1、Chapter 7 Reactors for enzymatic catalysis酶反应器,Contents of chapter 5,1、什么是酶反应器,2、理想的酶反应器的要求,3、各种酶反应器的特点,4、酶反应器的选择和使用,Go,Go,Go,Go,5、酶反应器的设计,Go,7.1 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。,定义：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
2、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。,酶催化反应过程示意图,过程调控,酶反应器,消毒,原料预处理,产物分离提纯,产品,生物催化剂制备,空气,除菌,能量,热量,回本章目录,7.2 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。,(4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。,(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) 应具有良好的传质
3、和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。,常见的酶反应器类型,按结构区分搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）填充床式反应器(packed column reactor, PCR )流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )膜反应器(Membrane Reactor, MR) 喷射式反应器,回本章目录,按操作方式区分分批式反应(batch )连续式反应(continuous )流加分批式反应(feeding batch
4、) 混合形式连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）,7.3 各种酶反应器的特点,搅拌罐式反应器是有搅拌装置的一种反应器，它由反应罐、搅拌器和保温装置组成。可以用于游离酶的催化反应，也可用于固定化酶的催化反应。操作方式可采用分批式（batch）、流加分批式（feeding batch）和连续式3种。与之对应的有分批搅拌罐式反应器和连续搅拌罐式反应器。,搅拌罐式反应器,(1)分批搅拌罐式反应器（BSTR）,其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；
5、反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 优点：设备简单，操作容易；酶与底物混合较均匀，传质阻力很小；反应条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。 缺点：反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程固定化酶易损失。操作方式：分批式、补料分批式,搅拌罐式反应器,(2) 连续式酶反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）,适用于固定化酶催化反应，在操作时固定化酶置于罐内，以恒定速度连续流入底物溶液，同时反应液（含产物）以相等速度连续流出。优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。缺点是：搅拌浆剪
6、切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。,填充床反应器（Packed ColumnReactor,PCR）,把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。 特点： 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。又称活塞流反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 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，可提高催化反应速度。缺点：底层固定化酶易受到挤压破碎。适用于：固定化酶。,优点：可使用高浓度的催化剂 ； 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产 物浓度沿反应器长度逐渐增高 ）；缺点：温度和pH
7、难以控制； 底物和产物会产生轴向浓度分布； 清洗和更换部分固定化酶较麻烦； 床内压力降大，底物必须在加压下进入；,流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）,特点：固定化颗粒置于反应容器，底物以一定速度由下向上流过反应容器，使固定化酶颗粒在浮动的状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间优点：具有混合均匀，传质及传热效果好，pH、温度控制及气体的供给比较容易；不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体及粉末状底物；传质阻力小，即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会很高。缺点：运转成本高，难于放大；酶浓度不高；固定化酶易破损，易冲出 。,鼓泡式反应器(bubble c
