酶反应器课件

关于酶反应器第1页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三酶工程原理和基本过程菌种→扩大培养→发酵→发酵酶液→酶的提取→酶成品

原料→前处理→杀菌→酶反应器↓反应液→产品提取→产品酶的固定化第2页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三Contents酶反应器简介酶反应器的类型及特点酶反应器的选择酶反应器的设计GoGoGoGo酶反应器的操作Go第3页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三一、酶反应器简介

游离酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必须在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。

酶反应器(enzymereactor)：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备。酶反应器为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。第4页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三酶催化反应过程示意图酶反应器消毒原料预处理

产物分离提纯

产品过程调控（固定化）酶制备空气除菌能量热量第5页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三二、酶反应器的类型及特点按形状、结构区分：搅拌罐式反应器（stirredtankreactor,STR）鼓泡式反应器（bubblecolumnreactor,BCR）填充床式反应器（packedcolumnreactor,PCR）流化床式反应器（fluidizedbedreactor,FBR)膜反应器（membranereactor,MR）

第6页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三二、酶反应器的类型及特点按操作方式区分：分批式反应器（batchreactor）流加分批式反应器（feedingbatchreactor）连续式反应器（continuousreactor）按结构与操作方式结合区分：分批搅拌罐反应器（batchstirredtankreactor，BSTR）连续搅拌罐反应器（continuousstirredtankreactor,CSTR）第7页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三有搅拌装置的罐式反应器。组成：反应罐、搅拌器和控温装置适用：游离酶、固定化酶1.搅拌罐式反应器stirredtankreactor,STR第8页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（1）分批搅拌罐反应器batchstirredtankreactor,BSTR特点：底物与酶一次性投入反应器内，反应结束后将产物一次性取出。适用：游离酶、固定化酶优点：装置简单，造价低，传热、传质阻力小，反应完全，条件易于控制。缺点：操作麻烦，游离酶难分离，固定化酶经反复回收易失活。第9页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（2）连续搅拌罐反应器continuousflowstirredtankreactor,CSTR特点：固定化酶与底物溶液反应达到平衡后，以恒定的流速连续流入底物溶液，同时以相同流速输出反应液。适用：固定化酶优点：结构简单，混合良好，底物与固定化酶接触好，利用效率高。缺点：连续搅拌易损坏固定化酶结构。第10页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三改进方法：反应器出口装上滤器：连续流动搅拌罐-超滤膜反应器（CSTR/UFR）用尼龙网罩住固定化酶固定在容器壁或搅拌轴上制成磁性固定化酶（2）连续搅拌罐反应器continuousflowstirredtankreactor,CSTR第11页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三连续搅拌罐-超滤反应器在CSTR出口处设置一个超滤器。为小分子产物与大分子底物的分离、底物较彻底的转化以及固定化酶的反复使用提供了可能，但酶易因循环超滤而失效损失。CSTR/ultrafiltrationreactor,CSTR/UFR第12页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1.搅拌罐式反应器

stirredtankreactor,STR第13页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：将固定化酶填充于反应器内，底物按一定方向以恒定速度流过。活塞流反应器(plugflowreactor,PFR)：在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。

适用：固定化酶2.填充床反应器

packedcolumnreactor,PBR第14页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三优点：①催化剂密度大、催化效率高②易操作、结构简单③适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液。缺点：①传质、传热系数低，温度、pH难以控制②底物和产物会产生轴向浓度分布③清洗和更换部分固定化酶麻烦④床内压力降大，底物须在加压下进入2.填充床反应器

packedcolumnreactor,PBR第15页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2.填充床反应器

packedcolumnreactor,PBR第16页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：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进行反应。

适用：固定化酶

3.流化床反应器

fluidizedbedreactor,FBR第17页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三优点：①传质、传热性能好，pH、温度控制及气体的供给容易

