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第七章 酶反应器;第一节 酶反应器的特点与类型;一、酶反应器的类型
搅拌罐型反应器
固定床型反应器
流化床型反应器
膜式反应器
鼓泡塔型反应器;(一)搅拌罐型(Stirred Tank Reacter, STR)
有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。
1. 分类:
1)分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR)适用的酶:游离酶、固定化酶;2. 适用的操作方式:
分批式、流加分批式、连续式 3.优点:
结构简单,酶与底物混合充分均匀,传质阻力小,反应条件易控制,能处理胶体状底物、不溶性底物。
4. 缺点:
反应效率低,载体易被破坏,搅拌动力消耗大,回收过程酶易损失。
5. 改进:
在反应器出口装上滤器,或用尼龙网罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶,或多个搅拌罐串联。;(二)固定床型(也称填充床,Packed Bed Reactor, PBR )把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内,底物按一定
方向以恒定速度通过反应床。
在其横截面上液体流动速度完全相同,沿流动方向底物及产物的浓度逐渐变化,但同一横切面上浓度一致。又称活塞流反应器(Plug Flow Reactor, PFR)
适用于:固定化酶。;优点:可使用高浓度的催化剂。
与CSTR相比,可减少产物的抑制作用(产物浓度沿反应器长度逐渐增高 )。
缺点:①温度和pH难以控制;
②底物和产物会产生轴向浓度分布;
③清洗和更换部分固定化酶较麻烦。
床内压力降大,底物必须在加压下才能进入。;(三)流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR)
装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。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。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。
适用于:固定化酶。;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,可适用于处理黏度高的液体;能处理粉末状底物;
即使应用细颗粒的催化剂,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,易导致颗粒的机械破损;流化床的空隙体积大,酶的浓度不高;
底物高速流动使酶冲出,降低了转化率。改进:使底物进行循环,??免催化剂。
使用几个流态化床组成的反应器组,或使用锥形流态化床。;(四)膜式反应器(Membrane Reactor)
将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。适用于:游离酶、固定化酶。
1. 游离酶膜反应器;2. 固定化酶膜反应器
由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器。分类:
平板状或螺旋状反应器
转盘型反应器
空心酶管反应器
中空纤维膜反应器;平板状或螺旋状反应器特点:
压力降小;
膜面积清晰;
放大容易 。
单位体积催化剂有效面积小。;2)转盘型反应器
以包埋法为主,制备成固定化酶凝胶薄板(成型为圆盘状或叶片状),然后装配在转轴上,并把整个装置浸在底物溶液中,更换催化剂方便。
有立式和卧式两种,卧式适用于需氧反应或产物有挥发性物,广泛应用于水处理装置。;3)空心酶管反应器
酶固定在细管的内壁上,底物溶液流经细管时,只有与管壁接触的部分进行酶反应。
管内径1mm,管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在一起,用于定量分析。;4)中空纤维膜反应器
由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维 (内径200μm -500μm,外径300μm -900μm)。组成。;反应器的形状为管式或列管式,中空纤维可承受较大压力,通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。;(五)鼓泡塔型反应器
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和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。
适用于:游离酶、固定化酶
在使用固定化酶进行催化反应时,反应系统中存在固、液、气三相,又称为三相流化床反应器。;二、酶反应器的发展
1. 含有辅助因子再生的酶反应器问题由来
许多酶反应都需要辅因子的协助,如辅酶、辅基、能量供给体等。这些辅因子价格昂贵,需再生循环使用才能降低成本,因而发展了辅因子再生酶反应器。
例
利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依靠半透膜能将固定化NAD保留在反应器内,实现了 NAD的再生于循环使用。;2.两相或多相反应器问题由来
许多底物不溶于水或微溶于水,如脂肪、类脂肪或极性较低的物质,进行酶反应时有浓度低,反应体积大,分离困难、能耗大的缺点。
解决办法:
使酶反应在有机相中进行,可增加反应物浓度,还可减少底物,特别使产物对酶的抑制作用。;3. 固定化多酶反应器
将多种酶固定化后,制成多酶反应器,模拟微生物细 胞的多酶系统,进行多种酶的顺序
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