南京林业大学酶工程酶反应器

第八章酶反应器当前第1页\共有46页\编于星期日\20点

酶反应器概述用于酶进行催化反应的容器及其附属设备，称为酶反应器（enzymereactor）功能：提供酶催化反应的场所，并提供合适的反应条件酶反应器消毒原料预处理产物分离提纯生物催化剂(酶、细胞)除菌能量热量产品空气过程调控酶催化反应过程示意图当前第2页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的基本要求评价生物反应器的主要标准生产能力的大小产品质量的高低

——使产品的质量最高，生产成本最低！生物反应器生物催化剂应应具有较高的比活和浓度，以达到最大转化率能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件应具有良好的传质和混合性能应具有最佳的无菌条件，避免受到杂菌污染当前第3页\共有46页\编于星期日\20点一、酶反应器的类型按结构区分搅拌罐式反应器填充床式反应器流化床式反应器膜反应器鼓泡式反应器按操作方式区分分批式反应连续式反应流加分批式反应(结构+操作方式连续搅拌罐反应器分批搅拌罐反应器酶反应器分类当前第4页\共有46页\编于星期日\20点1、搅拌罐式反应器一种传统形式的酶反应器，最常用。结构组成：容器、搅拌器及热交换装置，有时在容器壁上加装挡板。按操作方式分为：分批搅拌罐反应器(BatchStirredTankReactor,BSTR)适用于游离酶、固定化酶连续搅拌罐反应器(ContinuousStirredTankReactor,CSTR)仅适用于固定化酶当前第5页\共有46页\编于星期日\20点优点：结构简单，易操作，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，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，搅拌动力消耗大，固定化载体易被破坏，离心或过滤回收固定化酶过程中易造成酶的失活损失。发展与改进：在反应器出口装上滤器,或用尼龙网罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。当前第6页\共有46页\编于星期日\20点2、填充床式反应器PackedBedReactor,PBR，又称固定床反应器，是固定化酶常用的一种反应器。目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。结构：将把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床（填充床，可直立或平放）内，底物按一定方向以恒定流速通过床层，反应后，产物以同样恒定的流速流出操作特点：底物按一定方向以恒定速度通过固定化酶床层，通过底物溶液的流动实现物质的传递与混合。当前第7页\共有46页\编于星期日\20点2、填充床式反应器适用性：仅适用于固定化酶优点：单位体积催化剂负载量高，催化效率高；构造简单，因而容易工程放大；剪切力小，故适用于容易磨损的固定化生物催化剂：床层内的流动接近“平推流”，沿流动方向，底物和产物浓度是逐渐变化的，但在理想情况下，同一横截面上浓度是相同的；减少产物的抑制作用。缺点：温度和pH难以控制；清洗和更换部分固定化酶较麻烦；床内有自压缩倾向，易堵塞；床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。改进：在固定床中间用托板分隔，减少底层固定化酶所受压力当前第8页\共有46页\编于星期日\20点3、流化床反应器结构：流化床反应器（FluidizedBedReactor,FBR）是一种适用于固定化酶进行连续催化反应的反应器，反应器形状可为柱形或锥形等。操作特点：底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。注意控制反应液的流动速度。适用性：固定化酶当前第9页\共有46页\编于星期日\20点3、流化床反应器优点：具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体的供给比较容易；不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体；能处理粉末状底物；即使细小颗粒的固定化酶，压力也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高；由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损；由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高；流体动力学变化大，参数复杂，难于放大。当前第10页\共有46页\编于星期日\20点4、鼓泡式反应器结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。操作：利用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反应器，无搅拌器，靠气流作用搅拌应用：适用于游离/固定化酶（细胞），适用于有气体吸收或产生的生物反应。当前第11页\共有46页\编于星期日\20点鼓泡式反应器的特点气－液－固三相系统，涉及气体吸收或产生的反应，采用此类型反应器效果较好气－液传质、传热效果好可用于连续反应，也可用于分批反应剪切力小，对结构较脆弱的细胞和固定化载体有利单位体积内催化剂密度低4、鼓泡式反应器当前第12页\共有46页\编于星期日\20点5、膜反应器结构：主要由酶反应装置和膜分离组件构成，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。根据适用性对象分为：游离酶膜反应器固定化酶膜反应器当前第13页\共有46页\编于星期日\20点膜反应器的特点游离酶和固定化酶均适用催化剂（酶、细胞）与底物、产物分离容易可作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有抑制作用时酶易在膜上吸附损失或浓缩极化膜会因为污染或微孔堵塞而导致工作能力下降放大成本高昂5、膜反应器当前第14页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的类型膜反应器——超滤酶膜反应器

