第八章酶反应器-课件

第八章生物反应器1什么是酶反应器?酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需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。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它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。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。2生物反应器具有中心的作用，它是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。生物反应器的设计和操作，就是生物工程中一个极其重要的问题，它对产品的成本和质量有着很大影响。3生物反应器的特点酶促反应器：利用生物催化剂进行一步或几步催化反应，游离或固定化酶（细胞），简单，与一般的化学反应器无大的区别。细胞生物反应器：生物反应过程中，活细胞（微生物、动植物细胞）的生长、代谢或者同时复杂酶系统的生物催化转化，发酵罐。生物反应复杂，细胞中精确调控的酶系进行的催化反应。生物反应器的作用：为生物催化反应与细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使反应效率更高，细胞生长与代谢更快更好，转化或代谢产物更多。4优良的反应器应具备：严密的结构；良好的液体混合性能高效的传质、传热性能；配套而又可靠的检测和控制仪表。判断的标准：能否适合催化工艺要求，最大生产效率。5酶促反应器：生化反应简单，酶如同化学催化剂，基本与化学反应器同，要考虑生物酶的特性。细胞反应器：发酵罐，考虑细胞的增殖、催化活性、杂菌的污染。与化学反应器区别很大。发酵罐与酶促反应器的主要区别：生物反应速率较慢，体积反应速率不高，反应器大。对好氧过程，通风和混合要求，动力消耗较大，产物浓度低。杜绝杂菌污染6生物反应器的分类按几何形状或结构特征划分：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等管式、膜式用于连续操作。直径较大、纵向较短的管式成为塔式反应器。7按催化剂类型或培养对象划分：酶促反应器、微生物培养发酵罐、植物细胞反应器、动物细胞反应器。游离酶反应器：考虑使用目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传递、反应器制造和运转成本及操作难易等因素，采用一般化学反应器，固定化酶促反应器：还要考虑固定化酶的形状（颗粒、纤维、膜）、大小、机械强度、密度和再生难易，操作上的要求（如pH、供养、杂菌污染），反应动力学形式，和物质传递特性，内外扩散、底物性质、催化剂的表面与反应器的体积的比值等。如：颗粒状固定化酶，机械强度（凝胶包埋、微囊酶）、机械搅拌的剪切、耐压缩性（安装筛板）8按供氧划分：好氧反应器、厌氧反应器好氧、厌氧反应，某些溶剂（乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇）、乳酸、沼气都是厌氧产品。氧在培养基中的溶解度，不断进行通气和搅拌，同时保持培养液悬浮，促进发酵热散发。根据反应器所需的混合方式与能量输入方式划分：机械搅拌输入能量的搅拌型反应器、利用气体喷射动能的气升式反应器、利用泵对液体的喷射作用使液体循环的喷射环流式反应器。最多的还是搅拌型反应器，气升式反应器在特殊产品生产中应用效果很好。9根据反应器的操作方式划分：间歇式、连续式、半间歇式生物反应器。间歇式反应器：反应物料一次性加入，反应过程中，没有底物的加入和产物的取出，反应器内物系的组成随反应时间的变化而变化，非稳态过程。连续式反应器：不断补充底物和营养物质，转化或代谢产物不断被稀释而排除，催化过程连续稳定进行，反应期内任何部位的物系组成均不随时间变化而改变，稳态过程。克服了底物或营养物质被耗尽或产物代谢物积累抑制等缺点。但是连续反应过程的操作和质量控制有更高的要求。半连续反应器：将原料与部分产物连续输入或输出，其余分批加入和输出。具有上述两种反应器的特点。10根据生物催化剂在反应器中的分布方式：生物团块反应器和生物膜反应器。生物团块反应器按催化剂的运动状态分为：填充床、流化床、生物转盘。根据反应物系在反应器内的流动和混合状态划分：全混流和活塞流型生物反应器。活塞流式：反应液在反应器径向严格均一的速度分布，反应速度仅随空间位置不同而变化。全混流式：反应器内浓度分布均匀。根据发酵培养基的物料状态划分：液态和固态生物反应器。1112生物反应器的研究内容高效生物反应器的特点：设备简单、结构严密、良好的液体混合性能和较高的三传速率、能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的检测及控制仪表。评价生物反应器的好坏：适合工艺，最大生产效率。研究和设计内容：按工艺选型；按反应过程物料衡算、传质传热计算；考虑无菌条件；设计必要的过程控制。13生物反应器开发研究的具体内容：1、建立描述生化反应过程的各种数学模型，为生物反应器的设计提高理论基础。：以反应器为研究对象，分别研究生化反应、传递过程、流体流动与混合等过程，联立求解动力学方程、物料及能量衡算，生物反应过程规律的解析表达式，获得数学模型，过程的自控、优化和反应器的设计与放大。2、生物反应器的大型化发展：放大降低生产成本，大型反应器200—500m3，抗生素400m3，氨基酸300m3，SCP气升式2600m3，废水处理27000m3。3、特殊要求的新型生物反应器的研制：适应不同类型的生物催化剂与催化反应过程的生物反应器，如基因工程菌反应器、固定化酶反应器、固定化细胞反应器、非水相生物反应器、动植物细胞培养反应器、固体发酵、反应与分离耦合反应器。

