第八章酶反應(yīng)器to學(xué)生

1、第八章 生物反應(yīng)器2什么是酶反應(yīng)器什么是酶反應(yīng)器? ?酶和固定化酶在體外進行催化反應(yīng)時，都必需在一定的酶和固定化酶在體外進行催化反應(yīng)時，都必需在一定的反應(yīng)容器中進行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催反應(yīng)容器中進行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催化反應(yīng)的速度?；磻?yīng)的速度。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。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。酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反應(yīng)提供應(yīng)提供合適的場所和最佳的反應(yīng)條件合適的場所和最佳的反應(yīng)條件，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、轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。3n生物反應(yīng)器具有中心的作用生物反應(yīng)器具有中心的作用，它是連接原料和產(chǎn)物的橋，它是連接原料和產(chǎn)物的橋梁，也是多種學(xué)科的交叉點。梁，也是多種學(xué)科的交叉點。n生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作，就是生物工程中一個極其重，就是生物工程中一個極其重要的問題，它對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有著很大影響。要的問題，它對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有著很大影響。4生物反應(yīng)器的特點生物反應(yīng)器的特點n酶促反應(yīng)器：酶促反應(yīng)器：利用生物催化劑進行一步或幾步催化反應(yīng)，利用生物

3、催化劑進行一步或幾步催化反應(yīng)，游離或固定化酶（細胞），簡單，與一般的化學(xué)反應(yīng)器游離或固定化酶（細胞），簡單，與一般的化學(xué)反應(yīng)器無大的區(qū)別。無大的區(qū)別。n細胞生物反應(yīng)器：細胞生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)過程中，活細胞（微生物、生物反應(yīng)過程中，活細胞（微生物、動植物細胞）的生長、代謝或者同時復(fù)雜酶系統(tǒng)的生物動植物細胞）的生長、代謝或者同時復(fù)雜酶系統(tǒng)的生物催化轉(zhuǎn)化，發(fā)酵罐。生物反應(yīng)復(fù)雜，細胞中精確調(diào)控的催化轉(zhuǎn)化，發(fā)酵罐。生物反應(yīng)復(fù)雜，細胞中精確調(diào)控的酶系進行的催化反應(yīng)。酶系進行的催化反應(yīng)。n生物反應(yīng)器的作用：生物反應(yīng)器的作用：為生物催化反應(yīng)與細胞代謝提供一為生物催化反應(yīng)與細胞代謝提供一個適宜的物理及化學(xué)環(huán)境

4、，使反應(yīng)效率更高，細胞生長個適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使反應(yīng)效率更高，細胞生長與代謝更快更好，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物更多。與代謝更快更好，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物更多。n發(fā)酵罐與酶促反應(yīng)器的主要區(qū)別：發(fā)酵罐與酶促反應(yīng)器的主要區(qū)別：生物反應(yīng)速率較慢，體積反應(yīng)速率不高，反應(yīng)器大。生物反應(yīng)速率較慢，體積反應(yīng)速率不高，反應(yīng)器大。對好氧過程，通風(fēng)和混合要求，動力消耗較大，產(chǎn)物濃對好氧過程，通風(fēng)和混合要求，動力消耗較大，產(chǎn)物濃度低。度低。杜絕雜菌污染杜絕雜菌污染5優(yōu)良的反應(yīng)器應(yīng)具備：優(yōu)良的反應(yīng)器應(yīng)具備：n嚴密的結(jié)構(gòu)；嚴密的結(jié)構(gòu)；n良好的液體混合性能良好的液體混合性能n高效的傳質(zhì)、傳熱性能；高效的傳質(zhì)、傳熱性能；n配套而又可靠的

