第六章酶反應(yīng)器

第六章酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器(Enzymereactor)：以游離酶或固定化酶作為催化劑進(jìn)行酶促反應(yīng)所需的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器，它是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。作用：為酶催化反應(yīng)提供合適的場(chǎng)所和最佳反應(yīng)條件，在酶的催化下使底物最大限度的轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。特點(diǎn)：不同于細(xì)胞生物反應(yīng)器：不同于化學(xué)反應(yīng)器：在低溫、低壓下發(fā)揮作用，反應(yīng)時(shí)的耗能和產(chǎn)能也比較少一步或幾步催化反應(yīng)的設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單只需考慮適合生物催化劑有效發(fā)揮催化功能的反應(yīng)條件，過程控制簡(jiǎn)單酶催化反應(yīng)過程示意圖過程調(diào)控酶反應(yīng)器

消毒原料預(yù)處理

產(chǎn)物分離提純

產(chǎn)品生物催化劑制備空氣除菌能量熱量第六章酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)酶反應(yīng)器的操作本章重點(diǎn)內(nèi)容1.酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)2.酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)3.酶反應(yīng)器的操作6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)按結(jié)構(gòu)分類攪拌罐式反應(yīng)器（StirredTankReactor,STR）填充床式反應(yīng)器(packedbedreactor,PBR)流化床式反應(yīng)器(FluidizedBedReactor,FBR)鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)噴射式反應(yīng)器（projectionreactor,PR）酶膜反應(yīng)器(MembraneReactor,MR)

按操作方式分類分批式反應(yīng)器(batch)連續(xù)流式反應(yīng)器(continuous)流加分批式反應(yīng)器(feedingbatch)結(jié)構(gòu)+操作方式連續(xù)流式攪拌罐式反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批式攪拌罐式反應(yīng)器（BatchStirredTankReactor,BSTR）酶反應(yīng)器分類傳統(tǒng)酶反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器（StirredTankReactor,STR）填充床式反應(yīng)器(packedbedreactor,PBR)流化床式反應(yīng)器(FluidizedBedReactor,FBR)鼓泡式反應(yīng)器(bubblecolumnreactor,BCR)噴射式反應(yīng)器（projectionreactor,PR）新型酶反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器(MembraneReactor,MR)

1、攪拌罐式反應(yīng)器最常用的一種傳統(tǒng)形式的酶反應(yīng)器。結(jié)構(gòu)組成：容器（反應(yīng)罐）、攪拌器及保溫裝置。按操作方式分為：分批式攪拌罐式反應(yīng)器：

底物和游離酶一次性投入反應(yīng)器，產(chǎn)物一次性取出；

游離或固定化酶在反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過濾回收，轉(zhuǎn)入

下一批反應(yīng)。連續(xù)流式攪拌罐式反應(yīng)器：

向反應(yīng)器中投入固定化酶和底物溶液，不斷

攪拌，反應(yīng)平衡后，以恒定流速連續(xù)流入底物，

以相同流速輸出產(chǎn)物。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)1、攪拌罐式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作；酶與底物混合充分均勻；傳質(zhì)速度快，反應(yīng)能迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)；能處理膠體狀底物、不溶性底物。

缺點(diǎn)：反應(yīng)效率低，攪拌動(dòng)力消耗；由于攪拌剪切力，固定化載體易被破壞、游離酶易發(fā)生泡沫化活性下降，反復(fù)回收固定化酶過程中易造成酶的失活損失。發(fā)展與改進(jìn)：在反應(yīng)器出口裝上濾器,或制成磁性固定化酶，將酶顆粒裝在尼龍網(wǎng)制成的扁平筐內(nèi)，作為攪拌槳葉或擋板。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)傳質(zhì)：物質(zhì)以擴(kuò)散方式從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程，稱為質(zhì)量傳遞過程，簡(jiǎn)稱傳質(zhì)。例如：氣相-液相：液體蒸餾；