14生物反应器的工艺设计基础生化反应机制、反应器内部的传质传热、物料混合流动、反应器的结构和型式。生物学基础：生化反应机制、生理特性等。生物反应动力学，定量描述反应过程速率及其影响因素，包括生物体本身、组分的浓度、温度。细胞生长速率、基质消耗速率和产物生成速率及动力学模型细胞基质产物反应体积15生物反应器中混合与传热：混合：混合过程影响反应器内的质量传递，影响催化反应效果。机械搅拌混合和气流搅拌混合。机械搅拌混合：主体对流扩散、涡流扩散、分子扩散。作用范围：主体>涡流>分子。宏观流动（粗略混合）-微观流动-微观混合（完全混合）。反应器内流体的流动状态决定物料的混合状态，混合状态常用返混表述。不同停留时间的物料之间的混合，间歇反应器中，不存在返混。返混是与连续操作伴生的现象。返混原因：死角、沟流或短路、轴向扩散与径向速度分布不匀（管式反应器）、剧烈搅动（釜式反应器）。实际的流动状态很复杂，难于精确数学描述，通常采用合理简化（流动模型）,用模型的分析和计算代替实际反应器的分析和计算（数学模型法）。平推流模型（无返混）、全返混模型（全返混）、轴向扩散模型和多釜串联模型（介于无返混和全返混之间）。流动情况用流场描述。16生物反应器中的传热：能量平衡：热量计算方法：通过反应中冷却水带走的热量计算。通过反应液温度的升高进行计算。通过生物合成进行计算。通过燃烧热计算。换热面积计算：A=Qall/KΔtm,根据经验，夹套K400-700kJ/(m2.h.C),排管K1200-1900，管壁较薄且对冷却水强制循环时K3300-4200。17理想的反应器模型：活塞流（CPFR）、全混式（CSTR）CPFR与CSTR的比较：停留时间（CSTR>CPFR）、酶的需求量（CSTR相对量较大）、酶的稳定性（一级反应:CPFR更容易失活）、浓度分布、参见生化反应工程CPFRCSTR18几种常见的反应器机械搅拌式生物反应器结构和功能19机械搅拌反应器的几何尺寸通用式发酵罐的几何尺寸比例H-筒身高度D-罐径W-挡板宽度HL-液位高度d-搅拌器直径s-两搅拌器间距B-下搅拌器据底间距20一般来讲，发酵罐的“公称容积”V0是指筒身容积Vc和底封头容积Vb之和。底封头容积V可根据封头的形状、直径及壁厚查有关化工容器设计手册求得，也可近似地用下式计算：21机械搅拌反应器的混合和搅拌：轴向流动和径向流动

搅拌器的形式与搅拌流型：

桨型式：螺旋桨、平桨、涡轮桨、自吸式…..螺旋桨：轴向流动为主，流体形成轴向的螺旋状运动。特点：直径小、转速高、产生的循环量大，混合效果较好，但对气泡非分散效果较差。22希望以径向液流为主，同时兼顾轴向翻动。通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器。涡轮桨:径向流动为主，径向离心力，搅拌器中央带有圆盘，特点：对流体的剪切力剧烈、叶片宽产生大的流体循环量，平叶、弯叶、箭叶。23功率消耗：平叶>弯叶>箭叶粉碎气泡的能力：相同搅拌功率下，平叶>弯叶>箭叶翻动流体的能力：箭叶>弯叶>平叶搅拌功率的确定和计算：反应器设计重要方面。搅拌功率影响流体的混合、传质和传热。24机械搅拌酶反应器：间歇式BSTR、连续搅拌式CSTR：敞口式CSTR便于更换固定化酶，易于控制，能处理胶态和不溶性底物。25

