南京林業(yè)大學(xué)酶工程酶反應(yīng)器

第八章酶反應(yīng)器目前一頁\總數(shù)四十六頁\編于一點

酶反應(yīng)器概述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（enzymereactor）功能：提供酶催化反應(yīng)的場所，并提供合適的反應(yīng)條件酶反應(yīng)器消毒原料預(yù)處理產(chǎn)物分離提純生物催化劑(酶、細(xì)胞)除菌能量熱量產(chǎn)品空氣過程調(diào)控酶催化反應(yīng)過程示意圖目前二頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的基本要求評價生物反應(yīng)器的主要標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)能力的大小產(chǎn)品質(zhì)量的高低

——使產(chǎn)品的質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低！生物反應(yīng)器生物催化劑應(yīng)應(yīng)具有較高的比活和濃度，以達到最大轉(zhuǎn)化率能用電腦自動檢測和調(diào)控，從而獲得最佳的反應(yīng)條件應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和混合性能應(yīng)具有最佳的無菌條件，避免受到雜菌污染目前三頁\總數(shù)四十六頁\編于一點一、酶反應(yīng)器的類型按結(jié)構(gòu)區(qū)分?jǐn)嚢韫奘椒磻?yīng)器填充床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器膜反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器按操作方式區(qū)分分批式反應(yīng)連續(xù)式反應(yīng)流加分批式反應(yīng)(結(jié)構(gòu)+操作方式連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器分批攪拌罐反應(yīng)器酶反應(yīng)器分類目前四頁\總數(shù)四十六頁\編于一點1、攪拌罐式反應(yīng)器一種傳統(tǒng)形式的酶反應(yīng)器，最常用。結(jié)構(gòu)組成：容器、攪拌器及熱交換裝置，有時在容器壁上加裝擋板。按操作方式分為：分批攪拌罐反應(yīng)器(BatchStirredTankReactor,BSTR)適用于游離酶、固定化酶連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器(ContinuousStirredTankReactor,CSTR)僅適用于固定化酶目前五頁\總數(shù)四十六頁\編于一點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，易操作，酶與底物混合充分均勻，傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)條件易控制，能處理膠體狀底物、不溶性底物。