氣相-固相：固體的干燥；

液相-固相：結(jié)晶、離子交換。液體蒸餾：根據(jù)液體中各組分的揮發(fā)性不同，使其中沸點(diǎn)低的組分氣化，以達(dá)到分離的目的。結(jié)晶：含某物質(zhì)的過飽和溶液與同一物質(zhì)的固體相接觸時(shí)，其分子以擴(kuò)散方式通過溶液到達(dá)固相表面，并析出使固體長(zhǎng)大。離子交換：溶液中陽(yáng)離子與陰離子與稱為離子交換劑的固相上離子的交換過程。1、攪拌罐式反應(yīng)器6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)2、填充床式反應(yīng)器

PackedBedReactor,PBR，又稱固定床反應(yīng)器，

是固定化酶常用的一種反應(yīng)器。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：將固定化酶填充于反應(yīng)器內(nèi)，制成穩(wěn)定的柱床，然后，底物溶液從反應(yīng)器以一定方向通過固定化酶柱床，通過酶催化生成產(chǎn)物，并連續(xù)收集輸出的轉(zhuǎn)化液（含產(chǎn)物）。操作特點(diǎn)：底物按一定方向以恒定速度通過固定化酶床層，通過底物溶液的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的傳遞與混合。活塞流反應(yīng)器：橫截面液體流速相同，濃度相同，流動(dòng)方向底物、產(chǎn)物濃度逐漸變化。2、填充床式反應(yīng)器6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)適用性：廣泛適用于固定化酶優(yōu)點(diǎn)：高效率（單位體積催化劑負(fù)荷量高）、剪切力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，特別適合于存在底物、產(chǎn)物抑制的催化反應(yīng)，是工業(yè)生產(chǎn)及研究中應(yīng)用最為普遍的反應(yīng)器。缺點(diǎn)：溫度和pH難以控制；底物和產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生軸向分布，相應(yīng)酶失活程度呈軸向分布；清洗和更換固定化酶麻煩；傳質(zhì)傳熱性能較差，柱內(nèi)有自壓縮傾向，易堵塞（不宜采用黏度大的底物），固定化酶受到的壓力大（引起破碎）。改進(jìn)：在固定床中間用托板分隔，減少底層固定化酶所受壓力3、流化床反應(yīng)器6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：流化床反應(yīng)器（FluidizedBedReactor,FBR）是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器，反應(yīng)器形狀可為柱形或錐形等。操作特點(diǎn)：底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行催化反應(yīng)。注意控制反應(yīng)液的流動(dòng)速度。適用性：適用于固定化酶進(jìn)行連續(xù)催化反應(yīng)3、流化床反應(yīng)器6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不斷旋轉(zhuǎn)翻動(dòng)，混合均勻，具有良好的傳質(zhì)及傳熱性能，不易堵塞，適用于處理粘度高的液體；pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；即使細(xì)小顆粒的固定化酶，壓力也不會(huì)很高。缺點(diǎn)：需保持一定的流速，運(yùn)轉(zhuǎn)成本高，難于放大；由于顆粒酶處于流動(dòng)狀態(tài)，易導(dǎo)致粒子的機(jī)械破損；由于流化床的空隙體積大，酶的濃度不高。4、鼓泡式反應(yīng)器特點(diǎn)：利用從反應(yīng)器底部通入氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混合兩種作用。結(jié)構(gòu)：底部有氣體分散板或其它形式的氣體分散裝置。操作：游離酶、固定化酶放入反應(yīng)器內(nèi)，底物與氣體從底部通入。氣體經(jīng)過分散板得到充分分散，氣泡提供混合作用。優(yōu)點(diǎn)：適用于有氣體吸收的生物反應(yīng)。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)啤酒連續(xù)發(fā)酵塔型固定化活菌體反應(yīng)器5.噴射式反應(yīng)器特點(diǎn)：利用高壓蒸汽的噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)的反應(yīng)器。催化反應(yīng)速度快，效率高，可在短時(shí)間完成催化反應(yīng)。適用于：高溫游離酶，如高溫淀粉酶。新型酶反應(yīng)器-酶膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成：由酶反應(yīng)裝置和膜分離組件構(gòu)成，將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起，同時(shí)完成生化反應(yīng)和分離過程的反應(yīng)器。根據(jù)酶的存在狀態(tài)不同分為：游離酶膜反應(yīng)器固定化酶膜反應(yīng)器6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)幾種典型的酶膜反應(yīng)器游離酶膜反應(yīng)器特點(diǎn)：超濾膜孔徑范圍：1-100nm（截留Mr500-10000）