连续流搅拌桶反应器连续搅拌釜式反应器26鼓泡式和气升式生物反应器特点：无机械搅拌、结构简单、氧传递效率高、能耗低、安装维修方便等。鼓泡式反应器：空气搅拌高位反应器，高径比大的鼓泡为塔式反应器，又称高位筛板式反应器，多孔筛板的作用27鼓泡式反应器与机械搅拌反应器对比：鼓泡式优点：结构简单、造价低、动力消耗小、没有轴封不造成染菌、对细胞剪切力小、操作成本低、噪音小。鼓泡式缺点：反应器很高、室外安装、较大压力的压缩空气。适用于液体粘度低、固含量少、需氧量低的催化工程。低能耗下较高的氧传递效率。28环流反应器塔式反应器，气升环流式和喷射环流式气升式环流反应器：内环流式、外环流式….特点：气体的上升力带动流体在反应器内循环流动形成良好的混合，供氧和传热较好。29喷射环流式：机械泵引射压缩空气，喷口出口强的剪切力场，形成小气包，反应器内从新聚并成大气泡，通过环流再度分散，加快传质，相同能耗下，氧传递速率要高很多。30自吸式生物反应器类型：机械搅拌自吸式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式….不需要压缩空气压缩机，而是利用搅拌器旋转等方式产生的抽吸力吸入空气。关键部件：带有中央吸气口的搅拌器，搅拌器为空心叶轮，搅拌器旋转甩出液体，叶轮中心形成负压。优点：机械搅拌的抽吸作用自行引入空气，气液接触良好、气泡分散细、溶氧系数高、省去了压缩机。缺点：进罐空气为负压、吸程不高、采用低阻力高效空气除菌装置。3132厌氧生物反应器连续厌氧发酵设备连续管道厌氧反应器33固定床、流化床生物反应器用于固定化酶、细胞固定床反应器：塔式、管式，平推流反应器固定化酶：球形、蝶形、薄片、小珠状34优点：催化剂装填密度高、结构简单、费用低、适用于易磨损的固定化酶、较高的产率（产物抑制体系）。缺点：传质传热相对较低，固定床颗粒影响压降和内扩散阻力（颗粒尽可能均匀）、固体物料不宜、35流化床反应器：fludizedbedreactor,FBR特点：流体与固体颗粒充分接触，混合程度高、传热传质好、适宜于粘性大和含固体物料。不适宜于产物抑制的反应。新型流化床颗粒：固定化酶内添加砂粒、或磁性物质等，提高固相和液相的的密度差，提高传质速率。36选择酶反应器的原则：无特定的规律，根据酶、底物、载体性能、酶反应动力学特性、反应条件、反应器本身的造价综合因素。37膜生物反应器膜和化学反应或生物反应相结合的系统，membranebioreactor,MBR,工程强化技术，依靠膜的功能改变反应进程，提高反应效率。膜的4种主要功能：载体功能：固定化载体，生物活性的功能膜分离功能：膜的多孔性、膜与组分物理化学作用的不同，选择性透过不同物质。分隔功能：膜的两个表面将系统分隔成相关联的两个部分，可透过相关物质。复合功能：依靠复合技术制备出几层不同功能膜组成的复合膜。38如：利用分离和分隔功能，反应和分离耦合，膜的原位分离技术，移动平衡、提高选择性、缓解产物抑制和毒害等。39膜反应器的类型：2种（1）膜反应器：酶膜、固定化细胞的中空纤维反应器。（2）生物反应器与膜组件组合成反应与分离耦合体系:搅拌反应器+超滤膜膜的孔径由小到大分为：渗透膜（RO）、超滤膜（UF）、微滤膜（MF）、普通过滤膜40膜反应器的应用：生物大分子的水解辅酶再生反应体系脂肪酶、酯酶的有机相酶催化体系反胶束体系和其他酶催化过程。膜的污染和大型膜反应系统的制备等原因，远未进入大规模产业化应用。例：有机酸发酵反应与分离耦合：41

