第八章 酶反应器

1. 第八章 酶反应器 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。

2. 第一节 酶反应器的类型 • 按照结构不同可分为： • 搅拌罐式反应器(stirred tank reactor,STR) • 鼓泡式反应器(bubble column reactor,BCR) • 填充床式反应器(packed column reactor,PCR) • 流化床式反应器(fluidized bed reactor,FBR) • 膜反应器(membrane reactor) • 喷射式反应器

3. 发酵罐 一、搅拌罐式反应器 由反应罐、搅拌器和保温装置组成。 1、分批搅拌罐式反应器 优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀， 传质阻力小，反应较完全，反应条件易于调节控制。 缺点：用于游离酶，酶难以回收。 用于固定化酶，反应器利用率较低，而且可能对固定化酶的结构造成破坏。

4. 2、连续搅拌罐式反应器 只适用于固定化酶的催化反应。 反应液出口 • 优点：设备简单，操作方便，反应条件易于调节控制，底物与固定化酶接触较好，传质阻力低，反应器利用率较高。 • 需注意控制好搅拌速度。 底物溶液进口

5. 二、填充床式反应器 反应产物出口 把催化剂填充在填充床（固定床）中的反应器叫做填充床型反应器。 固定化酶 底物溶液进口

6. 这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器，它具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高等优点，特别适合于存在底物抑制的催化反应。这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器，它具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高等优点，特别适合于存在底物抑制的催化反应。 但也存在下列缺点： ①温度和pH值难控制；②底物和产物会产生轴向分布易引起相应的酶失活程度也呈轴向分布；③更换部分催化剂相当麻烦；④柱内压降相当大，底物必须加压后才能进人。⑤固定化酶颗粒所受压力较大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎。

7. 三、流化床反应器 反应产物出口 适用于固定化酶进行连续催化。但固定化酶颗粒不应过大，同时应具有较高的强度。 在操作时需注意控制好底物溶液和反应液的流动速度。 固定化酶 底物溶液进口

8. 优点：混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值易于调节控制，不易堵塞，对黏度较大的反应液也可进行催化，能处理粉状底物、压降较小，也很适合于需要排气供气的反应。优点：混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值易于调节控制，不易堵塞，对黏度较大的反应液也可进行催化，能处理粉状底物、压降较小，也很适合于需要排气供气的反应。 缺点：需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且固定化酶颗粒易于被破坏，流体动力学变化较大，参数复杂，放大较为困难。 目前，流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白质。 

9. 四、鼓泡式反应器 可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。 排气口 可以用于连续反应，也可用于分批反应。 结构简单、操作方便，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。 反应液出口 底物溶液进口 空气分布器 进气口

10. 五、膜反应器 将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。 优：集反应与分离于一体，利于连续化生产。 缺：经过长时间使用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，造成膜透过性降低，而且清洗困难。 中空纤维反应器

11. 包括了用固定化酶膜组装的平板状或螺旋卷型反应器、转盘反应器和空心酶管、中空纤维膜反应器等。包括了用固定化酶膜组装的平板状或螺旋卷型反应器、转盘反应器和空心酶管、中空纤维膜反应器等。 平板状和螺旋卷型反应器具有压降小放大容易等优点，但反应器内单位体积催化剂的有效面积较小。 空心酶管反应器主要与自动分析仪等组装，用于定量分析。 转盘反应器又可细分为立式和卧式两种，主要多于废水处理装置，其中卧式反应器由于液体的上部接触空气可以吸氧，适用于需氧反应。 中空纤维反应器则是由数根醋酸纤维素制成的中空纤维构成，其内层紧密光滑，具有一定的分子量截留值，可截留大分子物质，而允许不同的小分子量物质通过；外层则是多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵支持层中。这种反应器不仅能承受68个标准大气压以上的压力而且还具有高的聪装填密度，具有很好的工业应片前景。

12. 游离酶膜反应器 优点：酶可以回收循环使用，可以降低甚至消除产物引起的抑制作用（产物连续排出）。 缺点：酶和杂质易于吸附在膜上，从而影响分离速度和分离效果。

13. 六、喷射式反应器 利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应。 适用于耐高温游离酶的连续催化反应。

14. 第二节 酶反应器的选择 一、根据酶的应用形式选择反应器 （一）游离酶反应器的选择 1、搅拌罐式反应器最常用 2、有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器 3、价格较高的酶，为了能够回收，可采用游离酶膜反应器 4、耐高温的酶，可采用喷射式反应器

15. （二）固定化酶反应器的选择 根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性进行选择。为了提高催化效率，通常采用连续反应器。 搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固定化酶。 采用填充床反应器时应注意控制好反应器的高度。 采用流化床反应器时，固定化酶的颗粒不能太大，密度要与反应液的密度相当，而且要有较高的强度。 有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器。平板状、直管状、螺旋管状固定化酶一般采用膜反应器。

16. 二、根据酶反应动力学性质选择反应器 • 底物、酶、产物以及酶催化作用的温度条件 • 酶与底物结合——搅拌罐式反应器、流化床式反应器 • 高浓度底物抑制——流加分批搅拌罐式反应器、游离酶膜反应器、流化床式反应器、填充床式反应器、膜反应器。 • 反馈抑制——膜反应器、填充床式反应器 • 耐高温——喷射式反应器

