第八章酶反应器to学生

1、第八章 生物反应器2什么是酶反应器什么是酶反应器? ?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。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。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应提供合适的场所和最佳的反应条件合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地

2、转化成产物。它处于酶催化应使底物（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。过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。3n生物反应器具有中心的作用生物反应器具有中心的作用，它是连接原料和产物的桥，它是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。梁，也是多种学科的交叉点。n生物反应器的设计和操作生物反应器的设计和操作，就是生物工程中一个极其重，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。要的问题，它对产品的成本和质量有着很大影响。4生物反应器的特点生物反应器的特点n酶促反应器：酶促反应器：利用生物催化剂进行一步或几步催化反应，利用生物

3、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。无大的区别。n细胞生物反应器：细胞生物反应器：生物反应过程中，活细胞（微生物、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。酶系进行的催化反应。n生物反应器的作用：生物反应器的作用：为生物催化反应与细胞代谢提供一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

4、，使反应效率更高，细胞生长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。与代谢更快更好，转化或代谢产物更多。n发酵罐与酶促反应器的主要区别：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。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，产物浓对好氧过程，通风和混合要求，动力消耗较大，产物浓度低。度低。杜绝杂菌污染杜绝杂菌污染5优良的反应器应具备：优良的反应器应具备：n严密的结构；严密的结构；n良好的液体混合性能良好的液体混合性能n高效的传质、传热性能；高效的传质、传热性能；n配套而又可靠的

5、检测和控制仪表。配套而又可靠的检测和控制仪表。n判断的标准：判断的标准：能否适合催化工艺要求，最大能否适合催化工艺要求，最大生产效率。生产效率。6生物反应器的分类生物反应器的分类n按几何形状或结构特征划分：按几何形状或结构特征划分：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等釜（罐）式、管式、塔式、膜式等管式、膜式用于连续操作。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直径较大、纵向较短的管式成为塔式反应器。器。n按催化剂类型或培养对象划分：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。反应器、动物细胞反应器

6、。7n游离酶反应器游离酶反应器：考虑使用目的、反应形式、：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，采用一般造和运转成本及操作难易等因素，采用一般化学反应器，化学反应器，n固定化酶促反应器：固定化酶促反应器：还要考虑固定化酶的形还要考虑固定化酶的形状（颗粒、纤维、膜）、大小、机械强度、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（如密度和再生难易，操作上的要求（如pHpH、供、供养、杂菌污染），反应动力学形式，和物质养、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

7、化剂的传递特性，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。表面与反应器的体积的比值等。n如：如：颗粒状固定化酶，机械强度（凝胶包埋、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（安微囊酶）、机械搅拌的剪切、耐压缩性（安装筛板）装筛板）8n按供氧划分：按供氧划分：好氧反应器、厌氧反应器好氧反应器、厌氧反应器厌氧反应及产品：乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇、乳酸、厌氧反应及产品：乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇、乳酸、沼气。沼气。低溶解度氧，不断进行通气和搅拌，保持培养液悬浮，低溶解度氧，不断进行通气和搅拌，保持培养液悬浮，促进发酵热散发。促进发酵热散发。n根据反应器所需的

8、混合方式与能量输入方式划分：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、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。器。n根据反应器的操作方式划分：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、连续式、半间歇式生物反应器。9p间歇式反应器：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

9、的变化而变化，物的取出，反应器内物系的组成随反应时间的变化而变化，非稳态过程非稳态过程。n连续式反应器：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，组成均不随时间变化而改变，稳态过程稳态过程。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。点。但是连续反应过程的操作和质量控制有更高的要求。n半连续反应

10、器：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。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。具有上述两种反应器的特点。10n根据发酵培养基的物料状态划分：根据发酵培养基的物料状态划分：液深层培养生物反应器液深层培养生物反应器固态培养生物反应器。固态培养生物反应器。n根据生物催化剂在反应器中的分布方式：根据生物催化剂在反应器中的分布方式：生物团块反应器生物团块反应器生物膜反应器。生物膜反应器。n生物团块反应器按催化剂的运动状态分为：生物团块反应器按催化剂的运动状态分为：填充床、填充床、流化床、流化床、生物转盘。生物转盘。11根据反应物系在反

11、应器内的流动和混合状根据反应物系在反应器内的流动和混合状态划分态划分：n全混流式：全混流式：反应器内浓度分布均匀。反应器内浓度分布均匀。n活塞流式：活塞流式：反应液在反应器径向严格均一的速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。度分布，反应速度仅随空间位置不同而变化。12生物反应器的研究内容生物反应器的研究内容n高效生物反应器的特点：高效生物反应器的特点：设备简单、结构严设备简单、结构严密、良好的液体混合性能和较高的三传速率、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能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的检测及控制仪表。测及控制仪