缺點：反應(yīng)效率低，攪拌動力消耗大，固定化載體易被破壞，離心或過濾回收固定化酶過程中易造成酶的失活損失。發(fā)展與改進：在反應(yīng)器出口裝上濾器,或用尼龍網(wǎng)罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶，或多個攪拌罐串聯(lián)。目前六頁\總數(shù)四十六頁\編于一點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。目前工業(yè)生產(chǎn)及研究中應(yīng)用最為普遍的反應(yīng)器。結(jié)構(gòu)：將把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床（填充床，可直立或平放）內(nèi)，底物按一定方向以恒定流速通過床層，反應(yīng)后，產(chǎn)物以同樣恒定的流速流出操作特點：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實現(xiàn)物質(zhì)的傳遞與混合。目前七頁\總數(shù)四十六頁\編于一點2、填充床式反應(yīng)器適用性：僅適用于固定化酶優(yōu)點：單位體積催化劑負(fù)載量高，催化效率高；構(gòu)造簡單，因而容易工程放大；剪切力小，故適用于容易磨損的固定化生物催化劑：床層內(nèi)的流動接近“平推流”，沿流動方向，底物和產(chǎn)物濃度是逐漸變化的，但在理想情況下，同一橫截面上濃度是相同的；減少產(chǎn)物的抑制作用。缺點：溫度和pH難以控制；清洗和更換部分固定化酶較麻煩；床內(nèi)有自壓縮傾向，易堵塞；床內(nèi)壓力降大，底物必須在加壓下才能進入。改進：在固定床中間用托板分隔，減少底層固定化酶所受壓力目前八頁\總數(shù)四十六頁\編于一點3、流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：流化床反應(yīng)器（FluidizedBedReactor,FBR）是一種適用于固定化酶進行連續(xù)催化反應(yīng)的反應(yīng)器，反應(yīng)器形狀可為柱形或錐形等。操作特點：底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態(tài)下進行反應(yīng)。注意控制反應(yīng)液的流動速度。適用性：固定化酶目前九頁\總數(shù)四十六頁\編于一點3、流化床反應(yīng)器優(yōu)點：具有良好的傳質(zhì)及傳熱性能，pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；不易堵塞，可適用于處理粘度高的液體；能處理粉末狀底物；即使細(xì)小顆粒的固定化酶，壓力也不會很高。缺點：需保持一定的流速，運轉(zhuǎn)成本高；由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導(dǎo)致粒子的機械破損；由于流化床的空隙體積大，酶的濃度不高；流體動力學(xué)變化大，參數(shù)復(fù)雜，難于放大。目前十頁\總數(shù)四十六頁\編于一點4、鼓泡式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：與流化床反應(yīng)器類似，底部有氣體分散板或其它形式的氣體分散裝置。操作：利用反應(yīng)器底部通入的氣體產(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的反應(yīng)器，無攪拌器，靠氣流作用攪拌應(yīng)用：適用于游離/固定化酶（細(xì)胞），適用于有氣體吸收或產(chǎn)生的生物反應(yīng)。目前十一頁\總數(shù)四十六頁\編于一點鼓泡式反應(yīng)器的特點氣－液－固三相系統(tǒng)，涉及氣體吸收或產(chǎn)生的反應(yīng)，采用此類型反應(yīng)器效果較好氣－液傳質(zhì)、傳熱效果好可用于連續(xù)反應(yīng)，也可用于分批反應(yīng)剪切力小，對結(jié)構(gòu)較脆弱的細(xì)胞和固定化載體有利單位體積內(nèi)催化劑密度低4、鼓泡式反應(yīng)器目前十二頁\總數(shù)四十六頁\編于一點5、膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：主要由酶反應(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而成的反應(yīng)器。根據(jù)適用性對象分為：游離酶膜反應(yīng)器固定化酶膜反應(yīng)器目前十三頁\總數(shù)四十六頁\編于一點膜反應(yīng)器的特點游離酶和固定化酶均適用催化劑（酶、細(xì)胞）與底物、產(chǎn)物分離容易可作用于膠態(tài)或不溶性底物，特別是產(chǎn)物對酶有抑制作用時酶易在膜上吸附損失或濃縮極化膜會因為污染或微孔堵塞而導(dǎo)致工作能力下降放大成本高昂5、膜反應(yīng)器目前十四頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的類型膜反應(yīng)器——超濾酶膜反應(yīng)器