各种酶反应器及其特点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,游离酶固定化酶反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床式反应器连续式固定化酶密度大，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。42反应器类型适用的操作方式适用的酶特点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43酶反应器的选择在选择酶反应器时，要考虑：酶形式、酶的反应动力学性质、底物和产物的理化性质等同时，反应器尽可能具有结构简单、操作方便、易于维护和清洗、可适用于多种酶的催化反应、制成成本和运行成本较低等特点。44游离酶搅拌罐式反应器鼓泡式反应器膜分离反应器喷射式反应器45固定化酶搅拌罐式反应器填充床式反应器鼓泡式反应器膜分离反应器流化床式反应器46根据酶反应动力学性质选择反应器酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其应因素的学科，影响反应动力学的因素包括酶与底物的结合程度、底物浓度对反应速度的影响、反应产物对酶的反馈抑制作用以及酶催化作用的温度条件等。47酶与底物分子有效碰撞和结合—反应系统混合均匀—搅拌罐式反应器、流化床式反应器。高浓度底物对酶抑制—流加分批罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器等产物抑制酶反应—膜反应器、填充床式反应器。耐高温酶—喷射式反应器。48三、根据底物或产物的理化性质选择反应器酶催化过程中，底物和产物的理化性质直接影响酶催化反应速率，底物或产物的分子质量、溶解性、粘度等性质也对反应器的选择有重要影响。（1）反应底物或产物分子质量较大时，不宜采用膜反应器。（2）底物或产物溶解度低、粘度高时，选择搅拌罐式反应器，不采用填充床式反应器和膜式反应器。49（3）反应底物为气体时，常选择鼓泡式反应器。（4）小分子物质作为辅酶的催化反应，不选膜反应器，以免辅酶的流失。50生物反应器的设计与放大设计基本要点：强化传质、传热等操作，将催化活性控制在最佳条件、降低总的操作成本。设计目标：催化反应效率提高、最大限度降低成本、最少成本最大限度增加单位体积产率、提高产品质量、提高技术经济水平，创造更大效益。设计的重要方面包括:改善生物催化剂、实现良好的过程控制、提供良好的无菌条件、克服速度限制因素（物质传递、热量传递、质量传递）等酶反应器：不需要通气与剧烈的搅拌，不考虑生物体生长代谢，主要考虑反应器的选型。细胞生长代谢的生物反应器：复杂，严格的要求进行设计和放大。51生物反应器设计和操作的限制因素

酶或微生物是一种生物催化剂。实际上，反应器还要受到物理因素的限制，并不可能使生产速率很高。若生物催化剂的浓度和比活力都很高，传质和传热成为提高反应器生产能力的限制因素。在生物催化剂浓度较低或比活力也较低时，生物催化剂的因素是生物反应器生产能力的限制因素。在生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器的操作因素成为限制因素。52生物反应器选型与设计要点

53生物反应器研究的主要内容反应器选型:根据工艺特征、反应特性、物料特性确定反应器的操作方式、结构类型、能量传递、流体流动方式等。设计反应器的结构并确定结构参数：内部机构、几何尺寸，如搅拌桨形式、大小、转速、换热方式及换热面积。确定工艺参数及控制方式：温度、压力、pH、通气量、底物浓度、物料流量等。54设计过程中要考虑的因素生物反应动力学：生物反应器定量研究的基础流体的输送及混合：流体间的动量传递、机械能的转化热量的传递：反应热（发酵热）的传出和反应器温度的控制物质的传递：细胞内外物质的交换、营养物、氧、CO2、底物和产物传递。55生物催化反应涉及到的特殊性底物特殊性：胶状物、絮状物等，多考虑流化床反应器。固定化酶：减少对固体的剧烈的剪切力，可以通过不同方式的固定化酶装载方式，如装在搅拌叶片上、或外置循环。微生物和酶的杂菌污染：56生物反应器的设计和操作参数停留时间转化率产物酶的用量温度pH底物浓度57生物反应器的工艺设计和计算不同于普通的化学反应器，动力学模型更加复杂，更加非线性化。物料衡算酶催化反应动力学方程：米式方程微生物生长动力学方程：Monod方程反应器模型：全混式、平推流式58生物反应器的放大经验放大法因次分析法时间常数法数学模拟法59经验放大法几何相似放大以单位体积液体中搅拌功率相同放大以单位培养液体积的空气流量相同的原则放大以空气线速度相同的原则放大以KLa相同的原则放大搅拌器叶尖速度相同的原则放大混合时间相同的原则放大60数学模拟放大法61减压式反应器用于生物催化反应中易挥发产物的在线去除

Wei

Dongzhi*,Yuying,BiocatalysisandBiotransformation,2003,21(3)135-139.

62生物催化合成油酸乙基葡萄糖苷酯减压式反应器用常规反应器用63实验进展反应器设计酯化反应器6464循环式反应器1搅拌罐2柱塞泵3固定化酶柱6566

固定床式反应器

1搅拌罐2柱塞泵3固定化酶柱（卷成筒状）4硅胶柱6768固定床式反应器

6869两种放大反应器的比较:固定床反应器搅拌式反应器697071固定化细胞反应器7273747576777879固定化细胞的应用8081828384858687理想的酶反应器的要求生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低。评价生物反应器的主要标准：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较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能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