8、olumn reactor, BCR),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合两种作用的一类反应器。适用于游离酶和固定化酶。在使用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优点：结构简单，操作容易, 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。 例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等,膜反应器,膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可用于游离酶和固定化酶的催化反应。用于固定化酶催化反应的膜反应
9、器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。,简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。,游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续地进入反应器，酶在反应容器的溶液中与底物反应，反应后酶与反应产物一起进入膜分离器进行分离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。,回本章目录,连续搅拌罐超滤膜反应器,
10、优点：采用膜反应器进行游离酶的催化反应，及反应与分离于一体，一则可酶以回收循环使用，提高酶的使用效率；二则可连续排除反应物，降低和消除底物抑制。缺点：长时间使用，酶和杂质易吸附在膜上，造成浓差极化现象，影响分离效果。,固定化酶膜反应器,由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器分类： 1）平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器 3）空心酶管反应器 4）中空纤维膜反应器,平板状或螺旋状反应器,特点：压力降小； 膜面积清晰； 放大容易 ；单位体积催化剂有效面积小；,转盘型反应器,以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中，更换催化
11、剂方便。 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，广泛应用于水处理装置。,空心酶管反应器,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。管内径1mm，管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在一起，用于定量分析。,中空纤维膜反应器,由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径200m -500m，外径300m -900m)。组成。内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 。反应器的形状为管式或列管式，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
12、状介质上的酶起反应。,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，进行高温短时催化的一种反应器。适用于游离耐高温酶的反应优点：结构简单，体积小，混合均匀，催化反应速度快，效率高。,7.4 酶反应器的选择和使用,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：酶的应用形式(游离/固定化.)酶的反应动力学性质底物和产物的理化性质操作条件和要求反应器制造、控制成本,根据酶的应用形式,游离酶反应器的选择酶与底物均溶解在反应液中通过相互作用，进行催化反应。可选用：搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射 式反应器固定化酶反应器的选择酶与载体结合在一定空间范围内进行催化反应。主
13、要根据固定化酶的大小、颗粒形状、稳定性等来选择反应器可选用：搅拌罐式、填充床式、鼓泡式、流化床式、膜反应器,根据酶反应动力学,酶反应动力学是研究酶催化反应速度及影响因素的的学科，是酶反应条件的确定及控制的理论依据，对酶反应器的选择也有重要影响。考虑因素主要为：酶与底物的混合程度、底物浓度对酶反应速度的影响、反应产物的反馈抑制作用以及酶催化作用的温度条件。,根据底物或产物的理化性质,酶的催化反应是在酶的催化作用下，将底物转化为产物的过程。在催化反应中，底物和产物的理化性质直接影响酶催化反应速率，对反应器的选择也有重要影响。主要影响因素：底物或产物分子量大小、溶解性、黏度等,7.5 酶反应器的设计
14、,确定酶反应器的类型 酶反应器的设计，首先要根据酶、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。确定反应器的制造材料 由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、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。,回本章目录,进行热量衡算酶催化反应一般在3070的常温条件下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套或列管加热或冷却方式，进行温度的调节控制。热量衡算是根据热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
