第八章 酶反應(yīng)器

1、第八章 酶反應(yīng)器用于酶進行催化反應(yīng)的容器及其用于酶進行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。第一節(jié) 酶反應(yīng)器的類型按照結(jié)構(gòu)不同可分為：攪拌罐式反應(yīng)器(stirred tank reactor,STR)鼓泡式反應(yīng)器(bubble column reactor,BCR)填充床式反應(yīng)器(packed column reactor,PCR)流化床式反應(yīng)器(fluidized bed reactor,FBR)膜反應(yīng)器(membrane reactor)噴射式反應(yīng)器一、攪拌罐式反應(yīng)器由反應(yīng)罐、攪拌器和保溫裝置組成。由反應(yīng)罐、攪拌器和保溫裝置組成。1 1、分批攪拌罐式反應(yīng)器、分批攪拌

2、罐式反應(yīng)器發(fā)酵罐發(fā)酵罐優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作容易，酶與底物優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作容易，酶與底物混合均勻，混合均勻， 傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)較完全傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)較完全，反應(yīng)條件易于調(diào)節(jié)控制。，反應(yīng)條件易于調(diào)節(jié)控制。缺點：用于游離酶，酶難以回收。缺點：用于游離酶，酶難以回收。用于固定化酶，反應(yīng)器利用率較低，而用于固定化酶，反應(yīng)器利用率較低，而且可能對固定化酶的結(jié)構(gòu)造成破壞。且可能對固定化酶的結(jié)構(gòu)造成破壞。2 2、連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器、連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器只適用于固定化酶的催化反應(yīng)。只適用于固定化酶的催化反應(yīng)。底底物物溶溶液液進進口口反反應(yīng)應(yīng)液液出出口口優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作方便優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作方便，反應(yīng)條件

3、易于調(diào)節(jié)控制，反應(yīng)條件易于調(diào)節(jié)控制，底物與固定化酶接觸較好，底物與固定化酶接觸較好，傳質(zhì)阻力低，反應(yīng)器利用率傳質(zhì)阻力低，反應(yīng)器利用率較高。較高。v需注意控制好攪拌速度。需注意控制好攪拌速度。底物溶液進口底物溶液進口反應(yīng)產(chǎn)物出口反應(yīng)產(chǎn)物出口固定化酶固定化酶二、填充床式反應(yīng)器把催化劑填充把催化劑填充在填充床（固在填充床（固定床）中的反定床）中的反應(yīng)器叫做填充應(yīng)器叫做填充床型反應(yīng)器。床型反應(yīng)器。這是一種使用得最廣泛的固定化酶反應(yīng)器，它這是一種使用得最廣泛的固定化酶反應(yīng)器，它具有單位體積的催化劑負荷量高、結(jié)構(gòu)簡單、具有單位體積的催化劑負荷量高、結(jié)構(gòu)簡單、容易放大、剪切力小、催化效率高等優(yōu)點，特容易放大

4、、剪切力小、催化效率高等優(yōu)點，特別適合于存在底物抑制的催化反應(yīng)。別適合于存在底物抑制的催化反應(yīng)。但也存在下列缺點：但也存在下列缺點：溫度和溫度和pHpH值難控制；值難控制；底物和產(chǎn)物會產(chǎn)生軸底物和產(chǎn)物會產(chǎn)生軸向分布易引起相應(yīng)的酶失活程度也呈軸向分布；向分布易引起相應(yīng)的酶失活程度也呈軸向分布；更換部分催化劑相當麻煩；更換部分催化劑相當麻煩；柱內(nèi)壓降相當柱內(nèi)壓降相當大，底物必須加壓后才能進人。大，底物必須加壓后才能進人。固定化酶固定化酶顆粒所受壓力較大，容易引起固定化酶顆粒所受壓力較大，容易引起固定化酶顆粒的變形或破碎。顆粒的變形或破碎。三、流化床反應(yīng)器固定化酶固定化酶反應(yīng)產(chǎn)物出口反應(yīng)產(chǎn)物出口底物

