第七讲 固定化酶反应器课件.ppt

三、固定化酶（细胞）的反应器及应用 Immobilized Enzyme （Cell）Reactor techniques and Its Applications 三、固定化酶（细胞）的反应器 1. 固定化酶反应器的类型和特点 2. 固定化酶反应器的选择依据 3. 固定化酶反应器的性能评价 4. 固定化酶反应器的操作 1. 固定化酶反应器的类型和特点 反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，可概括分为间歇式和连续式两大类，连续式又有两种基本形式：连续流动搅拌罐式反应器和填充床反应器；还有一些衍生形式：连续流动搅拌罐—超滤膜反应器、循环反应器和流化床反应器等。 各种反应器的示意图 (a) 间歇式搅拌罐反应器(batch stirred tank reactor，BSTR) (b) 连续流动搅拌罐反应器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR) (c) 连续流动搅拌罐—超滤膜反应器(combined CSTR/UF reactor，CSTR/UF) (d) 填充床反应器或平推流反应器(packed bed reactor，PBR或plug-flow reactor，PFR) (e) 循环反应器(recycle reactor，RCR) (f) 流化床反应器(fluidized bed reactor，FBR) 间歇式搅拌罐反应器(BSTR) 间歇式搅拌罐反应器也称为分批搅拌反应器，这类反应器的结构简单，主要设有夹套或盘管装置，以便加热或冷却罐内物料，控制反应温度。这类反应器主要用于游离酶(enzyme reactor)反应。 将酶与底物一起加入反应器内，控制反应条件，待达到预期转化率后，随即放料。在这种情况下，一般不回收游离酶。当前在食品和饮料工业中常用这种反应器。 如果把固定化酶用于间歇反应器，则每批反应都要从流出液中分离出产物和固定化酶，可以采用过滤或离心法分开。由于酶经过反复循环回收，会失去活性，所以在工业生产中的固定化酶很少采用间歇式搅拌罐反应器。 连续流动搅拌罐反应器（CSTR ） 连续流动搅拌罐反应器在结构上与间歇式反应器基本相同，只不过是连续进料、连续出料。由于它具有搅拌系统，反应器内的各组成成分能得到充分混合，分布均一，并与流出液的组成相一致。 其缺点是，由于搅拌浆产生的剪切力较大，容易引起固定化酶的破坏。近来有一种改良的CSTR，是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不致损坏固定化酶。 填充床反应器(PBR) PBR（Packed bed reactor）这种反应器的使用最普遍，到目前为止，已发表的固定化酶反应器的研究工作主要集中在填充床反应器。固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。 它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子交换树脂、聚丙烯酰胺凝胶、二乙胺乙基葡聚糖凝胶、胶原蛋白薄膜片等。近年来，球形微囊体也用于填充床。 在填充床反应器内流体的流动型态接近于平推流(又称活塞流)流型，所以填充床反应器可近似认为是一种平推（活塞）流反应器(Plug-flow reactor，PFR)。这种反应器运转时，底物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。 根据底物的流动方式，又有下向流动、上向流动和循环流动之分。工业生产中，液流方向常用上向方式，这样可以避免下向流动的液压对柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。 PBR或PFR 在填充床式反应器使用过程中，底层的固定化酶颗粒所受到的压力较大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎，为了减少底层固定化酶颗粒所受到的压力，可以在反应器中间用托板分隔。 填充床式反应器的优点是设备简单，操作方便，单位体积反应床的固定化酶密度大。在工业生产中普通使用。 流化床反应器(FBR) 在流化床反应器（FBR）内，底物溶液以足够大的流速向上通过固定化酶床层，使固体颗粒处于流化状态，达到混合的目的。流速应以能使酶颗粒不下沉，又不致使颗粒溢出反应床为宜。在FBR中，由于混合程度高，故传热、传质情况良好。 FBR FBR可用于处理粘性强和含有固体颗粒的底物，也可用于需要供应气体或排放气体的反应。对于停留时间较短的反应也可用FBR。 在实际应用过程中，要注意控制好底物溶液和反应液的流动速度。流动速度过低时，难于保持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；流动速度过高时，则催化反应不完全，甚至会使固定化酶的结构受到损坏。 为了保证一定的流动速度，并使催化反应更为完全，必要时流出的反应液可以部分循环进入反应器。 流化床式反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大的反应液也可进行催化反应等特点。 然而，在