②不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体

③能处理粉末状底物

④压力降小缺点：①需保持一定流速，难于放大

②固定化酶处于流动状态，易破损

③空隙体积大，酶浓度低3.流化床反应器

fluidizedbedreactor,FBR第18页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三改进方法：①使用几个流化床组成的反应器组，或使用锥形流化床。②底物进行循环，避免固定化酶冲出，促进底物完全转化为产物。3.流化床反应器

fluidizedbedreactor,FBR第19页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三循环反应器

recyclereactor,RCR特点：把部分流出液与加料液混合，然后再令其进入反应器。优点：可提高液体的流速和减少底物向固定化酶表面传递的阻力。第20页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：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底物和混和两种作用。

三相流化床反应器：在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相

适用：游离酶、固定化酶4.鼓泡式反应器bubblecolumnreactor,BCR第21页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三4.鼓泡式反应器

bubblecolumnreactor,BCR优点：①结构简单，操作容易②传质、传热性能好，剪切力小③适合于需要气体参与的反应缺点：液体返混严重，气泡易聚并，效率低改进办法：锥形、多段式第22页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三污水处理4.鼓泡式反应器

bubblecolumnreactor,BCR第23页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：将酶催化反应与半透膜的分离作用相结合

适用：游离酶、固定化酶。

分类：游离酶膜反应器、固定化酶膜反应器5.膜反应器

membranereactor，MR第24页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三游离酶膜反应器第25页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：由膜状或板状固定化酶组装的反应器。

分类：平板状或螺旋状反应器转盘型反应器空心酶管反应器中空纤维膜反应器固定化酶膜反应器第26页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：放大容易；单位体积催化剂有效面积小平板状或螺旋状反应器第27页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物有挥发性物质，广泛应用于水处理装置。转盘型反应器第28页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。多与自动分析仪等组装，用于定量分析。空心酶管反应器第29页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

特点：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成内层：半透膜，可截留大分子物质而允许小分子物质通过外层：多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应中空纤维反应器第30页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三6.喷射式反应器

projectionalreactor，PR特点：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组成：喷射器、维持罐适用：耐高温游离酶优点：结构简单，催化效率高第31页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第32页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三食糖是日常生活必需品，也是食品、医药等工业原料。世界食糖的需求每年以4％的速率增加，而产量每年只增加2％-3％，供不应求。目前各国都竞相生产高果糖浆(HighFructoseSyrup，甜度为蔗糖的173.5％)。在美国、日本等发达国家2/3的食糖已为高果糖浆代替。高果糖浆采用固定化葡萄糖异构酶和固定化含酶菌体进行生产。例：利用固定化酶生产高果糖浆第33页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三高果糖浆的生产工艺葡萄糖异构酶第34页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三双酶法制糖工艺流程图第35页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三小结：各类反应器的特点反应器类型适用操作方式适用酶优点搅拌罐式分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶反应较完全，反应条件易调控填充床式连续式固定化酶催化剂密度大，可提高酶催化反应速度流化床式分批式流加分批式连续式固定化酶混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制容易，不易堵塞，可催化粘度大的反应液第36页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三反应器类型适用操作方式适用酶

优点鼓泡塔式分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适于有气体参与的反应膜反应器连续式游离酶固定化酶清洗较困难喷射式连续式游离酶酶与底物混合充分，催化效率高，适用于耐高温酶的反应各类反应器的特点第37页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三三、酶反应器的选择酶反应器的选择依据酶的应用形式酶反应动力学性质底物和产物的理化性质其他第38页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（1）游离酶：STR

、MR、BCR、PR。常用——STR气体参与——BCR高价酶——MR耐高温酶——PR1.酶的应用形式第39页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1.酶的应用形式（2）固定化酶：STR、PCR、BCR、FBR、MR颗粒状——STR、PCR小颗粒状——FBR、BCR片状、膜状或纤维状——PCR平板状、直管状、螺旋管状——MR第40页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

混合效果——STR、FBR

酶受高浓度底物抑制——BSTR

酶受产物反馈抑制——MR、PCR

酶耐受高温——PR2.酶反应动力学性质第41页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

分子量大——不适用MR

溶解性物质——任何类型反应器底物颗粒物质胶体物质气体——BCRSTR、FCR3.底物和产物的理化性质第42页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