5、溶液進口底物溶液進口適用于固定化酶進行連續(xù)適用于固定化酶進行連續(xù)催化。催化。但固定化酶顆粒不但固定化酶顆粒不應(yīng)過大，同時應(yīng)具有較高應(yīng)過大，同時應(yīng)具有較高的強度。的強度。在操作時需注意控制好底在操作時需注意控制好底物溶液和反應(yīng)液的流動速物溶液和反應(yīng)液的流動速度。度。優(yōu)點：混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度優(yōu)點：混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和和pHpH值易于調(diào)節(jié)控制，不易堵塞，對黏度較值易于調(diào)節(jié)控制，不易堵塞，對黏度較大的反應(yīng)液也可進行催化，大的反應(yīng)液也可進行催化，能處理粉狀底物能處理粉狀底物、壓降較小，也很適合于需要排氣供氣的反、壓降較小，也很適合于需要排氣供氣的反應(yīng)應(yīng)。缺點：缺點：需要較高的

6、流速才能維持粒子的充分需要較高的流速才能維持粒子的充分流態(tài)化，而且流態(tài)化，而且固定化酶顆粒易于被破壞，流固定化酶顆粒易于被破壞，流體動力學變化較大，參數(shù)復(fù)雜，放大較為困體動力學變化較大，參數(shù)復(fù)雜，放大較為困難。難。目前，流化床反應(yīng)器主要被用來處理一些粘度高的液體和顆粒細小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白質(zhì)。 反反應(yīng)應(yīng)液液出出口口排氣口排氣口進氣口進氣口底底物物溶溶液液進進口口空空氣氣分分布布器器可用于游離酶也可用于固定化酶的催化反應(yīng)?？捎糜谟坞x酶也可用于固定化酶的催化反應(yīng)?？梢杂糜谶B續(xù)反應(yīng)，也可可以用于連續(xù)反應(yīng)，也可用于分批反應(yīng)。用于分批反應(yīng)。結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，剪結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，剪切力小，

7、物質(zhì)與熱量的傳切力小，物質(zhì)與熱量的傳遞效率高，是有氣體參與遞效率高，是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器。種反應(yīng)器。四、鼓泡式反應(yīng)器五、膜反應(yīng)器將酶的催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起將酶的催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應(yīng)器。可用于游離酶也可用于固定化酶而成的反應(yīng)器。可用于游離酶也可用于固定化酶的催化反應(yīng)。的催化反應(yīng)。中空纖維反應(yīng)器優(yōu)：集反應(yīng)與分離優(yōu)：集反應(yīng)與分離于一體，利于連續(xù)于一體，利于連續(xù)化生產(chǎn)?；a(chǎn)。缺：經(jīng)過長時間使缺：經(jīng)過長時間使用，酶或其他雜質(zhì)用，酶或其他雜質(zhì)會被吸附在膜上，會被吸附在膜上，造成膜透過性降低造成膜透過性降低，而且清洗困難

8、。，而且清洗困難。包括了用固定化酶膜組裝的平板狀或螺旋卷型反應(yīng)器、轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器和空心酶管、中空纖維膜反應(yīng)器等。平板狀和螺旋卷型反應(yīng)器具有壓降小放大容易等優(yōu)點，但反應(yīng)器內(nèi)單位體積催化劑的有效面積較小?？招拿腹芊磻?yīng)器主要與自動分析儀等組裝，用于定量分析。轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器又可細分為立式和臥式兩種，主要多于廢水處理裝置，其中臥式反應(yīng)器由于液體的上部接觸空氣可以吸氧，適用于需氧反應(yīng)。中空纖維反應(yīng)器則是由數(shù)根醋酸纖維素制成的中空纖維構(gòu)成，其內(nèi)層緊密光滑，具有一定的分子量截留值，可截留大分子物質(zhì)，而允許不同的小分子量物質(zhì)通過；外層則是多孔的海綿狀支持層，酶被固定在海綿支持層中。這種反應(yīng)器不僅能承受68個標準大氣壓以