5、檢測和控制儀表。配套而又可靠的檢測和控制儀表。n判斷的標(biāo)準(zhǔn)：判斷的標(biāo)準(zhǔn)：能否適合催化工藝要求，最大能否適合催化工藝要求，最大生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率。6生物反應(yīng)器的分類生物反應(yīng)器的分類n按幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征劃分：按幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征劃分：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等釜（罐）式、管式、塔式、膜式等管式、膜式用于連續(xù)操作。管式、膜式用于連續(xù)操作。直徑較大、縱向較短的管式成為塔式反應(yīng)直徑較大、縱向較短的管式成為塔式反應(yīng)器。器。n按催化劑類型或培養(yǎng)對象劃分：按催化劑類型或培養(yǎng)對象劃分：酶促反應(yīng)器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細胞酶促反應(yīng)器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細胞反應(yīng)器、動物細胞反應(yīng)器。反應(yīng)器、動物細胞反應(yīng)器

6、。7n游離酶反應(yīng)器游離酶反應(yīng)器：考慮使用目的、反應(yīng)形式、：考慮使用目的、反應(yīng)形式、底物濃度、反應(yīng)速率、物質(zhì)傳遞、反應(yīng)器制底物濃度、反應(yīng)速率、物質(zhì)傳遞、反應(yīng)器制造和運轉(zhuǎn)成本及操作難易等因素，采用一般造和運轉(zhuǎn)成本及操作難易等因素，采用一般化學(xué)反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)器，n固定化酶促反應(yīng)器：固定化酶促反應(yīng)器：還要考慮固定化酶的形還要考慮固定化酶的形狀（顆粒、纖維、膜）、大小、機械強度、狀（顆粒、纖維、膜）、大小、機械強度、密度和再生難易，操作上的要求（如密度和再生難易，操作上的要求（如pHpH、供、供養(yǎng)、雜菌污染），反應(yīng)動力學(xué)形式，和物質(zhì)養(yǎng)、雜菌污染），反應(yīng)動力學(xué)形式，和物質(zhì)傳遞特性，內(nèi)外擴散、底物性質(zhì)、催

7、化劑的傳遞特性，內(nèi)外擴散、底物性質(zhì)、催化劑的表面與反應(yīng)器的體積的比值等。表面與反應(yīng)器的體積的比值等。n如：如：顆粒狀固定化酶，機械強度（凝膠包埋、顆粒狀固定化酶，機械強度（凝膠包埋、微囊酶）、機械攪拌的剪切、耐壓縮性（安微囊酶）、機械攪拌的剪切、耐壓縮性（安裝篩板）裝篩板）8n按供氧劃分：按供氧劃分：好氧反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器好氧反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器厭氧反應(yīng)及產(chǎn)品：乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇、乳酸、厭氧反應(yīng)及產(chǎn)品：乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇、乳酸、沼氣。沼氣。低溶解度氧，不斷進行通氣和攪拌，保持培養(yǎng)液懸浮，低溶解度氧，不斷進行通氣和攪拌，保持培養(yǎng)液懸浮，促進發(fā)酵熱散發(fā)。促進發(fā)酵熱散發(fā)。n根據(jù)反應(yīng)器所需的

8、混合方式與能量輸入方式劃分：根據(jù)反應(yīng)器所需的混合方式與能量輸入方式劃分：機械攪拌輸入能量的攪拌型反應(yīng)器、機械攪拌輸入能量的攪拌型反應(yīng)器、利用氣體噴射動能的氣升式反應(yīng)器、利用氣體噴射動能的氣升式反應(yīng)器、利用泵對液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式反應(yīng)利用泵對液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式反應(yīng)器。器。n根據(jù)反應(yīng)器的操作方式劃分：根據(jù)反應(yīng)器的操作方式劃分：間歇式、連續(xù)式、半間歇式生物反應(yīng)器。間歇式、連續(xù)式、半間歇式生物反應(yīng)器。9p間歇式反應(yīng)器：間歇式反應(yīng)器：反應(yīng)物料一次性加入，反應(yīng)過程中，沒有底物的加入和產(chǎn)反應(yīng)物料一次性加入，反應(yīng)過程中，沒有底物的加入和產(chǎn)物的取出，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成隨反應(yīng)時間