将超滤膜分离器与连续搅拌式反应器（CSTR）偶联，将酶和小分子底物/产物通过超滤分离，由于酶分子量大，不能透过超滤膜而被截留，可循环使用。透过超滤膜的产物和部分未反应完全的底物再进入下一工序进行分离。当前第15页\共有46页\编于星期日\20点优点：酶可重复利用，特别适用于价格较高的酶。可用于胶态或不溶性底物，特别适用于有产物抑制的场合；缺点：酶的长期操作稳定性差，且酶易在膜上吸附损失。当前第16页\共有46页\编于星期日\20点6.喷射式反应器特点：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的反应器。喷射式反应器结构简单、体积小，混合均匀，由于温度高，催化反应速度快，催化效率高，可在短时间内完成催化反应。适用于：高温游离酶，如高温淀粉酶。当前第17页\共有46页\编于星期日\20点反应器类型适用操作方式适用的酶优、缺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结构紧凑、集反应和分离于一体；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当前第18页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的选择依据酶的应用形式游离酶固定化酶根据酶反应动力学性质根据底物/产物的物理性质其他考虑因素反应操作要求应用的可塑性及成本二、酶反应器的选择当前第19页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的选择——酶的应用形式游离酶适用的反应器特点：均相反应常用：搅拌罐式反应器有气体参与：鼓泡式反应器昂贵的酶：酶膜反应器——酶回收较容易耐高温酶：喷射式反应器当前第20页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的选择——酶的应用形式固定化酶适用的反应器特点：非均相反应，多采用连续式操作影响因素：固定化酶的形状、颗粒大小、稳定性颗粒状固定化酶/细胞搅拌罐式反应器——桨叶剪切力大，对颗粒有机械强度要求填充床式反应器——颗粒堆积密度大；床层压降大流化床式反应器——混合效果好；动力消耗大；有机械强度要求鼓泡式反应器——即“三相流化床”非颗粒状固定化酶/细胞——膜反应器当前第21页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的选择——依据酶反应动力学性质影响因素：1)酶与底物的混合程度要使酶与底物有效结合，必须保证酶与底物分子有效地碰撞混合效果好搅拌罐式反应器流化床式反应器鼓泡式反应器混合效果较差填充床式反应器膜反应器改善混合特性——辅助搅拌当前第22页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的选择——依据酶反应动力学性质影响因素：2)底物浓度及其抑制作用底物的浓度受其对酶抑制情况的制约防止底物浓度过高游离酶酶膜反应器连续式操作搅拌罐式反应器流加式操作/连续式操作固定化酶搅拌罐式反应器填充床式反应器流化床式反应器酶膜反应器连续操作当前第23页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的选择——依据酶反应动力学性质影响因素：3)产物浓度及其抑制作用产物的过度积累造成抑制设法将产物移出反应器游离酶——酶膜反应器固定化酶——酶膜反应器、填充床式反应器影响因素：4)酶反应温度耐高温酶喷射式反应器优点：加速反应，缩短反应时间，催化效率高当前第24页\共有46页\编于星期日\20点3、底物和产物的理化性质：溶解性底物或产物：显然对任何类型的反应器都不会造成困难。颗粒状和胶体状底物：往往会堵塞填充床，应采用搅拌罐或流化床型反应器。因高的搅拌速度，高的流速可减少底物颗粒的集结、沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。反应底物或产物有气体时：常用鼓泡式反应器4．反应操作要求当前第25页\共有46页\编于星期日\20点5、应用的可塑性及成本：CSTR类型的反应器一般来说应用的可塑性较大，且由于结构简单，制造成本也较低。反应器也应具有再生、添加或更换酶的结构，且越容易越好，另外，必须具备容易清洗的结构。在考虑成本时，除反应器造价外，还需将酶本身的价值及其在各种反应器中的稳定性考虑在内。当前第26页\共有46页\编于星期日\20点三、酶反应器的设计目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反应器。设计依据：酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影响；反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性；需要的生产量及生产工艺流程。当前第27页\共有46页\编于星期日\20点设计过程1、确定酶反应器的类型2、确定反应器的制造材料3、进行热量衡算4、进行物料衡算当前第28页\共有46页\编于星期日\20点1、确定酶反应器的类型根据酶、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。2、确定反应器的制造材料酶催化反应通常在常温、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制造反应容器即可。没有什么特别要求，一般采用不锈钢当前第29页\共有46页\编于星期日\20点3、进行热量衡算酶催化反应一般在30～70℃的常温条件下进行，热量衡算较简单温度的调节控制通常采用一定温度的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，热量衡算是根据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，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。当前第30页\共有46页\编于星期日\20点4、物料衡算

