1、1,固定化酶反应器的基本设计方程,固定化酶反应器: 搅拌罐式,、固定床、膜式反应器、流化床式，鼓泡塔式等。 固定化酶反应器的选型和设计考虑的因素很多； 催化剂的形状与大小 催化剂的机械强度及密度 反应操作上的要求（如pH是否可以控制） 对付杂菌污染的措施 反应动力学方程的类型 底物（溶液）的性质 催化剂再生、更新的难易程度 传质特性 反应器制造费用和运转成本。,(四),2,(四)固定化酶反应器的基本设计方程,、连续搅拌罐固定化酶反应器,空时eV/qv,空隙率,液体体积除以液固体积,h: 固定化酶的有效因子;有扩散影响时的实际反应速率与无扩散影响的反应速率之比,若酶的反应动力学符合米氏方程,可得
2、:,3,2、固定床反应器的设计方程 固定床的填充层由流动相和固定相即填料相构成，流体在颗粒之间的空隙中流过。理想情况下，固定床为平推流反应器。但实际情况下，因为轴向和径向的扩散效应及流体流动可能不是层流而是湍流或涡流，从而造成流动状态很复杂,这里只考虑理想状态：,固定床反应器的基本设计方程,若动力学符合米氏方程：,3、两种理想的连续固定化酶反应器-（连续搅拌罐式）和PFR(固定床式)的效率比较,连续反应器的效率可通过的t值来比较 t越小，反应器的效率越高可见，若固定化酶的装填量和空隙率相等，则PFR的比CSTR的小的多，也就是说PFR的效率要高,CSTR,PFR,5,理想反应器CSTR和PFR
3、的中底物和产物的浓度分布比较,当酶反应的动力学符合米氏方程时，酶反应速率与底物的浓度成正相关，即底物浓度越大，反应速率越大,因此这时采用PFR要好于CSTR，因为在PFR中底物的平均浓度大于在CSTR中的平均浓度。 当酶反应动力学具有底物抑制时，在底物抑制区，底物浓度越大，反应速率越小，这时采用CSTR好于PFR。 同理，当酶反应动力学具有产物抑制时， PFR好于CSTR。,6,如果两种反应器的e和t相同，且固定化酶的本征速率服从米氏方程。h=1时：,4、达到同样反应效率时，两种理想反应器所需酶量的比较。,反应器内的总酶量：,如果两种反应器的e和t相同，且固定化酶的本征速率服从米氏方程。h=1
4、时：显然， CSTR要比PFR需要的酶多得多，也就是说，这两种反应器效率相同时（t相等），要想达到相同的转化率c，要么提高酶在固定化颗粒中的浓度，要么增加固定化酶颗粒的填充率。二者所需总酶量之比与反应级数有关，一级反应（ ）时最大，零级反应（ ）时最小。,7,两种理想反应器用酶量的比较,1.0,0.1,0.01,空时相同时，两种理想反应器的总酶量之比与转化率的关系曲线,反应极数,X,8,第四节 酶反应器的操作,酶工程的主要任务：充分发挥酶的催化功能。 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,9,1、 反应温度的确定与调节控制反应温度的确定：根据酶的
5、动力学特性，确定最适温度，在实验室（小试）中确定。与酶的种类，酶的形式等有关。 温度的调控： A、一般酶反应器中均设计、安装有夹套或列管等换热装置，通入一定温度（热量平衡求出）的水，通过热交换作用，保持反应温度在一定的范围内。 B、喷射式反应器，通过控制水蒸气的压力，控制温度。,10,2 、pH值的确定与调节控制 pH值的确定：根据酶的动力学特性，确定最适pH值。 pH值的调控：A、分批式反应器：通常在加入酶液前，用稀酸或稀碱调节B、连续式反应器：将调好pH值的底物溶液连续加到反应器中。C、对于反应前后pH值变化大的，必须在反应过程中调节pH值。 pH值的调控所用试剂：通常用稀酸或稀碱，必要时
6、可用缓冲溶液。,11,3、 底物浓度的确定与调节控制 底物浓度的确定（米氏方程）：在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比。通常底物浓度应达到510Km。 底物浓度的调节控制： A、分批式反应器： 一般程序：先加一定浓度的底物溶液，调好pH，升温到最适反应温度，然后再加入酶。 逐步流加底物的方法（底物抑制或底物对酶活有害） B、连续式反应器：一定浓度的底物溶液连续加进反应器进行反应，反应液连续排出。,12,4、 酶浓度的确定与调节酶浓度的确定：综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。酶浓度的调节：酶在使用过程中必有部分失活，为保持一定的酶浓度，连续式固定化酶反应器应具备添加