游離酶和固定化酶平均相對(duì)分子質(zhì)量：10000-100000優(yōu)點(diǎn)：酶均勻分布于反應(yīng)器內(nèi)，酶促反應(yīng)接近本征動(dòng)力學(xué)的狀態(tài)下進(jìn)行；酶可重復(fù)利用，特別適用于價(jià)格較高的酶；可用于膠態(tài)或不溶性底物，特別適用于有產(chǎn)物抑制的場(chǎng)合；缺點(diǎn)：酶的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性差；酶易在膜上吸附造成膜污染，發(fā)生濃差極化現(xiàn)象。添加新鮮的酶以維持反應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行游離酶膜反應(yīng)器4膜反應(yīng)器濃差極化膜分離過程中的一種現(xiàn)象料液中的溶液在壓力驅(qū)動(dòng)下透過膜，溶質(zhì)被截留，在臨近膜界面濃度越來越高；在濃度梯度作用下，溶質(zhì)又會(huì)向本體溶液擴(kuò)散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，導(dǎo)致溶劑透過量下降。超濾膜酶反應(yīng)器濃差極化現(xiàn)象固定化酶膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成：酶以固定化酶的形式存在于膜相的微孔或膜基質(zhì)中。（半透膜可作為界面催化劑的支撐體）根據(jù)固定化酶膜的形狀可分為：平板式或螺旋卷式酶膜反應(yīng)器轉(zhuǎn)盤式酶膜反應(yīng)器空心管式酶膜反應(yīng)器中空纖維式酶膜反應(yīng)器4膜反應(yīng)器固定化酶膜反應(yīng)器（1）平板式或螺旋卷式酶膜反應(yīng)器特點(diǎn)：壓力降??；膜面積清晰；單位體積催化劑有效面積小。4膜反應(yīng)器固定化酶膜反應(yīng)器（2）空心酶管反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：將酶固定在細(xì)管的內(nèi)壁上，管內(nèi)徑1mm左右。操作：底物溶液流經(jīng)細(xì)管時(shí)，只有與管壁接觸的部分進(jìn)行酶反應(yīng)。管內(nèi)流體的流動(dòng)屬于層流。應(yīng)用：主要是與自動(dòng)分析儀組裝在一起，用于定量分析。4膜反應(yīng)器固定化酶膜式應(yīng)器（3）轉(zhuǎn)盤型固定化酶反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：凝膠包埋的固定化酶成型為圓盤狀薄板，而后將許多凝膠薄板裝配在旋轉(zhuǎn)軸上，并把整個(gè)裝置浸在底物溶液中。反應(yīng)器有立式和臥式兩種。特點(diǎn)：更換催化劑方便。臥式反應(yīng)器適用于需氧反應(yīng)，或者產(chǎn)生揮發(fā)性生成物的反應(yīng)。應(yīng)用：廣泛用于廢水處理裝置。4膜反應(yīng)器固定化酶膜式反應(yīng)器（4）中空纖維酶膜反應(yīng)器4膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：由外殼和數(shù)以千計(jì)的醋酸纖維制成的中空纖維組成。中空纖維：內(nèi)層緊密、光滑，可截留大分子物質(zhì)而允許不同的小分子物質(zhì)通過。外層為多孔的海綿狀支持層，酶被固定在此層中。反應(yīng)器的形狀是管式或列管式，通過正常超濾程序壓迫底物與海綿狀介質(zhì)上的酶起反應(yīng)。

