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文档简介
酶工程
EnzymeEngineering
第九章酶反应器贾广韬第九章酶反应器酶促反应:酶体外催化:一定的容器酶与底物接触控制反应条件和催化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工业生产中酶促反应过程示意图酶反应器消毒原料预处理产物分离提纯酶制剂的制备除菌能量热量产品空气过程调控酶反应器位于酶催化反应过程的中心位置,是连接原料和产物的桥梁。本章主要内容第一节酶反应器的分类与选型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。一、酶反应器的分类与特点各种酶反应器的特点比较反应器类型操作方式适用的酶主要特点搅拌罐分批、流加、连续式游离酶固定化酶设备简单,操作方便;酶与底物混合较均匀;传质阻力小;反应条件易控制填充床连续式固定化酶设备简单,操作方便;单位体积内催化剂密度高;床层有压降;最普遍流化床连续式固定化酶混合均匀,传热传质效果好;不易堵塞,可处理黏度较大的料液鼓泡式分批、流加、连续式游离酶固定化酶剪切力小;混合效果好,传热传质效率高;适用于有气体参与的反应膜反应器连续式游离酶固定化酶集反应和分离于一体,效率高;膜孔容易堵塞;存在浓差极化现象;放大成本高喷射式连续式游离酶瞬时催化,仅适用于耐高温游离酶(一)搅拌罐式反应器(StirredTankReacter,STR)由反应罐、搅拌器和保温装置组成。用于游离酶、固定化酶的催化反应分类:分批式(batch)流加式(feedingbatch)连续式(continuous)分批搅拌罐式反应器(BatchStirredTankReactor,BSTR)连续搅拌罐反应器(ContinuousFlowStirredTankReactor,CSTR)反应罐机械搅拌部分保温装置分批式流加分批式连续式SSP1、分批搅拌罐式反应器酶和底物一次性加入,反应一段时间后,反应液全部取出适用于游离酶和固定化酶优点:设备简单,操作容易,酶与底物混合均匀,传质阻力较小,反应较为完全,反应条件容易调节控制。缺点:用于游离酶,酶难以回收。用于固定化酶,反应器利用率较低,而且可能对固定化酶的结构造成破坏。分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。先加一部分底物,反应一段时间后,再连续或分次地添加底物。反应结束后,反应液一次全部取出。用于游离酶和固定化酶的催化反应。底物溶液进口
高浓度底物对酶具有抑制作用时往往采用流加式反应器操作特点和分批式相似,但染菌的几率较高,应注意添加料液的无菌处理2、连续搅拌罐式反应器连续进行酶催化反应底物溶液连续从进口进入,反应液连续从出口流出只适用于固定化酶优点:设计简单、操作简便反应条件容易调节控制底物与固定化酶接触较好传质阻力较小反应器的利用率较高。缺点:需注意控制好搅拌速度,以免由于强烈搅拌所产生的剪切力使固定化酶的结构受到破坏。(二)填充床式反应器(PackedBedReactor,PBR)是将固定化酶填充到柱式反应容器中进行催化反应。适用于固定化酶进行催化反应优点:设备简单操作方便单位体积反应床的固定化酶密度大可以提高酶催化反应的速度缺点:底层固定化酶颗粒所受压力较大,容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎。(托板分隔)需加压温度和pH难控制更换催化剂麻烦含固体颗粒或粘度较大时,不易采用此种反应器(传质系数低,传质困难)Enzymesinneoteric
solvents:Fromone-phasetomultiphasesystems循环式填充床反应器为了提高液相和固相催化剂之间的传递系数,必须使液体高速地通过床层,为此常采用液体物料循环的方法。将填充床和循环槽偶联,不断补充含有底物的新鲜料液,并及时分离出产物,可以减少产物抑制,保证产物的连续生产。(三)流化床式反应器(FluidizedBedReactor,FBR)
通过液体的流动,使固定化酶颗粒在悬浮翻动状态下进行催化反应适用于固定化酶进行连续催化反应优点:混合均匀传质和传热效果好温度和pH值易于调节控制不易堵塞对黏度较大的反应液也可进行催化反应缺点:
需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化,而且固定化酶颗粒易于被破坏,流体动力学变化较大,参数复杂,放大较为困难。由于混合均匀,故不适用于产物抑制的酶促反应。目前,流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物,如用于水解牛乳中的蛋白质。循环式流化床将流化床和循环槽偶联,使底物循环利用,并可减少产物抑制,保证产物的连续生产。操作时应控制好料液的流动速率,以防小颗粒被吹出。(四)鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)