12、表。n评价生物反应器的好坏：评价生物反应器的好坏：适合工艺，最大生适合工艺，最大生产效率。产效率。n研究和设计内容：研究和设计内容：按工艺选型；按反应过程按工艺选型；按反应过程物料衡算、传质传热计算；考虑无菌条件；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。设计必要的过程控制。13n生物反应器中混合与传热：生物反应器中混合与传热：n混合：混合：影响反应器内的质量传递，影响催化反应影响反应器内的质量传递，影响催化反应效果。效果。n混合方式：混合方式：气流搅拌混合气流搅拌混合机械搅拌混合：机械搅拌混合：n混合机制混合机制主体对流扩散、涡流扩散、分子扩散。主体对流扩散、涡流扩散、分子扩

13、散。作用范围：主体作用范围：主体 涡流涡流 分子分子宏观流动宏观流动( (粗略混合粗略混合) )微观流动微观流动微观混合微观混合(完全混合完全混合)14n理想的反应器模型：理想的反应器模型：n数学模型法：用模型的分析和计算代替实际数学模型法：用模型的分析和计算代替实际反应器的分析和计算。反应器的分析和计算。n平推流模型（平推流模型（无返混无返混）-活塞流（活塞流（CPFRCPFR）n全返混模型（全返混模型（全返混全返混）-全混式（全混式（CSTRCSTR） n轴向扩散模型和多釜串联模型（轴向扩散模型和多釜串联模型（介于无返混介于无返混和全返混之间和全返混之间）。）。CPFRCSTR15几种常见

14、的反应器几种常见的反应器n机械搅拌式生物反机械搅拌式生物反应器应器n结构和功能16p机械搅拌反应器的混合和搅拌机械搅拌反应器的混合和搅拌轴向流动和径向流动轴向流动和径向流动搅拌器的形式与搅拌流型：搅拌器的形式与搅拌流型：桨型：桨型：螺旋桨、平桨、涡轮桨、自吸式螺旋桨、平桨、涡轮桨、自吸式.n螺旋桨：螺旋桨：轴向流动为主，流体形成轴向的螺旋状轴向流动为主，流体形成轴向的螺旋状运动。运动。特点：特点：直径小、转速高、产生的循环量大，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。混合效果较好，但对气泡非分散效果较差。17希望以径向液流为主，同时兼顾轴向翻动。通用式发酵罐大希望

15、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。多采用涡轮式搅拌器。n涡轮桨涡轮桨: :径向流动为主，径向离心力，搅拌器中央带径向流动为主，径向离心力，搅拌器中央带有圆盘，有圆盘，特点：特点：对流体的剪切力剧烈、叶片宽产生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。大的流体循环量，平叶、弯叶、箭叶。18n机械搅拌酶反应器：机械搅拌酶反应器：n间歇式间歇式BSTRBSTR、连续搅拌式、连续搅拌式CSTRCSTR：n敞口式敞口式CSTRCSTR便于更换固定化酶，易于控制，便于更换固定化酶，易于控制，能处理胶态和不溶性底物。能处理胶态和不溶性底物。19 连续流

16、搅拌桶反应器连续流搅拌桶反应器n连续搅拌釜式反应器20鼓泡式和气升式生物反应器鼓泡式和气升式生物反应器n特点：特点：无机械搅拌、结构简单、氧无机械搅拌、结构简单、氧传递效率高、能耗低、安装维修方传递效率高、能耗低、安装维修方便等。便等。n鼓泡式反应器：鼓泡式反应器：空气搅拌高位反应空气搅拌高位反应器，器，n高径比大的鼓泡为塔式反应器，又高径比大的鼓泡为塔式反应器，又称高位筛板式反应器，称高位筛板式反应器， n多孔筛板的作用多孔筛板的作用21鼓泡式反应器与机械搅拌反应器对比鼓泡式反应器与机械搅拌反应器对比n鼓泡式优点：鼓泡式优点：结构简单、造价低、动力消耗结构简单、造价低、动力消耗小、没有轴封不

17、造成染菌、对细胞剪切力小、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。操作成本低、噪音小。n鼓泡式缺点：鼓泡式缺点：反应器很高、室外安装、较大反应器很高、室外安装、较大压力的压缩空气。压力的压缩空气。n适用于适用于液体粘度低、固含量少、需氧量低的液体粘度低、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。催化工程。低能耗下较高的氧传递效率。22环流反应器环流反应器n塔式反应器，气升环流塔式反应器，气升环流式和喷射环流式式和喷射环流式n气升式环流反应器：气升式环流反应器：内内环流式、外环流式环流式、外环流式.n特点：特点：气体的上升力带气体的上升力带动流体在反应器内循环动