9、的變化而變化，物的取出，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成隨反應(yīng)時間的變化而變化，非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程。n連續(xù)式反應(yīng)器：連續(xù)式反應(yīng)器：不斷補充底物和營養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物不斷被稀釋而不斷補充底物和營養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物不斷被稀釋而排除，催化過程連續(xù)穩(wěn)定進行，反應(yīng)期內(nèi)任何部位的物系排除，催化過程連續(xù)穩(wěn)定進行，反應(yīng)期內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時間變化而改變，組成均不隨時間變化而改變，穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程?？朔说孜锘驙I養(yǎng)物質(zhì)被耗盡或產(chǎn)物代謝物積累抑制等缺克服了底物或營養(yǎng)物質(zhì)被耗盡或產(chǎn)物代謝物積累抑制等缺點。但是連續(xù)反應(yīng)過程的操作和質(zhì)量控制有更高的要求。點。但是連續(xù)反應(yīng)過程的操作和質(zhì)量控制有更高的要求。n半連續(xù)反應(yīng)

10、器：半連續(xù)反應(yīng)器：將原料與部分產(chǎn)物連續(xù)輸入或輸出，其余分批加入和輸出。將原料與部分產(chǎn)物連續(xù)輸入或輸出，其余分批加入和輸出。具有上述兩種反應(yīng)器的特點。具有上述兩種反應(yīng)器的特點。10n根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的物料狀態(tài)劃分：根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的物料狀態(tài)劃分：液深層培養(yǎng)生物反應(yīng)器液深層培養(yǎng)生物反應(yīng)器固態(tài)培養(yǎng)生物反應(yīng)器。固態(tài)培養(yǎng)生物反應(yīng)器。n根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：生物團塊反應(yīng)器生物團塊反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器。生物膜反應(yīng)器。n生物團塊反應(yīng)器按催化劑的運動狀態(tài)分為：生物團塊反應(yīng)器按催化劑的運動狀態(tài)分為：填充床、填充床、流化床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤。生物轉(zhuǎn)盤。11根據(jù)反應(yīng)物系在反

11、應(yīng)器內(nèi)的流動和混合狀根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動和混合狀態(tài)劃分態(tài)劃分：n全混流式：全混流式：反應(yīng)器內(nèi)濃度分布均勻。反應(yīng)器內(nèi)濃度分布均勻。n活塞流式：活塞流式：反應(yīng)液在反應(yīng)器徑向嚴格均一的速反應(yīng)液在反應(yīng)器徑向嚴格均一的速度分布，反應(yīng)速度僅隨空間位置不同而變化。度分布，反應(yīng)速度僅隨空間位置不同而變化。12生物反應(yīng)器的研究內(nèi)容生物反應(yīng)器的研究內(nèi)容n高效生物反應(yīng)器的特點：高效生物反應(yīng)器的特點：設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)嚴設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)嚴密、良好的液體混合性能和較高的三傳速率、密、良好的液體混合性能和較高的三傳速率、能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的檢能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。測及控制儀

12、表。n評價生物反應(yīng)器的好壞：評價生物反應(yīng)器的好壞：適合工藝，最大生適合工藝，最大生產(chǎn)效率。產(chǎn)效率。n研究和設(shè)計內(nèi)容：研究和設(shè)計內(nèi)容：按工藝選型；按反應(yīng)過程按工藝選型；按反應(yīng)過程物料衡算、傳質(zhì)傳熱計算；考慮無菌條件；物料衡算、傳質(zhì)傳熱計算；考慮無菌條件；設(shè)計必要的過程控制。設(shè)計必要的過程控制。13n生物反應(yīng)器中混合與傳熱：生物反應(yīng)器中混合與傳熱：n混合：混合：影響反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量傳遞，影響催化反應(yīng)影響反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量傳遞，影響催化反應(yīng)效果。效果。n混合方式：混合方式：氣流攪拌混合氣流攪拌混合機械攪拌混合：機械攪拌混合：n混合機制混合機制主體對流擴散、渦流擴散、分子擴散。主體對流擴散、渦流擴散、分子擴