15、，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。,进行物料衡算酶反应动力学参数酶反应动力学参数是酶反应器设计的主要依据。在反应器设计前 ，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等参数。计算底物用量酶反应器设计首先要根据产品产量的要求、产物转化率和收率计算所需的底物用量。产品的产量是物料恒算的基础，通常以年产量（P）表示。分批反应器一般根据每年实际生产天数转换为日产量（Pd）连续反应器一般采用每小时获得的产物量（Ph）进行恒算。P( kg/年)= Pd（kg/天）300= Ph （kg/小时） 24 300,产物转化率：底物转化为产物的比率,YP/S =,p,S,P-生
16、成的产物量S-投入的底物量,产物转化率的高低直接关系到生产成本的高低，与反应条件、反应器的性能和操作工艺等有关，在设计反应器时要充分考虑如何提高产物转化率。,产物收率（R）：是指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,产物收率的高低与生产成本密切相关，主要决定于分离纯化技术及其工艺条件。是反应器设计进行底物用量计算的重要参数,根据所要求的产物产量、产物转化率和收率可得：,S=,p,YP/S R,S-所需底物量(kg , g)P-生成的产物量(kg , g)YP/S-产物转化率（%）R-产物收率（ % ）,计算时要注意产物产量的单位，分批反应器通常
17、采用Pd，则计算得到的为Sd, 连续反应其通常采用的为Ph ，则计算得到为Sh。,计算反应液总体积根据所需底物量和底物浓度计算反应液总体积,Vt =,S,S,(L),Vt-反应液总体积(L)S-所需底物量（g）S-反应前底物浓度(g/L),对于分批反应器，一般以每天获得的反应液的总体积（Vd）表示。而连续式反应器以每小时获得的反应液总体积表示（Vh）。,计算酶用量根据催化反应所需酶浓度和反应液的体积可计算所需酶量。,E = E Vt（U）,E-所需酶量（U）E-酶浓度（U/L）Vt-反应液体积（L）,计算反应器数目 在酶反应器的设计过程中，选定反应器类型和计算得到反应液总体积后，要根据生产规模
18、、生产条件等确定反应器的有效体积（V0）和反应器数目。 根据计算得到反应液总体积，一般不采用一个足够大的反应器，而是采用2个以上相同的反应器，因此需计算反应器有效体积和反应器数目 反应器的有效体积：指酶在反应器进行催化反应时，单个反应器可以容纳反应液的最大体积，一般为反应器总体积的7080%。,对于分批式反应器可根据每天获得的反应液总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器中停留时间，计算反应器数目。,N =,V d,V0,t,24,(个),N-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-底物在反应器中停留时间。,对于连续式反应器可根据每小时获得的
19、反应液体积、反应器的有效体积和底物在反应器中的停留时间，计算反应器的数目。,N =,Vht,V0,（个）,N-反应器数目（个）Vh-每小时获得反应液体积（L/h）V0-反应器有效体积（L）t-底物在反应器中停留时间,连续式反应器还可根据其生产强度计算反应器数目。反应器的生产强度：反应器每小时每升反应液所生产的产物克数。,Qp=,Ph,V0,=,VhP,V0,(g/Lh),Qp-反应器的生产强度(g/Lh)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),连续反应器的数目与生产强度的关系：,N=,Qpt,P,(个),N
20、-反应器数目(个)Qp-生产强度(g/Lh)t-底物停留时间(h)P-产物浓度(g/L),7.6 酶反应器的操作,充分发挥酶的催化功能是酶工程的主要任务之一。主要从以下几个方面着手：选用高质量的酶选用适宜的酶的应用形式选择适宜的酶反应器确定酶反应器的操作条件，并对其进行调控。,酶反应器操作条件的确定和调控,反应温度的确定和调控 在酶反应器操作过程中，要根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度，并将反应温度控制在适宜温度范围内，当温度变化时及时进行调节。 一般酶反应器内要安装夹套或列管等换热装置。,pH値的确定与调控 根据酶催化反应动力学性质，确定并调控最适pH値范围。 分批反应器：用稀酸或
21、稀碱预先调控pH値。 连续反应器: 一般将预先调好pH値的底物溶 液流加到反应器。 pH値的调控一般采用稀酸或稀碱液必要时可采用缓冲溶液。,底物浓度的确定与调控 底物浓度不是越高越好，存在一最适値。 底物浓度过低，反应速度慢，底物浓度过高，反应液粘稠，也可能发生底物抑制作用。 对于分批式反应器，预先将一定浓度的底物，引入反应器。为减轻底物抑制可采用补料分批式操作。 对于连续式反应器，将配置好的一定浓度的底物溶液连续流加到反应器中，反应液以同样速度排出，反应器内底物浓度不变。,搅拌速度确定与调控 首先要根据实验，确定适宜的搅拌速度，并根据实际情况进行调控。 搅拌速度过小，底物与酶混合不均匀，搅拌
22、速度过大，剪切力会使酶结构发生变化，尤其使固定化酶结构破坏甚至破碎。,流动速度确定及调控 在连续式酶反应器中，底物溶液连续进入酶反应器，同时反应液连续排出，通过溶液的流动实现酶与底物的混合和催化。 为了使催化反应高效进行，在操作过程中必须确定适宜的流动速度和流动状态，并根据变化情况进行适当调节和控制。,酶反应器操作的注意事项,回本章目录,保持酶反应器的操作稳定性 在酶反应器操作中，尽量保持操作的稳定性，以避免反应条件的激烈波动。防止酶的变性失活 引起酶变性失活的因素有：温度、pH値、重金属离子及剪切力等。防止微生物的感染 一般的酶反应，不具备微生物生长繁殖条件，可不必严格在无菌条件下进行。 而有些酶的催化反应底物或产物是微生物生长的营养物质，而条件有适合微生物生长，必须要防止微生物污染。,