18、流体在反应器内循环流动形成良好的混合，流动形成良好的混合，供氧和传热较好。供氧和传热较好。23自吸式生物反应器自吸式生物反应器n类型：类型：机械搅拌自吸式、喷机械搅拌自吸式、喷射自吸式、溢流喷射自吸射自吸式、溢流喷射自吸式式.n不需要压缩空气压缩机，利不需要压缩空气压缩机，利用搅拌器旋转等方式产生的用搅拌器旋转等方式产生的抽吸力吸入空气。抽吸力吸入空气。n关键部件：关键部件：带有中央吸气口带有中央吸气口的搅拌器，搅拌器为空心叶的搅拌器，搅拌器为空心叶轮，搅拌器旋转甩出液体，轮，搅拌器旋转甩出液体，叶轮中心形成负压。叶轮中心形成负压。24优点：优点：机械搅拌的抽吸作用自行引入空气，气液接机械搅拌

19、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。触良好、气泡分散细、溶氧系数高、省去了压缩机。缺点：缺点：进罐进罐空气为负压、空气为负压、吸程不高、吸程不高、采用低阻力采用低阻力高效空气除高效空气除菌装置。菌装置。25固定床、流化床生物反应器固定床、流化床生物反应器n用于固定化酶、细胞用于固定化酶、细胞n固定床反应器：固定床反应器：塔式、塔式、管式，平推流反应器管式，平推流反应器n固定化酶：固定化酶：球形、蝶形、球形、蝶形、薄片、小珠状薄片、小珠状26n优点优点：催化剂装填：催化剂装填密度高、结构简单、密度高、结构简单、费用低、适用于易费用低、适用于易磨损的固定化酶

20、、磨损的固定化酶、较高的产率（产物较高的产率（产物抑制体系）。抑制体系）。n缺点：缺点：传质传热相传质传热相对较低，固定床颗对较低，固定床颗粒影响压降和内扩粒影响压降和内扩散阻力（颗粒尽可散阻力（颗粒尽可能均匀）、固体物能均匀）、固体物料不宜、料不宜、27n流化床反应器：流化床反应器：fludized bed reactor, FBRn特点：特点：流体与固体颗粒充流体与固体颗粒充分接触，混合程度高、传分接触，混合程度高、传热传质好、适宜于粘性大热传质好、适宜于粘性大和含固体物料。不适宜于和含固体物料。不适宜于产物抑制的反应。产物抑制的反应。n新型流化床颗粒：新型流化床颗粒：固定化酶内添加砂粒、

21、或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，磁性物质等，提高固相和液相的的密度差，提高传质速率。提高传质速率。28膜生物反应器膜生物反应器n膜和化学反应或生物反应相结合的系统，膜和化学反应或生物反应相结合的系统，membrane membrane bioreactor,MBRbioreactor,MBR, ,工程强化技术，依靠工程强化技术，依靠膜的功能改变反应进程，提高反应效率。膜的功能改变反应进程，提高反应效率。n膜的膜的4 4种主要功能：种主要功能：n载体功能：固定化载体，生物活性的功能膜载体功能：固定化载体，生物活性的功能膜n分离功能：膜的多孔性、膜与组分物理化学作用分

22、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。的不同，选择性透过不同物质。n分隔功能：膜的两个表面将系统分隔成相关联的分隔功能：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。两个部分，可透过相关物质。n复合功能：依靠复合技术制备出几层不同功能膜复合功能：依靠复合技术制备出几层不同功能膜组成的复合膜。组成的复合膜。29 各种酶反应器及其特点各种酶反应器及其特点反应器类型反应器类型适用的操作方式适用的操作方式适用的酶适用的酶特点特点搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器分批式分批式, ,流加分批式流加分批式连续式连续式, ,游离酶游离酶固定化酶固定化酶反应比较完全，反应条反

23、应比较完全，反应条件容易调节控制。件容易调节控制。填充床式反应器填充床式反应器连续式连续式固定化酶固定化酶密度大，可以提高酶催密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业化反应的速度。在工业生产中普遍使用。生产中普遍使用。流化床反应器流化床反应器分批式分批式流加分批式流加分批式连续式连续式固定化酶固定化酶流化床反应器具有混合流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果均匀，传质和传热效果好，温度和好，温度和pHpH值的调节值的调节控制比较容易，不易堵控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。也可进行催化反应。30反应器类型反应器类型适用的操作方式适用的操作方式适用的