13、散。作用范圍：主體作用范圍：主體 渦流渦流 分子分子宏觀流動宏觀流動( (粗略混合粗略混合) )微觀流動微觀流動微觀混合微觀混合(完全混合完全混合)14n理想的反應(yīng)器模型：理想的反應(yīng)器模型：n數(shù)學(xué)模型法：用模型的分析和計算代替實際數(shù)學(xué)模型法：用模型的分析和計算代替實際反應(yīng)器的分析和計算。反應(yīng)器的分析和計算。n平推流模型（平推流模型（無返混無返混）-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軸向擴散模型和多釜串聯(lián)模型（軸向擴散模型和多釜串聯(lián)模型（介于無返混介于無返混和全返混之間和全返混之間）。）。CPFRCSTR15幾種常見

14、的反應(yīng)器幾種常見的反應(yīng)器n機械攪拌式生物反機械攪拌式生物反應(yīng)器應(yīng)器n結(jié)構(gòu)和功能16p機械攪拌反應(yīng)器的混合和攪拌機械攪拌反應(yīng)器的混合和攪拌軸向流動和徑向流動軸向流動和徑向流動攪拌器的形式與攪拌流型：攪拌器的形式與攪拌流型：槳型：槳型：螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式.n螺旋槳：螺旋槳：軸向流動為主，流體形成軸向的螺旋狀軸向流動為主，流體形成軸向的螺旋狀運動。運動。特點：特點：直徑小、轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)生的循環(huán)量大，直徑小、轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)生的循環(huán)量大，混合效果較好，但對氣泡非分散效果較差。混合效果較好，但對氣泡非分散效果較差。17希望以徑向液流為主，同時兼顧軸向翻動。通用式發(fā)酵罐大希望

15、以徑向液流為主，同時兼顧軸向翻動。通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器。多采用渦輪式攪拌器。n渦輪槳渦輪槳: :徑向流動為主，徑向離心力，攪拌器中央帶徑向流動為主，徑向離心力，攪拌器中央帶有圓盤，有圓盤，特點：特點：對流體的剪切力劇烈、葉片寬產(chǎn)生對流體的剪切力劇烈、葉片寬產(chǎn)生大的流體循環(huán)量，平葉、彎葉、箭葉。大的流體循環(huán)量，平葉、彎葉、箭葉。18n機械攪拌酶反應(yīng)器：機械攪拌酶反應(yīng)器：n間歇式間歇式BSTRBSTR、連續(xù)攪拌式、連續(xù)攪拌式CSTRCSTR：n敞口式敞口式CSTRCSTR便于更換固定化酶，易于控制，便于更換固定化酶，易于控制，能處理膠態(tài)和不溶性底物。能處理膠態(tài)和不溶性底物。19 連續(xù)流

16、攪拌桶反應(yīng)器連續(xù)流攪拌桶反應(yīng)器n連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器20鼓泡式和氣升式生物反應(yīng)器鼓泡式和氣升式生物反應(yīng)器n特點：特點：無機械攪拌、結(jié)構(gòu)簡單、氧無機械攪拌、結(jié)構(gòu)簡單、氧傳遞效率高、能耗低、安裝維修方傳遞效率高、能耗低、安裝維修方便等。便等。n鼓泡式反應(yīng)器：鼓泡式反應(yīng)器：空氣攪拌高位反應(yīng)空氣攪拌高位反應(yīng)器，器，n高徑比大的鼓泡為塔式反應(yīng)器，又高徑比大的鼓泡為塔式反應(yīng)器，又稱高位篩板式反應(yīng)器，稱高位篩板式反應(yīng)器， n多孔篩板的作用多孔篩板的作用21鼓泡式反應(yīng)器與機械攪拌反應(yīng)器對比鼓泡式反應(yīng)器與機械攪拌反應(yīng)器對比n鼓泡式優(yōu)點：鼓泡式優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、動力消耗結(jié)構(gòu)簡單、造價低、動力消耗小、沒有軸封不