9、上的壓力而且還具有高的聰裝填密度，具有很好的工業(yè)應(yīng)片前景。游離酶膜反應(yīng)器游離酶膜反應(yīng)器優(yōu)點：酶可以回收循優(yōu)點：酶可以回收循環(huán)使用，可以降低甚環(huán)使用，可以降低甚至消除產(chǎn)物引起的抑至消除產(chǎn)物引起的抑制作用（產(chǎn)物連續(xù)排制作用（產(chǎn)物連續(xù)排出）。出）。缺點：酶和雜質(zhì)易于缺點：酶和雜質(zhì)易于吸附在膜上，從而影吸附在膜上，從而影響分離速度和分離效響分離速度和分離效果。果。六、噴射式反應(yīng)器利用高壓蒸汽的噴射作用，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應(yīng)。適用于耐高溫游離酶的連續(xù)催化反應(yīng)。一、根據(jù)酶的應(yīng)用形式選擇反應(yīng)器（一）游離酶反應(yīng)器的選擇1、攪拌罐式反應(yīng)器最常用2、有氣體參與的酶催化反應(yīng)，通常采用鼓泡式反應(yīng)器

10、3、價格較高的酶，為了能夠回收，可采用游離酶膜反應(yīng)器4、耐高溫的酶，可采用噴射式反應(yīng)器第二節(jié) 酶反應(yīng)器的選擇（二）固定化酶反應(yīng)器的選擇根據(jù)固定化酶的形狀、顆粒大小和穩(wěn)定性進行選擇。為了提高催化效率，通常采用連續(xù)反應(yīng)器。攪拌罐式反應(yīng)器不適用于機械強度較差的固定化酶。采用填充床反應(yīng)器時應(yīng)注意控制好反應(yīng)器的高度。采用流化床反應(yīng)器時，固定化酶的顆粒不能太大，密度要與反應(yīng)液的密度相當，而且要有較高的強度。有氣體參與的酶催化反應(yīng)，通常采用鼓泡式反應(yīng)器。平板狀、直管狀、螺旋管狀固定化酶一般采用膜反應(yīng)器。二、根據(jù)酶反應(yīng)動力學性質(zhì)選擇反應(yīng)器q底物、酶、產(chǎn)物以及酶催化作用的溫度條件酶與底物結(jié)合攪拌罐式反應(yīng)器、流化

11、床式反應(yīng)器高濃度底物抑制流加分批攪拌罐式反應(yīng)器、游離酶膜反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器。反饋抑制膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器耐高溫噴射式反應(yīng)器三、根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器q分子量、溶解度、黏度1底物或產(chǎn)物分子量較大時，一般不采用膜反應(yīng)器。1底物或產(chǎn)物溶解度低、黏度較高時，應(yīng)選擇攪拌罐式反應(yīng)器或流化床式反應(yīng)器，而不應(yīng)采用填充床式反應(yīng)器和膜反應(yīng)器。1底物為氣體時，通常采用鼓泡式反應(yīng)器1需要小分子物質(zhì)作為輔酶的酶催化反應(yīng)，通常不用膜反應(yīng)器1反應(yīng)器應(yīng)能適用于多種酶的催化反應(yīng)，能夠滿足催化反應(yīng)的各種條件，并可進行調(diào)節(jié)1反應(yīng)器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護和清洗1反應(yīng)器應(yīng)制造成本及

12、運行成本低第三節(jié) 酶反應(yīng)器的設(shè)計一、確定酶反應(yīng)器的類型二、確定酶反應(yīng)器的制造材料三、進行熱量衡算根據(jù)熱水的溫度和使用量計算。四、進行物料衡算（一）酶反應(yīng)動力學參數(shù)的確定底物濃度、酶濃度、最適溫度、最適pH值、激活劑濃度（二）計算底物用量P（kg/年）=Pd（ kg /d） 300 分批反應(yīng)器 =Ph（kg/h） 300 24 連續(xù)反應(yīng)器產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率：YP/S = P /S P生成的產(chǎn)物量（ k g ，g ）S 投入的底物量（ k g ，g ）根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率和收得率，計算所需底物用量。反應(yīng)副產(chǎn)物忽略不計，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率：YP/S =SS0 St =S0S反應(yīng)前后底物濃度的變化S0反應(yīng)前底物濃

