第十章(一) 酶反应器.pptVIP

第十章 酶反应器 生物反应器工程 生物反应过程示意图 理想的酶反应器的要求 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。 1． 分批搅拌反应器 （Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） 反应器结构简单，不需要特殊装置，适与小规模试验 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． 连续流搅拌桶反应器 连续搅拌釜式反应器 3． 连续搅拌桶-超滤反应器 填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,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。 4． 填充床反应器 旋转填充床 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。 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。 5． 循环反应器 高效内循环生物反应器（HCR） 膜反应器（membrane reactor, MR）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。 一、反应器选择 酶的形式： 底物的物理性质： 酶反应动力学 酶的稳定性 操作要求、应用和可塑性成本 反应器和酶的稳定性 反应器中酶催化活性损失的原因： 酶本身失效 酶从载体上脱落 载体肢解 扩散限制效应 生物催化反应－分离耦合反应器 减压式反应器用于生物催化反应中易挥发产物的在线去除 Diagram of the enzymatic synthesis of cefaclor with in situ product removal. (1) Complexation reactor, (2) enzymatic reaction reactor, (3) peristaltic pump, (4) sintered-glass (G2), (5) mechanical stirrer. Wei Dongzhi*, Yu ying, Biocatalysis and Biotransformation, 2003,21(3)135-139. * * 通过反应器型式、操作方式的改变能否使生物催化反应效率最大化？ 将反应与传质紧密相关 第一节 酶反应器 过程调控 生物反应器 消毒 原料 预处理 产物分离提纯 产品 生物催化剂制备 空气 除菌 能量 热量 (4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。 (1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 (3) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。 酶反应器： 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备。 分类： 按结构分为： 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 喷射反应器 第一节 酶反应器的类型 第一节 酶反应器的类型 一、搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 组成： 反应罐 搅拌器 保温装置 分类： 分批搅拌罐式反应器 流加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 将酶和底物溶液一次性加到反应器中，在一定条件下反应一段时间，然后将反应液全部取出。 2、连续搅拌罐式反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 催化剂采用颗粒状的固定化酶，少数应用片状固定化酶。 运转过程中要不断分出部分反应液，同时补充等量的新鲜底物溶液，为不致使酶随反应液流失，所以在它的出口处通常有滤膜。 适于有底物抑制场合。 缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒 酶循环 二、填充床式反应器（PBR） 固定化酶堆叠在一起，固定不动，底物溶液按照一定的方向以一定的速度流过反应床，通过底物溶液的流动，实现物质的传递和混合。 三、流化床反应器（FBR）