固定化酶膜式應(yīng)器（4）中空纖維膜反應(yīng)器特點(diǎn)：可承受較高的操作壓力，表面積大，但易發(fā)生濃度極化或孔堵塞。4膜反應(yīng)器中空纖維酶膜反應(yīng)器連續(xù)制備異麥芽低聚糖以淀粉為原料（木薯淀粉或玉米淀粉）。采用中空纖維酶膜反應(yīng)器,先用α－淀粉酶和異淀粉酶糖化制備麥芽低聚糖;后用α－葡萄糖苷酸和真菌淀粉酶轉(zhuǎn)苷制得異麥芽低聚糖。本發(fā)明大大縮短糖化、轉(zhuǎn)苷的反應(yīng)周期,酶用量省,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,分枝糖含量大于60%。發(fā)酵液除菌過濾醬油、醋等釀造產(chǎn)品的澄清過濾果酒、藥酒、葡萄酒、白酒的澄清過濾；茶飲料、果飲料澄清過濾濃縮中藥提取液的分離和精制礦泉水無菌凈化住宅小區(qū)或大樓中水回收利用血液制品分離與精制酶膜反應(yīng)器的應(yīng)用及研究新進(jìn)展（1）生物大分子的分解主要集中在淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)的水解。利用膜的篩分，將生物大分子與分子質(zhì)量小的水解產(chǎn)物相分離，可消除產(chǎn)物抑制作用。水解果膠以降低果汁的黏度；降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐癥）。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)（2）制備生物活性肽將生物活性肽的產(chǎn)生和分離耦合；降低酶用量、制備成本，有效控制蛋白質(zhì)水解。制備氨基酸，酪啡肽等。（3）含有輔助因子再生的酶反應(yīng)器許多酶反應(yīng)都需要輔因子的參與。如輔酶、輔基、能量供給體等。而這些輔因子的價(jià)格較貴，采用簡(jiǎn)單的添加方法很不經(jīng)濟(jì)。特點(diǎn)：可使輔因子反復(fù)使用，降低生產(chǎn)成本。實(shí)例：NADH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）再生循環(huán)系統(tǒng)ATP再生循環(huán)系統(tǒng)（4）兩相或多相反應(yīng)器問題由來：不溶或微溶于水的底物，在進(jìn)行酶催化時(shí)，在水相中有濃度低、反應(yīng)體積大、分離困難、能耗大等缺點(diǎn)。特點(diǎn)：使酶反應(yīng)在水-有機(jī)相中進(jìn)行，大大增加反應(yīng)時(shí)的底物濃度，減少底物或產(chǎn)物對(duì)酶的抑制作用，使酶反應(yīng)進(jìn)行到底。操作：是將酶或固定化酶置于水相中，而底物溶解于有機(jī)相中，然后在攪拌乳化條件下反應(yīng)。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)（5）固定化多酶反應(yīng)器特點(diǎn)：可模擬微生物細(xì)胞的多酶系統(tǒng)，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行多種酶的順序反應(yīng)，來合成各種產(chǎn)物。前景：有可能代替微生物發(fā)酵法來催化產(chǎn)品生成，用小型柱式反應(yīng)器，取代龐大而低效的微生物發(fā)酵罐。6.1酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)反應(yīng)器類型適用操作方式適用的酶優(yōu)、缺點(diǎn)攪拌罐式反應(yīng)器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對(duì)粘度較大反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)。鼓泡式反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應(yīng)。膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶固定化酶結(jié)構(gòu)緊湊、集反應(yīng)和分離于一體；清洗比較困難。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)第六章酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)