24、酶适用的酶 特点特点鼓泡式反应器鼓泡式反应器分批式分批式流加分批式流加分批式连续式连续式游离酶游离酶固定化酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高好，传质、传热效率高, ,适合于适合于有气体参与的反应。有气体参与的反应。膜反应器膜反应器连续式连续式游离酶游离酶固定化酶固定化酶清洗比较困难清洗比较困难 喷射式反应器喷射式反应器连续式连续式游离酶游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶化反应，适用于某些耐高温酶

25、的反应的反应31酶反应器的选择酶反应器的选择n考虑：酶形式、酶的反应动力学性质、底物考虑：酶形式、酶的反应动力学性质、底物和产物的理化性质等和产物的理化性质等n反应器尽可能具有结构简单、操作方便、易反应器尽可能具有结构简单、操作方便、易于维护和清洗、于维护和清洗、n可适用于多种酶的催化反应、制成成本和运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。行成本较低等特点。32根据酶反应动力学性质选择反应器根据酶反应动力学性质选择反应器n酶反应动力学酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其是研究酶催化反应的速度及其应因素，应因素，n影响反应动力学的因素影响反应动力学的因素：酶与底物的结合程度、

26、酶与底物的结合程度、底物浓度对反应速度的影响、底物浓度对反应速度的影响、产物对酶的反馈抑制作用产物对酶的反馈抑制作用反应温度条件等。反应温度条件等。33依据动力学性质选择反应器依据动力学性质选择反应器n酶与底物分子有效碰撞和结合酶与底物分子有效碰撞和结合反应系统混反应系统混合均匀合均匀搅拌罐式反应器、流化床式反应器。搅拌罐式反应器、流化床式反应器。n高浓度底物对酶抑制高浓度底物对酶抑制流加分批罐式反应器、流加分批罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器等填充床式反应器、流化床式反应器等n产物抑制酶反应产物抑制酶反应膜反应器、填充床式反应膜反应器、填充床式反应器。器。n耐高温酶耐高温酶喷射式反

27、应器。喷射式反应器。34根据底物或产物的理化性质选择反应器根据底物或产物的理化性质选择反应器n底物和产物的理化性质直接影响酶催化反应速率底物和产物的理化性质直接影响酶催化反应速率n底物或产物的分子质量、溶解性、粘度等性质对反底物或产物的分子质量、溶解性、粘度等性质对反应器的选择有重要影响。应器的选择有重要影响。p（1 1）反应底物或产物分子质量较大时）反应底物或产物分子质量较大时，不宜采用膜，不宜采用膜反应器。反应器。p（2 2）底物或产物溶解度低、粘度高时）底物或产物溶解度低、粘度高时，选择搅拌罐，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。式反应器，不采用填充床式反应器和膜式反应

28、器。p（3 3）底物为气体时，选择鼓泡式反应器。）底物为气体时，选择鼓泡式反应器。p（4 4）小分子物质作为辅酶的催化反应，不选膜反应）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。器，以免辅酶的流失。35生物反应器的设计与放大生物反应器的设计与放大n设计基本要点设计基本要点：强化传质、传热等操作，良好：强化传质、传热等操作，良好过程控制、无菌条件、将催化活性控制在最佳过程控制、无菌条件、将催化活性控制在最佳条件、降低总的操作成本。条件、降低总的操作成本。n设计目标：设计目标：催化反应效率提高、最大限度降低催化反应效率提高、最大限度降低成本、最少成本最大限度增加单位体积产率、成本

29、、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，创造更大提高产品质量、提高技术经济水平，创造更大效益。效益。p酶反应器：酶反应器：不需要通气与剧烈的搅拌，不考虑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。生物体生长代谢，主要考虑反应器的选型。p细胞生长代谢的生物反应器：细胞生长代谢的生物反应器：复杂，严格的要复杂，严格的要求进行设计和放大。求进行设计和放大。36p若生物催化剂的浓度和比活力都很高，若生物催化剂的浓度和比活力都很高，传质和传热，提高反应器生产能力的限传质和传热，提高反应器生产能力的限制因素。制因素。反应器的操作因素，限制因素。反应器的操作因素，限制因素。p生物催化剂浓度较低或比活力较低时，生物催化剂浓度较低或比活力较低时，生物催化剂的因素是生物反应器生产能生物催化剂的因素是生物反应器生产能力的限制因素。力的限制因素。生物反应器设计和操作的限制因素生物反应器设计和操作的限制因素37生物反应器研究的主要内容生物反应器研究的主要内容n反应器选型反应器选型: :根据工艺特征、反应特性、物料根据工艺特征、反应特性、物料特性确定