17. 三、根据底物或产物的理化性质选择反应器 • 分子量、溶解度、黏度 • 底物或产物分子量较大时，一般不采用膜反应器。 • 底物或产物溶解度低、黏度较高时，应选择搅拌罐式反应器或流化床式反应器，而不应采用填充床式反应器和膜反应器。 • 底物为气体时，通常采用鼓泡式反应器 • 需要小分子物质作为辅酶的酶催化反应，通常不用膜反应器 • 反应器应能适用于多种酶的催化反应，能够满足催化反应的各种条件，并可进行调节 • 反应器应结构简单，操作方便，易于维护和清洗 • 反应器应制造成本及运行成本低

18. 第三节 酶反应器的设计 一、确定酶反应器的类型 二、确定酶反应器的制造材料 三、进行热量衡算 根据热水的温度和使用量计算。

19. 四、进行物料衡算 （一）酶反应动力学参数的确定 底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH值、激活剂浓度

20. （二）计算底物用量 根据产品产量、产物转化率和收得率，计算所需底物用量。 P（kg/年）=Pd（ kg /d） × 300 分批反应器 =Ph（kg/h） × 300 ×24 连续反应器 产物转化率：YP/S = P /S P——生成的产物量（ k g ，g ） S ——投入的底物量（ k g ，g ）

21. 反应副产物忽略不计，产物转化率： △[S] [S0]－ [St ] YP/S = = [S0] [S0] △[S]——反应前后底物浓度的变化[S0]——反应前底物浓度（g/L） [St ]——反应后底物浓度（g/L） 产物转化率与反应条件、反应器性能和操作工艺有关。

22. 收得率（R）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。 分离得到的产物量 R= 反应生成的产物量的 收得率主要取决于分离纯化技术及其工艺条件。

23. 底物用量： P S= （kg） YP/S R S——所需的底物用量（ k g ，g ） P——反应产物的产量（ k g ，g ） YP/S ——产物转化率（%） R——产物收得率（%） 分批反应器常采用日产量Pd，连续反应器一般采用时产量Ph

24. （三）计算反应液总体积 S Vt= （L） [S] Vt——反应液总体积（L） S——底物用量（L） [S]——反应前底物浓度（g/L）

25. （四）计算酶用量 E=[E].Vt （U） E——所需的酶量（U） [E]——酶浓度（U/L） Vt ——反应液体积（ L ）

26. （五）计算反应器数目 一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%~80%。

27. 对于分批反应器，可以根据每天获得的反应液的总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算所需反应器数目。对于分批反应器，可以根据每天获得的反应液的总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算所需反应器数目。 Vd t N= × （个） V0 24 N——反应器数目（个） Vd——每天获得的反应液总体积（L/d） V0 ——单个反应器的有效体积（L） t ——底物在反应器中的停留时间（h）

28. 对于连续反应器，可以根据每小时获得的反应液的总体积、反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算反应器数目。对于连续反应器，可以根据每小时获得的反应液的总体积、反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算反应器数目。 Vh × t （个） N= V0 N——反应器数目（个） Vh——每小时获得的反应液总体积（L/d） V0 ——单个反应器的有效体积（L） t ——底物在反应器中的停留时间（h）

29. 连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。反应器的生产强度指反应器每小时每升反应液所产生的产物克数。连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。反应器的生产强度指反应器每小时每升反应液所产生的产物克数。 Vh.[P] Ph （g/L. h） Qp= = V0 V0 Qp——反应器的生产强度（ g/L. h ） Ph ——每小时获得的产物量（ g/h ） V0 ——每个反应器的有效体积（ L ） Vh ——每小时获得的反应液体积（ L /h ） [P] ——产物浓度（g/L）

30. 连续反应器的数目与反应器的生产强度的关系如下：连续反应器的数目与反应器的生产强度的关系如下： Qp × t N= （个） [P] N——反应器数目（个） [P]——反应液总中所含的产物浓度（g/L） t ——底物在反应器中的停留时间（h）

31. 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 根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度。 夹套、列管等换热装置。水或蒸汽 2、pH值的确定与调节控制

32. 3、底物浓度的确定与调节控制 通常底物浓度在5~10Km 4、酶浓度的确定与调节控制 综合考虑速度、成本，确定一个适宜的酶浓度。 连续固定化酶反应器应具备添加或更换酶的装置，而且要求这些装置的结构简单、操作容易。

33. 5、搅拌速度的确定与调节控制 6、流动速度的确定与调节控制 控制流动速度和流动状态（流体速度、流量、、进液管的方向和排布），并根据变化的情况进行适当的调节。 酶与底物混合、酶、生产效率

34. 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 搅拌速度、流速、反应温度、反应液pH值 2、防止酶变性失活 温度、pH值、重金属离子、剪切力 3、防止微生物污染 一般不必在严格的无菌条件下进行操作，但必须符合必要的卫生条件。

35. End Thanks!