酶反應(yīng)器的選型與設(shè)計(jì)酶反應(yīng)器的操作6.2酶反應(yīng)器的選型與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：反應(yīng)器生產(chǎn)能力的大小和產(chǎn)品質(zhì)量的高低。理想的酶反應(yīng)器的要求：(1)所用生物催化劑應(yīng)具有較高的比活和酶濃度，才能得到較大的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率。(2)能用電腦自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)控，從而獲得最佳反應(yīng)條件。(3)具有良好的傳質(zhì)和混合性能。傳質(zhì)阻力是限制反應(yīng)速度的主要因素(4)應(yīng)具有最佳的無菌條件，否則，雜菌污染使反應(yīng)器的生產(chǎn)能力下降。一、酶反應(yīng)器的選擇影響酶反應(yīng)器選擇的因素很多，可以從以下幾個(gè)方面考慮：酶的形式(游離/固定化..)固定化酶的形狀、大小、機(jī)械強(qiáng)度酶的穩(wěn)定性酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)應(yīng)用的可塑性及成本6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)一、酶反應(yīng)器的選擇1、酶的應(yīng)用形式：游離酶：可根據(jù)具體情況選擇攪拌罐式反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器、噴射式反應(yīng)器；固定化酶：可根據(jù)具體情況選擇攪拌罐式反應(yīng)器、填充床反應(yīng)器、鼓泡式反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、膜反應(yīng)器。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)一、酶反應(yīng)器的選擇2、固定化酶的形狀、顆粒大小、機(jī)械強(qiáng)度：形狀：主要有顆粒狀、膜狀和纖維狀。顆粒狀，采用攪拌罐、填充床、鼓泡式和流化床式反應(yīng)器；對(duì)于膜狀、纖維狀固定化酶，采用填充床式、膜反應(yīng)器。顆粒大小小顆粒狀固定化酶不宜采用填充床式，宜采用流化床、鼓泡式反應(yīng)器。機(jī)械強(qiáng)度包埋法制備的固定化酶機(jī)械強(qiáng)度較差，對(duì)攪拌罐來說，要防止攪拌槳葉的剪切力對(duì)其造成的損傷；對(duì)填充床來說，如塔身很長(zhǎng)，可用多孔板等將塔身適當(dāng)隔開。一、酶反應(yīng)器的選擇3、酶的穩(wěn)定性：考慮到酶的失效，在相似的條件下，PBR優(yōu)于CSTR，即酶失效速度較低。CSTR一般遠(yuǎn)比其他反應(yīng)器更易引起酶從載體上的脫落，或使酶顆粒變細(xì)，最后從反應(yīng)器流失。PBR：填充床式反應(yīng)器；CSTR：連續(xù)流式攪拌罐式反應(yīng)器；6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)一、酶反應(yīng)器的選擇4、酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)：混合效果越好，反應(yīng)效率越高：攪拌罐式、流化床式反應(yīng)器，混合效果較好，保證酶與底物分子有效碰撞和結(jié)合，反應(yīng)系統(tǒng)均勻。膜反應(yīng)器可采用輔助攪拌。底物濃度的高低：通常情況下，底物濃度越高，反應(yīng)速度越快；當(dāng)有高濃度底物抑制作用時(shí)，游離酶宜采用流加分批攪拌罐反應(yīng)器、膜反應(yīng)器固定化酶可采用CSTR、PBR、FBR、MR產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)有反饋抑制作用：最好采用MR酶催化反應(yīng)條件：耐受高溫的酶選用噴射式反應(yīng)器，反應(yīng)需控制溫度、pH時(shí)，CSTR方便。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)一、酶反應(yīng)器的選擇5、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)：分子量較大的底物或產(chǎn)物：一般不采用膜反應(yīng)器。溶解性底物或產(chǎn)物：顯然對(duì)任何類型的反應(yīng)器都不會(huì)造成困難。顆粒狀和膠體狀底物：會(huì)堵塞超濾膜和填充床，應(yīng)采用攪拌罐或流化床型反應(yīng)器。高的攪拌速度可減少底物顆粒的沉積與堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。反應(yīng)底物有氣體時(shí)：常用鼓泡式反應(yīng)器。輔酶參加的反應(yīng)：一般不采用膜反應(yīng)器。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)一、酶反應(yīng)器的選擇6、應(yīng)用的可塑性及成本：反應(yīng)器應(yīng)具有添加或更換酶的結(jié)構(gòu)，且越容易越好，另外，必須具備容易清洗的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器應(yīng)能夠適用于多種酶的催化反應(yīng)?？紤]反應(yīng)器造價(jià)成本、酶本身的價(jià)值。CSTR一般來說應(yīng)用的可塑性較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本也較低。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)出生產(chǎn)成本最低，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量最高的酶反應(yīng)器。設(shè)計(jì)依據(jù)：酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及溫度、壓力、pH等操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)特性的影響；反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)及傳熱特性；需要的生產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝流程。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程

