第八章酶反应器

null 第八章 酶反应器 第八章 酶反应器酶反应器：以酶作为催化剂进行反应所需的设备。 主要指游离酶、固定化酶或固定化细胞催化反应的容器。 第一节酶反应器的类型第一节酶反应器的类型 null一、搅拌罐式反应器（STR） 传统形式的反应器，较常用。 结构组成：容器、搅拌器及热交换装置，有时在容器壁上加装挡板。 1.分批搅拌罐式反应器 操作：分批式或半分批式。 特点：结构简单，不需 特殊设备，适于小 规模生产。 null2、连续搅拌罐式反应器（CSTR） 又称连续搅拌釜式反应器 只适用于固定化酶的催化 反应 底物溶液进口null 二、填充床式反应器（PCR） 又称固定床反应器 当前工业上多数采用此类反应器。 结构：将颗粒状或片状固定化酶填充于其中构成。 操作特点：底物按一定方向以恒定速度通过固定化酶床层，流动状态接近活塞流，故属于理想的、没有返混的活塞流反应器（PFR）。null特点： 优点：单位体积催化剂负荷量大，反应效率高，由于产物浓度沿反应器长度是逐渐增高的，故与连续搅拌罐式反应器相比，可减少产物的抑制作用。 缺点：温度与pH难以控制，底物和产物会产生轴向浓度分布，清洗和更换固定化酶较麻烦。床内有自压缩倾向，易堵塞，且床内压力降相当大，底物必须加压输入。 null 三、流化床反应器（FBR） 结构： 装有较小颗粒的垂直塔式反应器，反应器形状可为柱形或锥形等。 操作特点： 底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度可认为是介于连续搅拌罐式反应器和填充床式反应器之间。null 特点： 优点：具有良好的传质及传热性能。pH、温度控制及气体的供给比较容易；不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体；能处理粉末状底物；即使细小颗粒的固定化酶，压力降也不会很高。 缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大；由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损；由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高；由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 null四、鼓泡式反应器（BCR） 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部以切线方向进入。 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。五、膜反应器（MR）五、膜反应器（MR）由膜状或板状固定化酶组装的反应器。 包括平板状或螺旋状反应器、转盘型反应器、空心酶管和中空纤维膜反应器。 nullnullnull 中空纤维膜反应器 结构：数千根醋酸纤维制成的中空纤维不对称膜构成，酶被固定在海绵状支撑层中。反应器形状可为管或列管式。 操作：正常超滤操作方式将底物压过内壁与海绵状介质上酶起反应。 特点：可承受较高的操作压力，比表面积大，但易发生浓度极化或孔易堵塞。null 游离酶膜酶反应器（超滤膜酶反应器） 结构组成： 主要由反应器及膜组件构成。用于游离酶催化的反应。 膜：超滤膜或透析膜等，形状有平板状、管状、螺旋状和中空纤维状。 操作：分批或连续。 特点： 优点：酶可重复利用，特别适用于价格较高的酶。可用于胶态或不溶性底物，特别适用于有产物抑制的场合； 缺点：酶的长期操作稳定性差，且酶易在膜上吸附损失，或发生浓差极化。null六、喷射式反应器 适用于耐高温的游离酶催化反应。 特点：混合均匀、反应速度快、效率高null第二节 酶反应器的选择第二节 酶反应器的选择一、根据酶的应用形式选择反应器 1.游离酶反应器的选择 搅拌罐式反应器（STR） 鼓泡式反应器（BCR） 适用于有气体参加的酶催化反应 游离酶膜酶反应器 酶可回收利用，主要用于价格较高的酶 喷射式反应器 用于一些耐高温的酶 null2.固定化酶反应器的选择 主要根据酶的形状、大小及机械强度选择 固定化酶的形状：主要有粒状、膜状和纤维状。粒状是最常用的，可采用搅拌罐、固定床、流化床和鼓泡塔；对于膜状催化剂，则考虑采用膜反应器。 对于颗粒细小的粒状酶不宜采用固定床反应器，以采用流化床较为相宜。 包埋法制备的固定化酶机械强度较差，对搅拌罐来说，要防止搅拌桨叶的剪切力对其造成的损伤；对固定床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适当隔开。