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酶工程_09-酶反应器-2012讲述

酶 工 程 Enzyme Engineering 第 九 课 酶 反 应 器 Reactors for Enzymatic Catalysis 酶 反 应 器 酶反应器概述 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备,称为酶反应器(enzyme reactor) 功能:提供酶催化反应的场所,并提供合适的反应条件 酶反应器 消毒 原料 预处理 产物分离提纯 生物催化剂(酶、细胞) 除菌 能量 热量 产品 空气 过程调控 酶 反 应 器 酶反应器的基本要求 评价生物反应器的主要标准 生产能力的大小 产品质量的高低 —— 使产品的质量最高,生产成本最低! 生物 反应器 生物催化剂应具有较高的比活和浓度,以达到最大转化率 能用计算机自动检测和调控, 从而获得最佳的反应条件 应具有良好的传质和混合性能 应具有最佳的无菌条件, 避免受到杂菌污染 酶 反 应 器 本章主要内容 酶反应器的类型 酶反应器的选择 酶反应器的设计 酶反应器的操作 酶 反 应 器 酶反应器的类型 —— 根据反应器结构的不同分类 搅拌罐式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器 鼓泡式反应器 膜反应器 喷射式反应器 酶 反 应 器 酶反应器的类型 搅拌罐式反应器(stirred tank reactor,STR) 最常用的生物反应器,俗称“发酵罐” 反应器组成 反应罐体 机械搅拌部分 恒温装置 搅拌式反应器操作方式 分批式(batch) 流加分批式(feeding batch) 连续式(continuous) 反应 罐体 机械搅拌 部分 恒温 装置 酶 反 应 器 酶反应器的类型 搅拌罐式反应器 —— 分批式 底物与酶一次性投入反应器内,反应后,产物一次性取出 如果采用固定化酶(细胞),反应完成之后,用过滤法或超滤法回收,再转入下一批反应 搅拌桨剪切力大,可能破坏固定化酶的结构,故一般适用于游离酶 / 细胞 操作过程染菌的几率较小 Subtrate Cells 时间 浓 度 0 酶 反 应 器 酶反应器的类型 搅拌罐式反应器 —— 流加式 先将一部分底物和酶(细胞)加入反应器中,随着反应的进行,底物浓度逐渐降低,然后再连续或分批添加底物;反应结束后,产物一次性取出 高浓度底物对酶具有抑制作用时往往采用流加式反应器 操作特点和分批式相似,但染菌的几率较高,应注意添加料液的无菌处理 Subtrate 时间 浓 度 Cells 0 酶 反 应 器 酶反应器的类型 搅拌罐式反应器 —— 连续式 仅适用于固定化酶(细胞) 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泵入底物溶液,同时以相同流速输出反应液(含产物) 流速保持恒定,但不能过大 反应条件调节、控制较容易 染菌风险高,料液和管路的无菌要求高 Subtrate Cells 时间 浓 度 0 酶 反 应 器 酶反应器的类型 搅拌罐式反应器的特点 结构简单 内容物混合均匀,传质阻力较小 反应条件容易控制 底物适用范围广:对可溶性、不溶性、胶体状底物均适用 搅拌动力消耗大 固定化酶的结构容易受剪切力影响而破坏 酶 反 应 器 酶反应器的类型 填充床式反应器 (packed bed reactor,PBR) 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床(填充床,可直立或平放)内,底物按一定方向以恒定流速通过床层,反应后,产物以同样恒定的流速流出 床层内的流动接近“平推流” 沿流动方向,底物和产物浓度是逐渐变化的,但在理想情况下,同一横截面上浓度是相同的 Subtrate Product 轴向位移 x 浓 度 0 酶 反 应 器 酶反应器的类型 循环式填充床反应器 将填充床和循环槽偶联,不断补充含有底物的新鲜料液,并及时分离出产物,可以减少产物抑制,保证产物的连续生产。 酶 反 应 器 酶反应器的类型 填充床式反应器的特点 单位体积催化剂负载量高,催化效率高 可减少产物抑制 流体垂直向下流动时,底部的固定化酶颗粒受到床层压力较大(床层的垂直压降),颗粒容易破碎 流体在床层内微观流动形态复杂,存在“沟流”和“短路”现象,特别是颗粒不均一或填充不均匀时 床层有发生堵塞的可能 酶 反 应 器 酶反应器的类型 流化床式反应器 (fluidized bed reactor,FBR) 通过流体至下而上的流动使固定化酶颗粒在悬浮翻腾状态下进行催化反应的反应器 液体的混合程度介于 CSTR 和 PBR 之间 颗粒大小、密度差异不能太大,否则易被“吹出” 操作速率 U 应满足的条件 起始流化速率 终端沉降速率 酶 反 应 器 酶反应器的类型 循环式流化床反应器 将流化

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