17、造成染菌、對細胞剪切力小、小、沒有軸封不造成染菌、對細胞剪切力小、操作成本低、噪音小。操作成本低、噪音小。n鼓泡式缺點：鼓泡式缺點：反應(yīng)器很高、室外安裝、較大反應(yīng)器很高、室外安裝、較大壓力的壓縮空氣。壓力的壓縮空氣。n適用于適用于液體粘度低、固含量少、需氧量低的液體粘度低、固含量少、需氧量低的催化工程。低能耗下較高的氧傳遞效率。催化工程。低能耗下較高的氧傳遞效率。22環(huán)流反應(yīng)器環(huán)流反應(yīng)器n塔式反應(yīng)器，氣升環(huán)流塔式反應(yīng)器，氣升環(huán)流式和噴射環(huán)流式式和噴射環(huán)流式n氣升式環(huán)流反應(yīng)器：氣升式環(huán)流反應(yīng)器：內(nèi)內(nèi)環(huán)流式、外環(huán)流式環(huán)流式、外環(huán)流式.n特點：特點：氣體的上升力帶氣體的上升力帶動流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)動

18、流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動形成良好的混合，流動形成良好的混合，供氧和傳熱較好。供氧和傳熱較好。23自吸式生物反應(yīng)器自吸式生物反應(yīng)器n類型：類型：機械攪拌自吸式、噴機械攪拌自吸式、噴射自吸式、溢流噴射自吸射自吸式、溢流噴射自吸式式.n不需要壓縮空氣壓縮機，利不需要壓縮空氣壓縮機，利用攪拌器旋轉(zhuǎn)等方式產(chǎn)生的用攪拌器旋轉(zhuǎn)等方式產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。抽吸力吸入空氣。n關(guān)鍵部件：關(guān)鍵部件：帶有中央吸氣口帶有中央吸氣口的攪拌器，攪拌器為空心葉的攪拌器，攪拌器為空心葉輪，攪拌器旋轉(zhuǎn)甩出液體，輪，攪拌器旋轉(zhuǎn)甩出液體，葉輪中心形成負壓。葉輪中心形成負壓。24優(yōu)點：優(yōu)點：機械攪拌的抽吸作用自行引入空氣，氣液接機械攪拌

19、的抽吸作用自行引入空氣，氣液接觸良好、氣泡分散細、溶氧系數(shù)高、省去了壓縮機。觸良好、氣泡分散細、溶氧系數(shù)高、省去了壓縮機。缺點：缺點：進罐進罐空氣為負壓、空氣為負壓、吸程不高、吸程不高、采用低阻力采用低阻力高效空氣除高效空氣除菌裝置。菌裝置。25固定床、流化床生物反應(yīng)器固定床、流化床生物反應(yīng)器n用于固定化酶、細胞用于固定化酶、細胞n固定床反應(yīng)器：固定床反應(yīng)器：塔式、塔式、管式，平推流反應(yīng)器管式，平推流反應(yīng)器n固定化酶：固定化酶：球形、蝶形、球形、蝶形、薄片、小珠狀薄片、小珠狀26n優(yōu)點優(yōu)點：催化劑裝填：催化劑裝填密度高、結(jié)構(gòu)簡單、密度高、結(jié)構(gòu)簡單、費用低、適用于易費用低、適用于易磨損的固定化酶

20、、磨損的固定化酶、較高的產(chǎn)率（產(chǎn)物較高的產(chǎn)率（產(chǎn)物抑制體系）。抑制體系）。n缺點：缺點：傳質(zhì)傳熱相傳質(zhì)傳熱相對較低，固定床顆對較低，固定床顆粒影響壓降和內(nèi)擴粒影響壓降和內(nèi)擴散阻力（顆粒盡可散阻力（顆粒盡可能均勻）、固體物能均勻）、固體物料不宜、料不宜、27n流化床反應(yīng)器：流化床反應(yīng)器：fludized bed reactor, FBRn特點：特點：流體與固體顆粒充流體與固體顆粒充分接觸，混合程度高、傳分接觸，混合程度高、傳熱傳質(zhì)好、適宜于粘性大熱傳質(zhì)好、適宜于粘性大和含固體物料。不適宜于和含固體物料。不適宜于產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。n新型流化床顆粒：新型流化床顆粒：固定化酶內(nèi)添加砂粒、