將超濾膜分離器與連續(xù)攪拌式反應(yīng)器（CSTR）偶聯(lián)，將酶和小分子底物/產(chǎn)物通過超濾分離，由于酶分子量大，不能透過超濾膜而被截留，可循環(huán)使用。透過超濾膜的產(chǎn)物和部分未反應(yīng)完全的底物再進入下一工序進行分離。目前十五頁\總數(shù)四十六頁\編于一點優(yōu)點：酶可重復(fù)利用，特別適用于價格較高的酶?？捎糜谀z態(tài)或不溶性底物，特別適用于有產(chǎn)物抑制的場合；缺點：酶的長期操作穩(wěn)定性差，且酶易在膜上吸附損失。目前十六頁\總數(shù)四十六頁\編于一點6.噴射式反應(yīng)器特點：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)的反應(yīng)器。噴射式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，混合均勻，由于溫度高，催化反應(yīng)速度快，催化效率高，可在短時間內(nèi)完成催化反應(yīng)。適用于：高溫游離酶，如高溫淀粉酶。目前十七頁\總數(shù)四十六頁\編于一點反應(yīng)器類型適用操作方式適用的酶優(yōu)、缺點攪拌罐式反應(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，對粘度較大反應(yīng)液也可進行催化反應(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；清洗比較困難噴射式反應(yīng)器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現(xiàn)酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)目前十八頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的選擇依據(jù)酶的應(yīng)用形式游離酶固定化酶根據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)根據(jù)底物/產(chǎn)物的物理性質(zhì)其他考慮因素反應(yīng)操作要求應(yīng)用的可塑性及成本二、酶反應(yīng)器的選擇目前十九頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的選擇——酶的應(yīng)用形式游離酶適用的反應(yīng)器特點：均相反應(yīng)常用：攪拌罐式反應(yīng)器有氣體參與：鼓泡式反應(yīng)器昂貴的酶：酶膜反應(yīng)器——酶回收較容易耐高溫酶：噴射式反應(yīng)器目前二十頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的選擇——酶的應(yīng)用形式固定化酶適用的反應(yīng)器特點：非均相反應(yīng)，多采用連續(xù)式操作影響因素：固定化酶的形狀、顆粒大小、穩(wěn)定性顆粒狀固定化酶/細(xì)胞攪拌罐式反應(yīng)器——槳葉剪切力大，對顆粒有機械強度要求填充床式反應(yīng)器——顆粒堆積密度大；床層壓降大流化床式反應(yīng)器——混合效果好；動力消耗大；有機械強度要求鼓泡式反應(yīng)器——即“三相流化床”非顆粒狀固定化酶/細(xì)胞——膜反應(yīng)器目前二十一頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的選擇——依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)影響因素：1)酶與底物的混合程度要使酶與底物有效結(jié)合，必須保證酶與底物分子有效地碰撞混合效果好攪拌罐式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器混合效果較差填充床式反應(yīng)器膜反應(yīng)器改善混合特性——輔助攪拌目前二十二頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的選擇——依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)影響因素：2)底物濃度及其抑制作用底物的濃度受其對酶抑制情況的制約防止底物濃度過高游離酶酶膜反應(yīng)器連續(xù)式操作攪拌罐式反應(yīng)器流加式操作/連續(xù)式操作固定化酶攪拌罐式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器酶膜反應(yīng)器連續(xù)操作目前二十三頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的選擇——依據(jù)酶反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)影響因素：3)產(chǎn)物濃度及其抑制作用產(chǎn)物的過度積累造成抑制設(shè)法將產(chǎn)物移出反應(yīng)器游離酶——酶膜反應(yīng)器固定化酶——酶膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器影響因素：4)酶反應(yīng)溫度耐高溫酶噴射式反應(yīng)器優(yōu)點：加速反應(yīng)，縮短反應(yīng)時間，催化效率高目前二十四頁\總數(shù)四十六頁\編于一點3、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)：溶解性底物或產(chǎn)物：顯然對任何類型的反應(yīng)器都不會造成困難。顆粒狀和膠體狀底物：往往會堵塞填充床，應(yīng)采用攪拌罐或流化床型反應(yīng)器。因高的攪拌速度，高的流速可減少底物顆粒的集結(jié)、沉積與堵塞，使底物保持懸浮狀態(tài)。反應(yīng)底物或產(chǎn)物有氣體時：常用鼓泡式反應(yīng)器4．反應(yīng)操作要求目前二十五頁\總數(shù)四十六頁\編于一點5、應(yīng)用的可塑性及成本：CSTR類型的反應(yīng)器一般來說應(yīng)用的可塑性較大，且由于結(jié)構(gòu)簡單，制造成本也較低。反應(yīng)器也應(yīng)具有再生、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)。在考慮成本時，除反應(yīng)器造價外，還需將酶本身的價值及其在各種反應(yīng)器中的穩(wěn)定性考慮在內(nèi)。目前二十六頁\總數(shù)四十六頁\編于一點三、酶反應(yīng)器的設(shè)計目的：設(shè)計出生產(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)計依據(jù)：酶促反應(yīng)動力學(xué)以及溫度、壓力、pH等操作參數(shù)對反應(yīng)特性的影響；反應(yīng)器的型式和反應(yīng)器內(nèi)流體流動狀態(tài)及傳熱特性；需要的生產(chǎn)量及生產(chǎn)工藝流程。目前二十七頁\總數(shù)四十六頁\編于一點設(shè)計過程1、確定酶反應(yīng)器的類型2、確定反應(yīng)器的制造材料3、進行熱量衡算4、進行物料衡算目前二十八頁\總數(shù)四十六頁\編于一點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，選擇并確定反應(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)境中進行反應(yīng)，所以酶反應(yīng)器的設(shè)計對制造材料制造反應(yīng)容器即可。沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼目前二十九頁\總數(shù)四十六頁\編于一點3、進行熱量衡算酶催化反應(yīng)一般在30～70℃的常溫條件下進行，熱量衡算較簡單溫度的調(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算。對于某些耐高溫的酶，例如高溫淀粉酶，可以采用噴射式反應(yīng)器，熱量衡算時，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進行計算。目前三十頁\總數(shù)四十六頁\編于一點4、物料衡算