——直接决定了产量和产率(1)确定酶反应动力学参数(2)计算底物用量(3)计算反应液总体积(4)计算酶用量(5)计算反应器数目当前第31页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的设计——物料衡算(1)确定酶反应动力学参数底物浓度通过米氏方程定量注意底物抑制情况酶浓度考虑生产成本问题，不宜使用过多的酶温度、pH值采用最适值或在其附近激活剂、抑制剂激活/抑制动力学当前第32页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的设计——物料衡算(2)计算底物用量产量：以“年产量Py（kg/y）”表示分批式：“日产量Pd（kg/d）”连续式：“每小时产量Ph（kg/h）”产物转化率YP/S：产物生成量P(kg)与投入底物量S(kg)之比[S0]——

反应前的底物浓度，g·L-1[St]——

反应后的底物浓度，g·L-1当前第33页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的设计——物料衡算(2)计算底物用量收率R：分离得到产物量Psep

和反应生成产物量Pform

之比底物用量S：由产量P、转化率YP/S

和收率R

计算得到注意：Py、Pd、Ph

和P

的单位是不同的当前第34页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的设计——物料衡算(3)计算反应液总体积反应液总体积Vt

由底物用量及其初始浓度计算(4)计算酶的用量所需酶量E

为酶浓度[E]与反应液体积Vt

的乘积注意1：酶的用量以活力单位U

表示注意2：一般从经济角度来考虑酶的用量当前第35页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的设计——物料衡算(5)计算反应器数目反应器的有效体积V0单个反应器可容纳反应液的最大体积，一般为总体积的70～80%反应器的生产强度QP（连续式）反应器在单位时间内，单位体积反应液所生产的产物的质量，一般以g·L-1·h-1

为单位Ph——每小时获得的产物量，g·h-1Vh——每小时获得的反应液体积，L·h-1当前第36页\共有46页\编于星期日\20点酶反应器的设计——物料衡算(5)计算反应器数目对于分批式反应器，用每天获得的反应液总体积Vd

表示：对于连续式反应器，用每小时获得的反应液总体积Vh

表示：或用生产强度QP

计算：当前第37页\共有46页\编于星期日\20点四、酶反应器的操作实现酶反应的高效进行，必须考虑以下三方面：选择恰当的酶（高质量）应用形式；选择和设计合适的酶反应器；确定合理的反应操作条件。酶反应器的操作中，应注意如下几方面：控制酶反应器中流体的流动状态；维持酶反应器的恒定生产能力；保持酶反应器的稳定；防止酶反应器的污染。当前第38页\共有46页\编于星期日\20点1、流体流动状态的控制反应器中流动方式的改变造成的不良影响：使酶与底物的接触不良，造成反应器生产能力下降；造成返混程度的变化，可能发生程度不同的反应或使所需产物发生进一步反应及副反应。当前第39页\共有46页\编于星期日\20点产生原因及对策：搅拌罐型反应器原因：搅拌速度不均匀；固定化酶在出料口滤器上积聚对策：控制搅拌速度；在进、出料口各装一个滤器，在一定时间间隔后，出口滤器用进料液反冲。当前第40页\共有46页\编于星期日\20点产生原因及对策：填充床型反应器原因：压降不断加大，载体填充不规则及底物上柱不均匀产生沟流或部分堵塞；柱入口处沉积或者底物流量很大或使用高粘性底物时产生的内、外壅塞现象。对策：使用较大的、不可压缩的、光滑的、珠型的填充材料，均匀填充及严格控制好流速；反冲洗柱床或重新装柱，间隔通上行空气流，以及对底物进行预处理可避免柱的壅塞。当前第41页\共有46页\编于星期日\20点2、酶反应器的稳定性保持酶反应器的稳定性，主要是防止酶的变性或中毒失活，防止固定化酶的脱落或载体磨损