南京林业大学酶工程-8酶反应器.ppt

酶反应器的选择 —— 依据酶反应动力学性质 影响因素：1) 酶与底物的混合程度 要使酶与底物有效结合，必须保证酶与底物分子有效地碰撞 混合效果好 搅拌罐式反应器 流化床式反应器 鼓泡式反应器 混合效果较差 填充床式反应器 膜反应器 改善混合特性 —— 辅助搅拌 酶反应器的选择 —— 依据酶反应动力学性质 影响因素：2) 底物浓度及其抑制作用 底物的浓度受其对酶抑制情况的制约 ? 防止底物浓度过高 游离酶 酶膜反应器 ? 连续式操作 搅拌罐式反应器 ? 流加式操作 / 连续式操作 固定化酶 搅拌罐式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器 酶膜反应器 连续操作 酶反应器的选择 —— 依据酶反应动力学性质 影响因素：3) 产物浓度及其抑制作用 产物的过度积累造成抑制 ? 设法将产物移出反应器 游离酶 —— 酶膜反应器 固定化酶 —— 酶膜反应器、填充床式反应器 影响因素：4) 酶反应温度 耐高温酶 ? 喷射式反应器 优点：加速反应，缩短反应时间，催化效率高 3、底物和产物的理化性质： 溶解性底物或产物：显然对任何类型的反应器都不会造成困难。 颗粒状和胶体状底物：往往会堵塞填充床，应采用搅拌罐或流化床型反应器。因高的搅拌速度，高的流速可减少底物颗粒的集结、沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。 反应底物或产物有气体时：常用鼓泡式反应器 4．反应操作要求 5、应用的可塑性及成本： CSTR类型的反应器一般来说应用的可塑性较大，且由于结构简单，制造成本也较低。 反应器也应具有再生、添加或更换酶的结构，且越容易越好，另外，必须具备容易清洗的结构。 在考虑成本时，除反应器造价外，还需将酶本身的价值及其在各种反应器中的稳定性考虑在内。 三、酶反应器的设计 目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反应器。 设计依据： 酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影响； 反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性； 需要的生产量及生产工艺流程。 设计过程 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算 4、进行物料衡算 1、确定酶反应器的类型 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 酶催化反应通常在常温、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制造反应容器即可。没有什么特别要求，一般采用不锈钢 3、进行热量衡算 酶催化反应一般在30～70℃的常温条件下进行，热量衡算较简单 温度的调节控制通常采用一定温度的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，热量衡算是根据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，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。 4、物料衡算 —— 直接决定了产量和产率 (1) 确定酶反应动力学参数 (2) 计算底物用量 (3) 计算反应液总体积 (4) 计算酶用量 (5) 计算反应器数目 酶反应器的设计 —— 物料衡算 (1) 确定酶反应动力学参数 底物浓度 通过米氏方程定量 注意底物抑制情况 酶浓度 考虑生产成本问题，不宜使用过多的酶 温度、pH 值 ? 采用最适值或在其附近 激活剂、抑制剂 ? 激活 / 抑制动力学 酶反应器的设计 —— 物料衡算 (2) 计算底物用量 产量：以“年产量 Py（kg/y）”表示 分批式：“日产量 Pd（kg/d）” 连续式：“每小时产量 Ph（kg/h）” 产物转化率 YP/S：产物生成量 P (kg) 与投入底物量 S (kg) 之比 [S0] —— 反应前的底物浓度，g·L-1 [St] —— 反应后的底物浓度，g·L-1 酶反应器的设计 —— 物料衡算 (2) 计算底物用量 收率 R：分离得到产物量 Psep 和反应生成产物量 Pform 之比 底物用量 S：由产量 P、转化率 YP/S 和收率 R 计算得到 注意：Py、Pd、Ph 和 P 的单位是不同的 酶反应器的设计 —— 物料衡算 (3) 计算反应液总体积 反应液总体积 Vt 由底物用量及其初始浓度计算 (4) 计算酶的用量 所需酶量 E 为酶浓度 [E] 与反应液体积 Vt 的乘积 注意 1：酶的用量以活力单位 U 表示 注意 2：一般从经济角度来考虑酶的用量 酶反应器的设计 —— 物料衡算 (5) 计算反应器数目 反应器的有效体积 V0 单个反应器可容纳反应液的最大体积，一般为总体积的 70～80% 反应器的生产强度 QP （连续式）反应器在单位时间内，单位体积反应液所生产的产物的质量，一般以 g·L-1·h-1 为单位 Ph —— 每小时获得的产物量，g·h-1 Vh —— 每小时获得的反应液体积，L·