化率：YP/S=mP/mSmP——生成的产物量（kg）mS——投入的底物量（kg）152产物转化率：YP/S=mP/mS58反应副产物忽略不计，产物转化率：△[S]——反应前后底物浓度的变化[S0]——反应前底物浓度（kg/m3）[St]——反应后底物浓度（kg/m3）产物转化率与反应条件、反应器性能和操作工艺有关。153反应副产物忽略不计，产物转化率：△[S]——反应前后底物收率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。收率主要取决于分离纯化技术及其工艺条件。154收率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。收率底物用量（kg）：mS——所需的底物用量（kg）mP——反应产物的产量（kg）YP/S——产物转化率（%）

R——产物收率（%）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

。155底物用量（kg）：mS——所需的底物用量（kg）分批反应器计算反应液总体积Vt——反应液总体积（m3）mS——底物用量（kg）[S]——反应前底物浓度（kg/m3）156计算反应液总体积Vt——反应液总体积（m3）62酶用量的计算E——所需的酶量（U）[E]——酶浓度（U/m3）Vt——反应液体积（m3）157酶用量的计算E——所需的酶量（U）63反应器数量的计算一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%~80%。158反应器数量的计算一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%~N——构成所需反应器数量（个）Vd——每天的反应液总体积（m3/d）V0——单个反应器的有效体积（m3）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。159N——构成所需反应器数量（个）对于分批反应器，可以根据每天获对于连续反应器，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——过程所需的反应器数量（个）Vh——每小时的反应液总体积（m3/h）V0——单个反应器的有效体积（m3）t——底物在反应器中的停留时间（h）160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单位时间单位体积反应液所产生的产物量。Qp——反应器的生产强度（kg/m3▪h）Ph——每小时的产物量（kg/h）V0——单个反应器的有效体积（m3）Vh——每小时的反应液体积（m3/h）[P]——反应液中的产物浓度（kg/m3）161连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。Qp——反应器N——过程所需的反应器数量（个）[P]——反应液中的产物浓度（kg/m3）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：162N——过程所需的反应器数量（个）连续反应器的数目与反应器的生4.4酶反应器的放大通常一个生物反应过程的开发，包括了三个不同规模的阶段：⑴利用实验室规模的反应器进行工艺试验；⑵在中间规模的反应器中试验（中试），确定最佳的操作条件；⑶在大型生产设备中投入生产。1634.4酶反应器的放大通常一个生物反应过程的开发，包括了三目前主要有：经验放大法几何相似放大单位体积液体中搅拌功率相同放大搅拌器叶尖速度相同放大混合时间相同放大因次分析法时间常数法数学模拟法164目前主要有：704.5酶反应器的操作酶反应器操作条件的确定及其调节控制酶反应器应用的注意事项1654.5酶反应器的操作酶反应器操作条件的确定及其调节控制7一、酶反应器操作条件的确定及其调控温度pH底物浓度酶浓度反应液的混合与流动166一、酶反应器操作条件的确定及其调控温度721、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。将反应温度控制在适宜温度范围内，在温度发生变化时，及时进行调节。夹套、列管等换热装置。喷射式反应器，通过控制水蒸汽的压力。1671、反应温度的确定与调节控制732、pH值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pH。分批式反应器，通常在加入酶液之前，用稀酸或稀碱调节底物溶液到酶的最适pH。连续式反应器，一般将调节好pH的底物溶液连续加到反应器中。有些酶的底物或产物是一种酸或碱，反应前后pH变化大，必须在反应过程中进行必要的调节。1682、pH值的确定与调节控制74pH的调节通常采用稀酸或稀碱溶液进行，加入稀酸或稀碱溶液时要一边搅拌一边慢慢添加，以防止局部过酸或过碱必要时可以采用缓冲溶液配制底物溶液，以维持反应液的pH。169pH的调节通常采用稀酸或稀碱溶液进行，加入稀酸或稀碱溶液时73、底物浓度的确定与调节控制底物浓度是决定酶催化速度的主要因素。要确定一个适宜的底物浓度范围。通常底物浓度在5~10Km。要防止高浓度底物的抑制作用。1703、底物浓度的确定与调节控制764、酶浓度的确定与调节控制综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。对连续式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。1714、酶浓度的确定与调节控制775、搅拌速度的确定与调节控制保证酶与底物混合均匀，使酶分子与底物分子能够进行有效碰撞，进而互相结合进行催化反应。首先要在试验的基础上确定适宜的搅拌速度，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。搅拌速度过慢，会影响混合的均匀性；搅拌过快，产生的剪切力会使酶的结构受到影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏甚至破碎。1725、搅拌速度的确定与调节控制保证酶与底物混合均匀，使酶分子与必须确定适宜的流动速度和流动状态（流体速度、流量、进液管的方向和排布等），并根据变化的情况进行适当的调节。流化床反应器，通过控制进液口的流体流速和流量以及进液管的方向和排布等方法，加以调节。填充床式反应器，必须选择好适宜流速。6、流动速度的确定与调节控制173必须确定适宜的流动速度和流动状态（流体速度、流量、进液管的方膜反应器，采用适当的速度搅拌，使粘附在膜表面的固形物和大分子物质离开膜表面，还可以通过控制流动速度和流动状态，使反应液混合均匀，减少浓差极化现象的发生。喷射式反应器，可以控制蒸汽压力和喷射速度进行调节。174膜反应器，采用适当的速度搅拌