1、確定酶反應(yīng)器的類型2、確定反應(yīng)器的制造材料3、進(jìn)行熱量衡算4、進(jìn)行物料衡算6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1、確定酶反應(yīng)器的類型根據(jù)酶、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)，按照上一節(jié)所述的選擇原則，確定反應(yīng)器的類型。2、確定反應(yīng)器的制造材料酶催化反應(yīng)通常在常溫、常壓、pH近乎中性的環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)，酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)制造材料沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼制造反應(yīng)容器即可。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3、進(jìn)行熱量衡算可以確定為達(dá)到一定的物理或化學(xué)變化須向設(shè)備傳入或從設(shè)備傳出的熱量。酶催化反應(yīng)一般在30～70℃的溫度條件下進(jìn)行，熱量衡算較簡(jiǎn)單常溫催化：溫度的調(diào)節(jié)控制通常采用一定溫度的水通過夾套（或列管）加熱或冷卻方式；熱量衡算是根據(jù)水的溫度和使用量計(jì)算。對(duì)于某些耐高溫的酶，例如高溫淀粉酶，采用噴射式反應(yīng)器；熱量衡算時(shí)，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進(jìn)行計(jì)算。6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)4、進(jìn)行物料衡算是運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過程進(jìn)行定量計(jì)算。產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率：底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的比率6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的首要目的是使反應(yīng)器具有高的轉(zhuǎn)化率。影響因素：酶的活性和濃度最為重要。控制反應(yīng)條件以保持酶的高活性；反應(yīng)器中也可使用高濃度的酶，但并非越高越好，過高會(huì)造成浪費(fèi)。二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)底物用量：根據(jù)所需產(chǎn)量、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收得率計(jì)算6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)反應(yīng)液體積：根據(jù)底物用量和最適底物濃度計(jì)算酶用量：根據(jù)最適酶濃度和反應(yīng)液總體積計(jì)算二、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)6.2酶反應(yīng)器的選擇與設(shè)計(jì)反應(yīng)器數(shù)目：分批反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器第六章酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)酶反應(yīng)器的選型與設(shè)計(jì)1、酶的應(yīng)用形式2、固定化酶的形狀、顆粒大小、機(jī)械強(qiáng)度3、酶的穩(wěn)定性4、酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)5、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)6、應(yīng)用的可塑性及成本酶反應(yīng)器的操作反應(yīng)器類型適用操作方式適用的酶優(yōu)、缺點(diǎn)攪拌罐式反應(yīng)器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和pH值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對(duì)粘度較大反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)。鼓泡式反應(yīng)器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應(yīng)。膜反應(yīng)器連續(xù)式游離酶固定化酶結(jié)構(gòu)緊湊、集反應(yīng)和分離于一體；清洗比較困難。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)第七章酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器的類型及特點(diǎn)酶反應(yīng)器的選型與設(shè)計(jì)

酶反應(yīng)器的操作6.3酶反應(yīng)器的操作實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)的高效進(jìn)行，必須考慮以下三方面：選擇恰當(dāng)?shù)拿福ǜ哔|(zhì)量）應(yīng)用形式；選擇和設(shè)計(jì)合適的酶反應(yīng)器；確定合理的反應(yīng)操作條件。酶反應(yīng)器的操作中，應(yīng)注意如下幾方面：控制酶反應(yīng)器中流體的流動(dòng)狀態(tài)；維持酶反應(yīng)器的恒定生產(chǎn)能力；保持酶反應(yīng)器的穩(wěn)定；防止酶反應(yīng)器的污染。一、流體流動(dòng)狀態(tài)的控制反應(yīng)器中流動(dòng)方式的改變?cè)斐傻牟涣加绊懀菏姑概c底物的接觸不良，造成反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降；造成返混程度的變化，發(fā)生程度不同的反應(yīng)或發(fā)生副反應(yīng)。（反混：指連續(xù)過程中與主流方向相反的運(yùn)動(dòng)所造成的物料混合。）6.3酶反應(yīng)器的操作一、流體流動(dòng)狀態(tài)的控制產(chǎn)生原因及對(duì)策：攪拌罐型反應(yīng)器原因：攪拌速度不均勻（反應(yīng)器內(nèi)物料的流