21、或固定化酶內(nèi)添加砂粒、或磁性物質(zhì)等，提高固相和液相的的密度差，磁性物質(zhì)等，提高固相和液相的的密度差，提高傳質(zhì)速率。提高傳質(zhì)速率。28膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器n膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)，膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)，membrane membrane bioreactor,MBRbioreactor,MBR, ,工程強化技術(shù)，依靠工程強化技術(shù)，依靠膜的功能改變反應(yīng)進程，提高反應(yīng)效率。膜的功能改變反應(yīng)進程，提高反應(yīng)效率。n膜的膜的4 4種主要功能：種主要功能：n載體功能：固定化載體，生物活性的功能膜載體功能：固定化載體，生物活性的功能膜n分離功能：膜的多孔性、膜與組分物理化學(xué)作用分

22、離功能：膜的多孔性、膜與組分物理化學(xué)作用的不同，選擇性透過不同物質(zhì)。的不同，選擇性透過不同物質(zhì)。n分隔功能：膜的兩個表面將系統(tǒng)分隔成相關(guān)聯(lián)的分隔功能：膜的兩個表面將系統(tǒng)分隔成相關(guān)聯(lián)的兩個部分，可透過相關(guān)物質(zhì)。兩個部分，可透過相關(guān)物質(zhì)。n復(fù)合功能：依靠復(fù)合技術(shù)制備出幾層不同功能膜復(fù)合功能：依靠復(fù)合技術(shù)制備出幾層不同功能膜組成的復(fù)合膜。組成的復(fù)合膜。29 各種酶反應(yīng)器及其特點各種酶反應(yīng)器及其特點反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的操作方式適用的酶適用的酶特點特點攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器分批式分批式, ,流加分批式流加分批式連續(xù)式連續(xù)式, ,游離酶游離酶固定化酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條反

23、應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式固定化酶固定化酶密度大，可以提高酶催密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器分批式分批式流加分批式流加分批式連續(xù)式連續(xù)式固定化酶固定化酶流化床反應(yīng)器具有混合流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和好，溫度和pHpH值的調(diào)節(jié)值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應(yīng)液塞，對粘度較大反應(yīng)液也可進行催化反應(yīng)。也可進行催化反應(yīng)。30反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的操作方式適用的

24、酶適用的酶 特點特點鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器分批式分批式流加分批式流加分批式連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，操鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，剪切力小，混合效果作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高好，傳質(zhì)、傳熱效率高, ,適合于適合于有氣體參與的反應(yīng)。有氣體參與的反應(yīng)。膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶清洗比較困難清洗比較困難 噴射式反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現(xiàn)酶與通入高壓噴射蒸汽，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催底物的混合，進行高溫短時催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶

25、的反應(yīng)的反應(yīng)31酶反應(yīng)器的選擇酶反應(yīng)器的選擇n考慮：酶形式、酶的反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)、底物考慮：酶形式、酶的反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)等和產(chǎn)物的理化性質(zhì)等n反應(yīng)器盡可能具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易反應(yīng)器盡可能具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于維護和清洗、于維護和清洗、n可適用于多種酶的催化反應(yīng)、制成成本和運可適用于多種酶的催化反應(yīng)、制成成本和運行成本較低等特點。行成本較低等特點。32根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器n酶反應(yīng)動力學(xué)酶反應(yīng)動力學(xué)是研究酶催化反應(yīng)的速度及其是研究酶催化反應(yīng)的速度及其應(yīng)因素，應(yīng)因素，n影響反應(yīng)動力學(xué)的因素影響反應(yīng)動力學(xué)的因素：酶與底物的結(jié)合程度、

26、酶與底物的結(jié)合程度、底物濃度對反應(yīng)速度的影響、底物濃度對反應(yīng)速度的影響、產(chǎn)物對酶的反饋抑制作用產(chǎn)物對酶的反饋抑制作用反應(yīng)溫度條件等。反應(yīng)溫度條件等。33依據(jù)動力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器依據(jù)動力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器n酶與底物分子有效碰撞和結(jié)合酶與底物分子有效碰撞和結(jié)合反應(yīng)系統(tǒng)混反應(yīng)系統(tǒng)混合均勻合均勻攪拌罐式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器。攪拌罐式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器。n高濃度底物對酶抑制高濃度底物對酶抑制流加分批罐式反應(yīng)器、流加分批罐式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器等填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器等n產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器。器。n耐高溫酶耐高溫酶噴射式反

