第9章 酶反应器.ppt

第九章 酶反应器 酶的应用形式 2. 酶反应器的类型与特点 3. 酶反应器的选择与使用 4. 酶反应器的设计 5. 酶反应器的操作与注意事项 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 选择酶反应器的选择需要考虑的因素： 酶适宜的应用形式选择 适宜的反应器的选择 适宜的反应器操作条件的选择 第一节 酶的应用形式 应用形式 （1）游离酶 （2）固定化酶：主要用于物质转化、产品加工、工艺改进及三废处理。 （3）完整细胞：主要利用细胞内各种酶在物质转化、三废处理等过程中发挥作用。 第二节 酶反应器的类型和特点 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。 评价生物反应器的主要标准： 反应器生产能力的大小和产品质量的高低。 二、酶反应器的类型与特点 按结构区分 搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器 膜反应器 按操作方式区分 分批式反应 连续式反应 流加分批式反应 混合形式 连续搅拌罐反应器 分批搅拌罐反应器 常见的酶反应器类型及特点 1、搅拌罐式反应器 搅拌罐式反应器，是带有搅拌装置的一种反应器，由反应罐、搅拌器和保温装置等部分组成。 分批搅拌罐式反应器 连续搅拌罐式反应器 （1）分批搅拌罐式反应器 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 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。 2、 填充床反应器 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）。 优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。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。 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PBR。 3、 流化床反应器 特点是：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。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。 4、 鼓泡式反应器 鼓泡式反应器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。也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。 5、 膜反应器 膜反应器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。 中空纤维反应器 中空纤维反应器是由外壳和数以千计的高分子聚合物制成的中空纤维组成，中空纤维的壁上分布着许多孔径均匀的微孔，可以截留大分子物质而允许小分子物质通过。 酶笃定在外壳与中空纤维的外壁之间，底物和空气在中空纤维管内流动，底物透过中空纤维的微孔与酶分子接触进行催化反应，小分子的反应底物再透过中空纤维孔进入中空纤维管内，随着反应液流出反应器，搜集流出液就可分离反应产物。 6、喷射式反应器 喷射式反应器：是利用高压蒸汽的喷射作用实现底物和酶的混合，从而进行