南京林業(yè)大學(xué)酶工程8酶反應(yīng)器

酶反應(yīng)器概述用于酶進(jìn)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(chǎng)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)過程示意圖本文檔共42頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的基本要求評(píng)價(jià)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(dá)到最大轉(zhuǎn)化率能用電腦自動(dòng)檢測(cè)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，避免受到雜菌污染本文檔共42頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分一、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)器分類本文檔共42頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(shí)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)僅適用于固定化酶本文檔共42頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：反應(yīng)效率低，攪拌動(dòng)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(jìn)：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(gè)攪拌罐串聯(lián)。本文檔共42頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(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。本文檔共42頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分2、填充床式反應(yīng)器適用性：僅適用于固定化酶優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)接近“平推流”，沿流動(dòng)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(diǎn)：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(jìn)入。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本文檔共42頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(jìn)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(diǎn)：底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)。注意控制反應(yīng)液的流動(dòng)速度。適用性：固定化酶本文檔共42頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分3、流化床反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：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(huì)很高。缺點(diǎn)：需保持一定的流速，運(yùn)轉(zhuǎn)成本高；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；流體動(dòng)力學(xué)變化大，參數(shù)復(fù)雜，難于放大。本文檔共42頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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)。本文檔共42頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分鼓泡式反應(yīng)器的特點(diǎn)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(duì)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)器本文檔共42頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(duì)象分為：游離酶膜反應(yīng)器固定化酶膜反應(yīng)器本文檔共42頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分膜反應(yīng)器的特點(diǎn)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(duì)酶有抑制作用時(shí)酶易在膜上吸附損失或濃縮極化膜會(huì)因?yàn)槲廴净蛭⒖锥氯鴮?dǎo)致工作能力下降放大成本高昂5、膜反應(yīng)器本文檔共42頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(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(jìn)入下一工序進(jìn)行分離。本文檔共42頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分優(yōu)點(diǎn)：酶可重復(fù)利用，特別適用于價(jià)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(chǎng)合；缺點(diǎn)：酶的長期操作穩(wěn)定性差，且酶易在膜上吸附損失。本文檔共42頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分6.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。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(shí)間內(nèi)完成催化反應(yīng)。適用于：高溫游離酶，如高溫淀粉酶。本文檔共42頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分反應(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(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)本文檔共42頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(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(dòng)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)器的選擇本文檔共42頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的選擇——酶的應(yīng)用形式游離酶適用的反應(yīng)器特點(diǎn)：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)器本文檔共42頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(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(diǎn)：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(duì)顆粒有機(jī)械強(qiáng)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(dòng)力消耗大；有機(jī)械強(qiáng)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)器本文檔共42頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的選擇——依據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)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——輔助攪拌本文檔共42頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的選擇——依據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)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(duì)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)操作本文檔共42頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的選擇——依據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)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(diǎn)：加速反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，催化效率高本文檔共42頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(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：往往會(huì)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(shí)：常用鼓泡式反應(yīng)器4．反應(yīng)操作要求本文檔共42頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(shí)，除反應(yīng)器造價(jià)外，還需將酶本身的價(jià)值及其在各種反應(yīng)器中的穩(wěn)定性考慮在內(nèi)。本文檔共42頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分三、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)器的型式和反應(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。本文檔共42頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分設(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)行物料衡算本文檔共42頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(jìn)行反應(yīng)，所以酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)制造材料制造反應(yīng)容器即可。沒有什么特別要求，一般采用不銹鋼本文檔共42頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分3、進(jìn)行熱量衡算酶催化反應(yīng)一般在30～70℃的常溫條件下進(jìn)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(jì)算。對(duì)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(shí)，根據(jù)所使用的水蒸氣熱焓和用量進(jìn)行計(jì)算。本文檔共42頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分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(dòng)力學(xué)參數(shù)(2)計(jì)算底物用量(3)計(jì)算反應(yīng)液總體積(4)計(jì)算酶用量(5)計(jì)算反應(yīng)器數(shù)目本文檔共42頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)——物料衡算(1)確定酶反應(yīng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)本文檔共42頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)——物料衡算(2)計(jì)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(shí)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本文檔共42頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)——物料衡算(2)計(jì)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(jì)算得到注意：Py、Pd、Ph

和P

的單位是不同的本文檔共42頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)——物料衡算(3)計(jì)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(jì)算(4)計(jì)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(jì)角度來考慮酶的用量本文檔共42頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)——物料衡算(5)計(jì)算反應(yīng)器數(shù)目反應(yīng)器的有效體積V0單個(gè)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(qiáng)度QP（連續(xù)式）反應(yīng)器在單位時(shí)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(shí)獲得的產(chǎn)物量，g·h-1Vh——每小時(shí)獲得的反應(yīng)液體積，L·h-1本文檔共42頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)——物料衡算(5)計(jì)算反應(yīng)器數(shù)目對(duì)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(duì)于連續(xù)式反應(yīng)器，用每小時(shí)獲得的反應(yīng)液總體積Vh

表示：或用生產(chǎn)強(qiáng)度QP

計(jì)算：本文檔共42頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分四、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。本文檔共42頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\22點(diǎn)3分1、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，可能發(fā)生程度不同的反應(yīng)或使所需產(chǎn)物發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)及副反應(yīng)。本文檔共42頁；當(dāng)