27、應(yīng)器。噴射式反應(yīng)器。34根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器n底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)直接影響酶催化反應(yīng)速率底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)直接影響酶催化反應(yīng)速率n底物或產(chǎn)物的分子質(zhì)量、溶解性、粘度等性質(zhì)對反底物或產(chǎn)物的分子質(zhì)量、溶解性、粘度等性質(zhì)對反應(yīng)器的選擇有重要影響。應(yīng)器的選擇有重要影響。p（1 1）反應(yīng)底物或產(chǎn)物分子質(zhì)量較大時）反應(yīng)底物或產(chǎn)物分子質(zhì)量較大時，不宜采用膜，不宜采用膜反應(yīng)器。反應(yīng)器。p（2 2）底物或產(chǎn)物溶解度低、粘度高時）底物或產(chǎn)物溶解度低、粘度高時，選擇攪拌罐，選擇攪拌罐式反應(yīng)器，不采用填充床式反應(yīng)器和膜式反應(yīng)器。式反應(yīng)器，不采用填充床式反應(yīng)器和膜式反應(yīng)

28、器。p（3 3）底物為氣體時，選擇鼓泡式反應(yīng)器。）底物為氣體時，選擇鼓泡式反應(yīng)器。p（4 4）小分子物質(zhì)作為輔酶的催化反應(yīng)，不選膜反應(yīng)）小分子物質(zhì)作為輔酶的催化反應(yīng)，不選膜反應(yīng)器，以免輔酶的流失。器，以免輔酶的流失。35生物反應(yīng)器的設(shè)計與放大生物反應(yīng)器的設(shè)計與放大n設(shè)計基本要點設(shè)計基本要點：強化傳質(zhì)、傳熱等操作，良好：強化傳質(zhì)、傳熱等操作，良好過程控制、無菌條件、將催化活性控制在最佳過程控制、無菌條件、將催化活性控制在最佳條件、降低總的操作成本。條件、降低總的操作成本。n設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計目標(biāo)：催化反應(yīng)效率提高、最大限度降低催化反應(yīng)效率提高、最大限度降低成本、最少成本最大限度增加單位體積產(chǎn)率、成本

29、、最少成本最大限度增加單位體積產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟水平，創(chuàng)造更大提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟水平，創(chuàng)造更大效益。效益。p酶反應(yīng)器：酶反應(yīng)器：不需要通氣與劇烈的攪拌，不考慮不需要通氣與劇烈的攪拌，不考慮生物體生長代謝，主要考慮反應(yīng)器的選型。生物體生長代謝，主要考慮反應(yīng)器的選型。p細胞生長代謝的生物反應(yīng)器：細胞生長代謝的生物反應(yīng)器：復(fù)雜，嚴格的要復(fù)雜，嚴格的要求進行設(shè)計和放大。求進行設(shè)計和放大。36p若生物催化劑的濃度和比活力都很高，若生物催化劑的濃度和比活力都很高，傳質(zhì)和傳熱，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限傳質(zhì)和傳熱，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。制因素。反應(yīng)器的操作因素，限制因素。反應(yīng)器的操作因素，限制因素。p生物催化劑濃度較低或比活力較低時，生物催化劑濃度較低或比活力較低時，生物催化劑的因素是生物反應(yīng)器生產(chǎn)能生物催化劑的因素是生物反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。力的限制因素。生物反應(yīng)器設(shè)計和操作的限制因素生物反應(yīng)器設(shè)計和操作的限制因素37生物反應(yīng)器研究的主要內(nèi)容生物反應(yīng)器研究的主要內(nèi)容n反應(yīng)器選型反應(yīng)器選型: :根據(jù)工藝特征、反應(yīng)特性、物料根據(jù)工藝特征、反應(yīng)特性、物料特性確定