7、或更换酶的装置。,13,5 搅拌速度的确定与调节搅拌的作用酶与底物充分混合，接触。 减少传质(固定化酶：外扩散的限制)的影响 温度,pH等分布均匀。 固定化酶的稳定性（剪切力破坏）搅拌速度的确定：要在实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。搅拌速度的调节：在搅拌罐式反应器和游离酶膜式反应器中，都设计安装有搅拌装置，通过适当的搅拌实现均匀的混合。,14,6 流体流动速度的确定与调节控制连续式反应器，流体流动速度决定了反应时间 填充床酶反应器，溶液的流动实现酶与底物的混合和催化，流动速度是个关键。 流化床式反应器：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
8、法，调节流动速度，以保证混合均匀，并且不会影响酶的催化。 喷射式反应器：通过控制蒸汽压力和喷射速度进行调节，控制混合均匀及反应时间。,15,填充床反应器：底物溶液的流动速度更重要。决定酶与底物的接触时间，也就是反应时间 流速慢，底物在反应器的保留时间长，反应越完全。产物的转化率高，但过长会降低生产效率低，反之，底物就会反应不完全。 温度的分布 流速慢，温度在反应器里分布不均匀，影响催化效果不均匀，产物分布也会不均匀，降低反应效率。 注意压力降的加大速度。在填充床反应器中，床高及通过反应床的液流流速是决定压降的主要因素。,16,二. 酶反应器的恒定生产能力的控制 1. 通过控制反应器的流速可以对
9、填充床反应器的恒定生产能力进行控制。 2. 通过增加温度也可以维持产量恒定。在反应过程中，随时间而出现的酶活性损失将为较高温度下酶活性增加所补偿。 反应器可以串联，也可以并联。串联操作要酶能充分利用，但操作中的压降和压缩问题较大。并联有最好的操作适应性。每个反应器基本上可以单独操作。每个单元能很方便地加入或离开运转系统。 实际生产中的状态主要是取决于：各种相互关联的运转参数的含量，固定化载体成本。底物通过反应器的流速。固定化细胞或固定化酶的活性和稳定性。,17,二、酶反应器操作的注意事项1、保持酶反应器的操作稳定性 搅拌速度不要时快时慢. 在连续式反应器的操作中，要保持流速的稳定，并保持流进的
10、底物浓度和流出的产物浓度不要变化太大。 反应温度、pH尽量保持稳定，以保持反应器的恒定生产能力,最终产品质量的稳定性。,18,2、防止酶的变性失活 引起酶变性失活的因素主要有温度、pH、重金属离子以及剪切力等。 温度:温度过高会加速酶的变性失活，缩短酶的半衰期和使用时间。酶反应器的操作温度不宜过高，通常在等于或者低于酶催化最适温度的条件下进行。 pH过高过低都对催化不利，甚至引起酶的失活。所以要严格控制，操作过程中，加稀酸或稀碱时要缓慢而且要一边搅拌，防止局部的过酸或过碱而引起酶的变性失活。,19,重金属离子：与酶结合而引起酶的不可逆变性。操作中要避免重金属离子的进入，对于原料或反应器系统中带进的重金属离子造成的不利影响，可加入适量的EDTA等金属螯合剂，去除重金属离子。 剪切力的破坏。 为防止酶的变性失活，在操作过程中，可以添加某些保护剂，以提高酶的稳定性；酶作用底物的存在往往对酶有保护作用。,20,3、防止微生物的污染 措施： 保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条件 反应器在使用前后，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 必要时，在反应液中添加适当的对酶催化反应和产品质量没有不良影响的物质。,