——直接決定了產(chǎn)量和產(chǎn)率(1)確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)(2)計算底物用量(3)計算反應(yīng)液總體積(4)計算酶用量(5)計算反應(yīng)器數(shù)目目前三十一頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的設(shè)計——物料衡算(1)確定酶反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)底物濃度通過米氏方程定量注意底物抑制情況酶濃度考慮生產(chǎn)成本問題，不宜使用過多的酶溫度、pH值采用最適值或在其附近激活劑、抑制劑激活/抑制動力學(xué)目前三十二頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的設(shè)計——物料衡算(2)計算底物用量產(chǎn)量：以“年產(chǎn)量Py（kg/y）”表示分批式：“日產(chǎn)量Pd（kg/d）”連續(xù)式：“每小時產(chǎn)量Ph（kg/h）”產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率YP/S：產(chǎn)物生成量P(kg)與投入底物量S(kg)之比[S0]——

反應(yīng)前的底物濃度，g·L-1[St]——

反應(yīng)后的底物濃度，g·L-1目前三十三頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的設(shè)計——物料衡算(2)計算底物用量收率R：分離得到產(chǎn)物量Psep

和反應(yīng)生成產(chǎn)物量Pform

之比底物用量S：由產(chǎn)量P、轉(zhuǎn)化率YP/S

和收率R

計算得到注意：Py、Pd、Ph

和P

的單位是不同的目前三十四頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的設(shè)計——物料衡算(3)計算反應(yīng)液總體積反應(yīng)液總體積Vt

由底物用量及其初始濃度計算(4)計算酶的用量所需酶量E

為酶濃度[E]與反應(yīng)液體積Vt

的乘積注意1：酶的用量以活力單位U

表示注意2：一般從經(jīng)濟角度來考慮酶的用量目前三十五頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的設(shè)計——物料衡算(5)計算反應(yīng)器數(shù)目反應(yīng)器的有效體積V0單個反應(yīng)器可容納反應(yīng)液的最大體積，一般為總體積的70～80%反應(yīng)器的生產(chǎn)強度QP（連續(xù)式）反應(yīng)器在單位時間內(nèi)，單位體積反應(yīng)液所生產(chǎn)的產(chǎn)物的質(zhì)量，一般以g·L-1·h-1

為單位Ph——每小時獲得的產(chǎn)物量，g·h-1Vh——每小時獲得的反應(yīng)液體積，L·h-1目前三十六頁\總數(shù)四十六頁\編于一點酶反應(yīng)器的設(shè)計——物料衡算(5)計算反應(yīng)器數(shù)目對于分批式反應(yīng)器，用每天獲得的反應(yīng)液總體積Vd

表示：對于連續(xù)式反應(yīng)器，用每小時獲得的反應(yīng)液總體積Vh

表示：或用生產(chǎn)強度QP

計算：目前三十七頁\總數(shù)四十六頁\編于一點四、酶反應(yīng)器的操作實現(xiàn)酶反應(yīng)的高效進行，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。目前三十八頁\總數(shù)四十六頁\編于一點1、流體流動狀態(tài)的控制反應(yīng)器中流動方式的改變造成的不良影響：使酶與底物的接觸不良，造成反應(yīng)器生產(chǎn)能力下降；造成返混程度的變化，可能發(fā)生程度不同的反應(yīng)或使所需產(chǎn)物發(fā)生進一步反應(yīng)及副反應(yīng)。目前三十九頁\總數(shù)四十六頁\編于一點產(chǎn)生原因及對策：攪拌罐型反應(yīng)器原因：攪拌速度不均勻；固定化酶在出料口濾器上積聚對策：控制攪拌速度；在進、出料口各裝一個濾器，在一定時間間隔后，出口濾器用進料液反沖。目前四十頁\總數(shù)四十六頁\編于一點產(chǎn)生原因及對策：填充床型反應(yīng)器原因：壓降不斷加大，載體填充不規(guī)則及底物上柱不均勻產(chǎn)生溝流或部分堵塞；柱入口處沉積或者底物流量很大或使用高粘性底物時產(chǎn)生的內(nèi)、外壅塞現(xiàn)象。對策：使用較大的、不可壓縮的、光滑的、珠型的填充材料，均勻填充及嚴(yán)格控制好流速；反沖洗柱床或重新裝柱，間隔通上行空氣流，以及對底物進行預(yù)處理可避免柱的壅塞。目前四十一頁\總數(shù)四十六頁\編于一點2、酶反應(yīng)器的穩(wěn)定性保持酶反應(yīng)器的穩(wěn)定性，主要是防止酶的變性或中毒失活，防止固定化酶的脫落或載體磨損造