反应器底部通入的气体,产生大量气泡,在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。非常适于有气体参与的反应可以用于连续反应,也可用于分批反应。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。优点:结构简单操作方便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鼓泡式反应器的不同模式简单鼓泡式内循环式外循环式(五)膜反应器(membranereactor,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。用于游离酶和固定化酶的催化反应。用于游离酶:膜孔径小于底物和酶,大于产物a)膜分离循环反应器b)死端膜反应器c)固定化酶管式膜反应器用于固定化酶:将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中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,中空纤维膜反应器中空纤维反应器是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组成。中空纤维的内径200-500μm,外径300-900μm。中空纤维壁上分布许多孔径均匀的微孔,可以截留大分子而允许小分子物质通过。工作原理
培养液和空气从中空纤维膜的内腔流入,底物透过纤维内壁上的微孔进入固定化催化剂层,经酶或细胞催化生成产物,再经微孔,流入中空纤维。固定化酶或细胞因体积大,无法透过纤维膜孔而被截留。中空纤维膜反应器优点:集反应与分离于一体,利于连续化生产。缺点:经过长时间使用,酶或其他杂质会被吸附在膜上,造成膜透过性降低,而且清洗困难。(六)喷射式反应器(projectionalreactor,PR)利用高压蒸汽的喷射作用,实现酶与底物的混合,进行高温短时催化反应。适用于耐高温游离酶的连续催化反应。特点:结构简单、体积小、混合均匀、反应快只适用于耐高温酶游离的反应,比如高温淀粉酶反应器类型适用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,游离酶固定化酶由反应罐,搅拌器和保温装置组成。设备简单,操作容易,酶与底物混合较均匀,传质阻力较小,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设备简单,操作容易,单位体积反应床的固定化酶密度大,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。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反应器结构紧骤,集反应与分离于一体,利于连续化生产,但是容易发生浓差极化而引起膜孔阻塞,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二、酶反应器的选型依据酶的应用形式游离酶固定化酶依据酶反应动力学性质依据底物/产物理化性质其他考虑因素操作的简便性运行的经济性(一)根据酶的应用形式选择反应器(二)根据酶反应动力学性质选择反应器(三)根据底物和产物理化性质选择反应器(四)根据酶促反应的多样性选择反应器(四)根据生产的实际要求选择反应器第二节酶反应器的设计与应用酶催化反应中需要做的工作了解酶催化反应的动力学特性反应过程中的各种参数设计和应用酶反应器设计反应器的目的:成本低产品质量和产量达到最高充分发挥酶的催化功能一、酶反应器的设计进行物料衡算二、酶反应器的应用充分发挥酶的催化功能高质量的酶适宜的酶应用形式适宜的酶反应器适宜的操作条件和适当的调控(一)酶反应器操作条件的确定及其调节控制操作条件:温度pH底物浓度酶浓度反应液的混合与流动(二)酶反应器应用的注意事项1、保持酶反应器的操作稳定性2、保持反应器中流体的流动方式和状态3、防止酶的变性失活4、防止微生物的污染1、保持酶反应器的操作稳定性保持操作的稳定性,以避免反应条件的激烈波动。保证酶的质量稳定保持反应温度、反应液pH值等的稳定搅拌罐式反应器,保持搅拌速度的稳定连续式反应器,保持流速的稳定,流进的底物浓度和流出的产物浓度不要变化太大填充床式反应器,防止固定化酶的破碎、挤压而产生的阻塞现象膜反应器,要防止浓差极化而产生的膜孔阻塞现象。2、保持反应器中流体的流动方式和状态保持液体和气体的流动方式和状态流动方式和状态的改变,会影响:底物与酶的接触状态(降低反应速度,高浓度底物抑制)产物与酶的接触状态(反馈抑制)膜反应器操作能力(浓差极化现象)3、防止酶的变性失活影响因素主要有温度、pH、重金属离子以及剪切力等。温度:通常低于60℃,耐高温酶除外pH:通常酶在pH4-9,耐酸碱的酶以外重金属离子:如Pb2+、Hg2+等引起酶不可逆变性。原料或反应器系统代入重金属离子可添加EDTA等金属螯合剂剪切力:防止过高搅拌速度,控制流体流速添加保护剂先加底物,再加酶4、防止微生物的污染一般不用严格的无菌操作底物或产物抑制微生物:乙醇氧化酶、青霉素酰化酶反应
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