13、度（g/L）St 反應(yīng)后底物濃度（g/L）產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)條件、反應(yīng)器性能和操作工藝有關(guān)。S0收得率（R）：分離得到的產(chǎn)物量與反應(yīng)生成的產(chǎn)物量的比值。 R=分離得到的產(chǎn)物量反應(yīng)生成的產(chǎn)物量的收得率主要取決于分離純化技術(shù)及其工藝條件。底物用量：S=PYP/S R（kg）S所需的底物用量（ k g ，g ）P反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)量（ k g ，g ） YP/S 產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率（%） R產(chǎn)物收得率（%）分批反應(yīng)器常采用日產(chǎn)量Pd，連續(xù)反應(yīng)器一般采用時產(chǎn)量Ph （三）計算反應(yīng)液總體積Vt=SS（L）Vt反應(yīng)液總體積（L）S底物用量（L）S反應(yīng)前底物濃度（g/L）（四）計算酶用量E=E.Vt （U）E所需的酶量（U

14、） E酶濃度（U/L） Vt 反應(yīng)液體積（ L ）（五）計算反應(yīng)器數(shù)目一般反應(yīng)器的有效體積為反應(yīng)器總體積的70%80%。N=VdV0t24N反應(yīng)器數(shù)目（個）Vd每天獲得的反應(yīng)液總體積（L/d）V0 單個反應(yīng)器的有效體積（L）t 底物在反應(yīng)器中的停留時間（h）對于分批反應(yīng)器，可以根據(jù)每天獲得的反應(yīng)液的總體積、單個反應(yīng)器的有效體積和底物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，計算所需反應(yīng)器數(shù)目。（個）對于連續(xù)反應(yīng)器，可以根據(jù)每小時獲得的反應(yīng)液的總體積、反應(yīng)器的有效體積和底物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，計算反應(yīng)器數(shù)目。N=VhV0 t（個）N反應(yīng)器數(shù)目（個）Vh每小時獲得的反應(yīng)液總體積（L/d）V0 單個反應(yīng)器的有效體積（

15、L）t 底物在反應(yīng)器中的停留時間（h）連續(xù)反應(yīng)器還可以根據(jù)生產(chǎn)強度計算反應(yīng)器的數(shù)目。反應(yīng)器的生產(chǎn)強度指反應(yīng)器每小時每升反應(yīng)液所產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)。Qp=PhV0=V0Vh.P（g/L. h）Qp反應(yīng)器的生產(chǎn)強度（ g/L. h ）Ph 每小時獲得的產(chǎn)物量（ g/h ）V0 每個反應(yīng)器的有效體積（ L ）Vh 每小時獲得的反應(yīng)液體積（ L /h ）P 產(chǎn)物濃度（g/L）N=（個）Qp tPN反應(yīng)器數(shù)目（個）P反應(yīng)液總中所含的產(chǎn)物濃度（g/L）t 底物在反應(yīng)器中的停留時間（h）連續(xù)反應(yīng)器的數(shù)目與反應(yīng)器的生產(chǎn)強度的關(guān)系如下：第四節(jié) 酶反應(yīng)器的操作一、酶反應(yīng)器操作條件的確定及其調(diào)控1、反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制根據(jù)酶的動力學特性，確定酶催化反應(yīng)的最適溫度。夾套、列管等換熱裝置。水或蒸汽2、pH值的確定與調(diào)節(jié)控制3、底物濃度的確定與調(diào)節(jié)控制通常底物濃度在510Km4、酶濃度的確定與調(diào)節(jié)控制綜合考慮速度、成本，確定一個適宜的酶濃度。連續(xù)固定化酶反