成本：低使用：方便，易清洗

CSTR——应用的可塑性较大，结构简单，成本较低。

PBR——可塑性较差，但应用广泛。4.其他第43页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三选择反应器需考虑的因素酶的机械强度、密度反应操作的要求反应速率方程式的类型对付杂菌污染的措施酶的稳定性、再生、更换的难易反应器内催化表面积与反应器体积之比第44页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三生物反应器设计的主要目标：产品的质量最高，生产成本最低。(4)应具有最佳的无菌条件(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），得到较大的产品转化率(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件(3)应具有良好的传质和混合性能四、酶反应器的设计第45页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三设计步骤1.确定酶反应器的类型根据酶、底物和产物的性质确定反应器类型。2.确定反应器的制造材料不锈钢3.进行热量衡算设计控温装置：夹套、列管4.进行物料衡算酶反应动力学参数、底物用量、酶量、反应体积、反应器数量夹层冷却蛇形管冷却第46页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1.酶反应器操作条件的确定及调控（1）反应温度的确定与调控酶的催化反应有一个最适温度。过低，反应速度减慢；过高，引起酶的变性失活。换热装置——夹套或列管等五、酶反应器的操作第47页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（2）pH值的确定与调控酶的催化反应有一个最适pH值。过低或过高均使反应速度减慢，甚至使酶变性失活。操作：加入稀酸或稀碱进行调解，必要时可采用缓冲液维持反应液的pH值。五、酶反应器的操作第48页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（3）底物浓度的确定与调控底物浓度是决定酶促反应速度的主要因素。底物浓度低，酶催化反应速度随底物浓度的增加而升高；当底物浓度达到一定值时，反应速度趋于平衡，不再与底物浓度成正比。操作：适宜浓度，流加操作五、酶反应器的操作第49页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（4）酶浓度的确定与调控酶浓度也是决定酶促反应速度的主要因素。底物浓度足够高时，酶催化反应速度与酶浓度成正比；但提高酶浓度，会增加成本。操作：综合考虑反应速度和成本五、酶反应器的操作第50页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（5）搅拌速度的确定与调控搅拌罐反应器：搅拌速度过慢，影响混合均匀性；搅拌速度过快，产生的剪切力使酶的结构受影响操作：预先确定搅拌转速，适时调节五、酶反应器的操作第51页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（6）流速的确定与调控FBR：过慢，影响酶和底物均匀接触；过快，固定化酶结构受到破坏。可控制进液口的流速和进液管的方向和排布。PCR：过慢，酶和底物接触时间长，反应完全，但生产效率低。MR：流速快，可以降低或者清除产物的反馈抑制作用，但容易产生浓度差极化而使膜阻塞。以适当的速度进行搅拌，控制流动速度和流动状态。五、酶反应器的操作第52页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2.酶反应器操作的注意事项保持酶反应器的操作稳定性防止酶的变性失活防止微生物污染五、酶反应器的操作第53页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三本章思考题1.何谓酶反应器？主要有哪些种类？2.试比较常见酶反应器的优缺点并画出结构简图（STR、PCR、BCR、FBR）。3.酶反应器的选择依据包含哪些方面？如何根据反应特点确定反应器类型？第54页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

低聚糖：指2-10个单糖分子通过糖苷键连结起来，形成直链或分支链的一类寡糖的总称。研究现状：国际市场低聚糖年总产量达6万吨，已广泛应用于饮料、糖果、糕点、乳制品、冷饮、调味料、疗效食品等产品中。应用种类：异麦芽寡糖、蔗果寡糖、半乳糖基寡糖、半乳糖基转移寡糖、帕拉金糖、偶合糖、大豆低聚糖、异构乳糖等。酶法生产新型低聚糖第55页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

生理功能：促进双歧杆菌增殖；抑制腐败菌的生长繁殖；低热能，防止肥胖和糖尿病、抗龋齿、抗肿瘤等。第56页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第57页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三

酶的发酵生产：对菌种进行基因工程改造