null二、根据酶反应动力学性质选择反应器 酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其影响因素的学科。在选择酶反应器时主要考虑酶与底物的混合程度、底物浓度对酶反应速度的影响、产物对酶的反馈抑制作用以及温度条件等因素。null1.搅拌罐式反应器（STR）、流化床反应器（FBR）混 合效果较好。 2.对于具有高浓度底物的抑制作用的酶若用搅拌 罐式反应器（STR），可用流加分批反应的操作方式，或采用连续反应的操作方式避免高浓度底物的抑制作用。 3.对于产物对酶有反馈抑制作用的酶 游离酶反应选用膜反应器. 固定化酶反应选用填充床式反应器。 4.耐高温的酶可选用喷射式反应器. null高浓度底物的抑制效应的原因 1.高浓度底物下无效复合物的生成 对酶的专一性研究指出．许多酶有几个结合基团，每个基团与底物分子中的一个特殊部位结合。在有效酶—底复合物中．一个底物分子与酶上所有结合基团结合。而在无效复合物中，酶的一些结合基团结合在一个底物分子上，而另一些结合基团则结合在另外的底物分子上。在高浓度底物下，底物分子群集于酶分子周围，因而增加了生成无效复合物的机会，使酶的活性部位结合着两个或更多个底物分子。null2．高浓度底物对溶剂浓度的影响而产生的抑制作用 由于酶促反应在水溶液中进行，极高底物浓度意味着降低了水的浓度，因而使反应速度降低。特别是以水作为底物之一的反应会产生这种效应。例如．高浓度蔗糖能抑制ß—D—果糖苷酶的活性，就是由于蔗糖降低了水的浓度而造成。 null3．极高底物浓度降低酶促反应活化剂浓度，而使酶促反应受到抑制。 4．高浓度底物中含有的高浓度杂质．可能作为混合型或反竞争性抑制剂而起作用，抑制酶促反应速度。 null三、根据底物或产物的理化性质选择反应器 1.分子量较大不用膜反应器。 2.溶解性差，黏度高不用填充床式和膜反应器。 3.底物为气体时用鼓泡式反应器。 4.需要小分子物质作辅酶的酶催化反应不采用膜反应器。null 第三节 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、确定酶反应器的类型 二、确定酶反应器的制造材料 一般用不锈钢 三、进行热量恒算 四、进行物料恒算 null1.酶反应动力学参数的确定 底物浓度、酶浓度、最适温度、pH值激活剂浓度等。 2.计算底物用量 根据产量的要求、产物转化率、和收得率计算 产物转化率： P： 生成的产物量 S： 投入的底物量 在无副产物的情况下： null收得率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。 底物用量（S）null3.计算反应液的总体积 4.计算酶用量 E=[E].Vtnull5.计算反应器的数目 1).分批反应器 2)连续反应器2)连续反应器null反应器的生产强度(Qp) 反应器每小时每升反应液所生产的产物nullnull第四节 酶反应器的操作 一、酶反应器操作条件的确定及其调控 1.反应温度的确定与调节控制 将温度控制在最适温度 2.pH值的确定与调节控制 通常采用稀酸或稀碱调节，必要时也可用缓冲液维持。 3.底物浓度的确定与调节控制 确定一个最适底物浓度，通常为5-10倍Km。 连续反应器中底物浓度保持恒定。 4.酶浓度的确定与调节控制 综合考虑反应速度和成本，确定适宜的酶浓度。 null5.搅拌速度的确定与调节控制 通过实验确定适宜的搅拌速度，速度过慢混合效果不好，太快会破坏酶或固定化酶的结构。 6.流动速度的确定与调节控制 流化床 速度过慢混合效果不好，太快会破坏酶或 固定化酶的结构 填充床 流速慢反应完全，但生产效率低 膜反应器 控制流速减少浓差极化 喷射式反应器 通过控制蒸汽压力和喷射速度调节 null二、酶反应器操作的注意事项 1.保持酶反应器的操作稳定性 2.防止酶的变性失活 引起酶变性的最主要因素：温度、pH、重金属离子和剪切力。 null3.防止微生物的污染 酶反应器通常不必在完全无菌的条件下操作，但应在具备必要的卫生条件下进行操作，以下情况 下尤其应加以注意： 在制造食品和医药产品时，最好尽量做到无菌条件下操作。 底物是微生物生长所需的营养物时，易产生微生物污染。 底物在反应器中存留时间长或反应器内有易滋生菌落的滞留区或粗糙表面，也易引起污染。 null污染后果： 微生物引起的柱堵塞； 消耗底物或产物； 产生令人厌恶的副产物； 使固定化酶载体降解。 防止措施： 产物是抗生素、酒精、有机酸等时，则其本身能抑制微生物生长； 向底物加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂； 将底物料液预先过滤； 45℃以上或在酸性、碱性缓冲液中操作； 酶反应器在每次使用后，或在连续运转过程中周期性用适当试剂处理。