第五节 酶反应器

null第五节 酶反应器第五节 酶反应器一. 什么是酶反应器二. 理想的酶反应器的要求三. 各种酶反应器的特点四. 酶反应器的选择和使用五. 酶反应器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一. 什么是酶反应器一. 什么是酶反应器酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和反应的速度。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。酶反应器有两种类型：一类是直接应用游离酶进行反应的均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行反应的非均相酶反应器。均相酶反应可在批式反应器或超滤膜反应器中进行，而非均相酶反应则可在多种反应器中进行。null酶催化反应过程示意图酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。二. 理想的酶反应器的要求二. 理想的酶反应器的要求生物反应器设计的主要目标： 使产品的质量最高，生产成本最低。 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 生物反应器的主要 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ： 反应器生产能力的大小和产品质量的高低。(4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。(2) 能用电脑自动检测和调控，获得最佳的反应条件。(3)有良好的传质和混合性能。传质指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。常见的酶反应器类型常见的酶反应器类型按结构区分 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 填充床式反应器(packed column reactor, PCR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 膜反应器(Membrane Reactor, MR) 常见的酶反应器类型常见的酶反应器类型按操作方式区分 分批式反应(batch ) 连续式反应(continuous ) 流加分批式反应(feeding batch ) 混合形式 连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） null三. 各种酶反应器的特点三. 各种酶反应器的特点三. 各种酶反应器的特点三. 各种酶反应器的特点1. 间歇式酶反应器1. 间歇式酶反应器又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。2. 连续式酶反应器2. 连续式酶反应器又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。 缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。3. 填充床反应器3. 填充床反应器又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床；然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。 它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。优点：高效率、易操作、结构简单等，是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。 缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用。4. 流化床反应器4. 流化床反应器其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。 特点：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。5. 鼓泡式反应器5. 鼓泡式反应器鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器，是一种无搅拌装置的反应器。 鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。 鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。 6. 膜反应器6. 膜反应器膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。 用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。 膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状，常用的是中空纤维反应器。null连续搅拌罐—超滤膜反应器 简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。 起进入膜分离器进行分离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。游离酶在膜反应器中催化反应时，底物连续地进入反应器，酶在反应容器的溶液中与底物反应后，酶与反应产物一四. 酶反应器的选择和使用四. 酶反应器的选择和使用影响酶反应器选择的因素很多，但一般考虑：1. 酶反应器的选择通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用填充床反应器（PBR）； 颗粒状、粉末状及片状固定化酶可使用于连续式搅拌罐（CSTR），膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。在应用游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，通过互相作用，进行催化反应。可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。1. 酶反应器的选择1. 酶反应器的选择可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可选用FBR。颗粒状底物溶液可适用于CSTR。当反应过程需要控制温度、调节pH时，选用CSTR更为方便。在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上脱落下来，或者由于磨损而使粒度变细，从而影响了固定化酶的操作稳定性。1. 酶反应器的选择2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用（1）酶的稳定性 对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要用酸或碱来调节反应液pH。如果局部的pH过高或过低，就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这时，可用加快搅拌已促使混合均匀。 如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或损失。造成固定化酶活性损失的原因： 酶本身的失活； 酶从载体上脱落； 载体的破碎或溶解。 2. 酶反应器的使用（2）防止微生物污染 可向底物中加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂等物质或用其冲洗反应器，并认真做好消毒工作，可用酸性水、臭氧水、季铵盐、ClO2等。2. 酶反应器的使用但是，在进行所有这些操作之前，必须考虑这些操作是否会影响固定化酶的稳定性。一般情况下，当产物为抗生素、酒精、有机酸等能抑制微生物生长的物质时，污染机会可减少。 2. 酶反应器的使用（3）做好酶反应器的性能评价 空时：底物在反应器中的停留时间，数值上等于反应器体积与底物体积流速之比。 转化率：每克底物中有多少被转化为产物。 生产能力：亦称生产强度，单位时间（h）单位体积（L）反应器生产产品的质量（g），这也是在酶反应器设计时需要注意的事项。2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用（4）生产能力的控制 在使用填充床式反应器的情况下，可以通过反应器的流速控制来达到恒定的生产能力。 在反应过程中，随时间的推移而出现的酶活性丧失可通过提高温度、增加酶活性来补偿。现在普遍采用将若干使用不同时间或处于不同阶段的柱反应器串联的方法与上述方法之一相结合。2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用尽管每根柱的生产能力不断衰减，但由于新柱不断地代替活性已耗尽的柱，总的固定化酶量不随时间而变化。增加柱反应器数量可获得更好的操作适用范围。 由于在串联操作中物流较小，压降及压缩问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 较大。如果采用并联法则具有最好的操作稳定性，每个反应器基本可以独立操作，能随时并人或撤离运转系统。 2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用（5）酶反应器中流动方式的控制 酶反应器在运作时，流动方式的改变会使酶与底物接触不良，造成反应器生产力下降； 流动方式的改变造成返混程度变化，也为副反应的发生提供了机会。 因而在连续搅拌罐型反应器或流化床反应器中，应控制好搅拌速度。 2. 酶反应器的使用2. 酶反应器的使用由于生物催化剂颗粒的磨损随切变速率、颗粒占反应器体积的比例的增加而增加，而随悬浮液流的黏度和载体颗粒的强度的增加而减少；目前人们正试图通过采用磁性固定化酶的方法来解决搅拌速度控制的问题。 在填充床式反应器中，流动方式还与柱压降的大小密切相关；而柱高和通过柱的液流流速是柱压降的主要决定因素，为减少压降作用，可以使用较大的、不易压缩的、光滑的珠形填充材料均匀填装。 五. 酶反应器的设计五. 酶反应器的设计（1）确定酶反应器的类型 酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。 （2）确定反应器的制造材料 由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。五. 酶反应器的设计（3）进行热量衡算 酶催化反应多在30～70℃的常温下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，常采用一定温度的热水或冷水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温度的调节控制，热量衡算是根据热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，据所用的水蒸气热焓和用量进行计算。 （4）进行物料衡算 动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量。五. 酶反应器的设计思考题思考题1什么是酶反应器、空时 2常见的酶反应器类型及其特点 3酶反应器的设计原则 4理想的酶反应器的要求