第十三章酶反应器方案.ppt

第十三章 酶反应器 1、什么是酶反应器 3、酶反应器要求 酶催化反应过程示意图 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。 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） 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反应器(packed column reactor, PCR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR) 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 ) 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） 3、各种酶反应器的特点 (1)间歇式酶反应器 又称为批量反应器（Batch Reactor ）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。 特点：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；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：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。 缺点：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶，食品和饮料工业中常用这类反应器。 (2) 连续式酶反应器 连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor）、连续式搅拌罐，结构上与间歇式搅拌反应器基本相同。 特点：向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再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（含产物）。 优点：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：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。 (3) 填充床反应器 填充床反应器（Packed Reactor），又称固定床反应器。 特点：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。 优点：高效率、易操作、结构简单等，是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它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，以及有产物抑制的转化反应。 缺点：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用。 (4) 流化床反应器 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。 特点：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。 优点：用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。 缺点：但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。 (5) 鼓泡式反应器 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是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。也是一种无搅拌装置的反应器。 鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓泡式反应器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。 特点：鼓泡式反应器的结构简单，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。 (6) 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。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。 用于固定化酶催化反应的膜反应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。 连续搅拌罐—超滤膜反应器 在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。 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