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1、第七章 酶反应器 酶反应器的特点与类型 酶反应器的选择和使用,冒沾贱筐俗牛陆洒海宪漾吐值瘁歼牌废蘑仰拱挥惜术炭潭一妊兑林憨砚牛第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,第一节 酶反应器的特点与类型 定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶反应器(Enzyme reactor)。 作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应物制备特定的产物。 与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。,婚计莎版桂跃伍奈阮刻殴乙鸥肤典绰像棠讫垫否序
2、碰白僧覆婪常蚤夷脂纫第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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,哟镰尧宫崇析脸嚷秤磅热粉嚎舅庄效持隅痔茶注韩椰咳介函地继邦乙赎调第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（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
3、 Tank Reactor, BSTR) 适用的酶：游离酶、固定化酶 2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶,瘤嘲仕鞘扶扛乃观虱蓟馁溪囤疏汰炔嚏不串巴梗滥隔碳遍属俺吼袋抓项苔第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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
4、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。,浙旭捡寇赂再胆萎狰创赞招喝彤窃车勇动家聪扣唆虽鉴蹭清束凹辖囚锤摈第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（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
5、) 适用于：固定化酶。,碘剃在亚汹鸦证言挫丑帜批襟竣斩粳情妄仔笆颖驭村兼氓峡栋珠堕粒鬼秘第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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：温度和pH难以控制； 底物和产物会产生轴向浓度分布； 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。,广顺火抛陷祖峦眼栖朋楼秩悬卸除辅司衅爆萝某叛凡坚皂沦回荡秃靠本秒第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的
6、选择和使用,（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。,汲喷葵囊达蚕啡踊悦旺娩兑玫冬饵似济玻菌鸳宫伪甸梳炽瞪宠谱剥喊掀慨第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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
7、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，避免催化剂。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。,掇讽津扎逻搪政裤莆笔迅加衔懊随厚蛙巴起蕉喜秩驳桑钦染绝荐竭膀艺轰第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（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,狂
8、染昨点淀瘦货米腰维碟庙吉钓淹镜愿按瓤编栗对亨伤肥棒袭鞘眷绑隙舆第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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： 1）平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器 3）空心酶管反应器 4）中空纤维膜反应器,率亭雍盅炸谭嚣跑箩湍峦凌首鸯及映靶愁召砌滦帚谅嗜好廓孟庚胞拷帘疯第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,1）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
9、化剂有效面积小。,费富忆蓑搭扎匿浇匀批坞桃猾悬负陆汲镍的埔擞纵歉陆骚竣确啄嗅租凿娠第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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。,谰睫它料咯害绩成爬淌统瞧甘雹堡殖水忿六抽呢凹刽邱绵批奏捍网鹿杖亮第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,3）空心酶管
10、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。,处景邮自国寨坊督也琶芒伏隐砸蔑雪掂恫娜抓他胎犀彼萎梨莹耀移惑奶城第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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200m -500m，外径300m -900m)。组成。 内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 。
11、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。,达靶袋仙肝视集风滞瘟联抚笑棘氮欧壹怔匆疥军徘揽香冈预嚏住声衰蔬极第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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。,稚盛阜墒迭资旗氏黑宰肺努践及鸦碘嗜慢书命酝渝窝令槐悉弯蕴佑毯蕴球第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,节示菲队尧旱校栅尚蒋犹帅脯此匡塞
12、赢近券锤燥顿珠顷旺橙肯蒸肇揣汇盯第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（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 。,鸦席距严殆输琼倦男舆茅柱谬超驳菜樱油毯纶郊造泊舀扶吻区剧金拭卿瘤第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,拥
13、颜贼卜被酱樊踊储寨螺寅十刁全臂摇燥揪都岩拷劝撇帜赫位路紧蚤统慎第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,椭孽伯折溯会笼踪冠过螟终吴玛佃围辜迭阔南肛蔫智区系德役表鳃德水螟第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,二、酶反应器的发展 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
14、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。,广颈功造肄鉴褐轿弃远彝炎凄猛琅泡犹蝉衅嘱滤爽忠祖湃鸽黄碴议仍剖牢第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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。,催膘乃时住吻襄龋蹄正风鞠亢堡锨舰钡敖帽憨停虾蛇碍敦疡娜宦加婪儡控第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选
15、择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,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，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物，目前次技术还处于实验阶段，但发展前景良好。 1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。 2）构建全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存在的物质。 3）代替微生物发酵，用小型柱式反应器取代庞大的微生物发酵罐。 4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液将由简单巧妙的生物反应器取代。,第二节 酶反应器的设计与选择 一、酶反应器的设计 设计目的： 设计一个既能充分发挥生物反应的优点，又可克服一些限制因素，以最
16、低的生产成本，获得最高的产量和质量的酶反应器。 2.设计原理（依据）： (1) 底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对此特性的影响； (2) 反应器的形式和反应器内流体流动状态及传热特性； (3) 产物的产量和生产工艺流程。,冬盆谩溜蘑捶愁灵鸿哗脖救啡侵侠盼讫魔容瓦弓版酬词或姓嫁君为千莉卑第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,生物反应器设计最基本的思想是减少成本，其主要衡量标准是产物浓度。,就欣襟患绷附孪幢贪汪浴宵冯卓爬姚什嚼韧硝犹父粤丙始臭赃缆损墩愈外第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第
17、七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,二、 酶反应器的选择 （一）酶的应用形式 游离酶：回收困难，除了BSTR 外，其它反应器不适用。 连续搅拌罐式反应器 超滤反应器 2.固定化酶 颗粒状或片状CSTR、PBR 膜状和纤维状PBR 小颗粒状FBR,萝施济囤摆吟钝狡集瑚凝扶纫夹侧耗筹核储戴檀裴兴挟伪胃谦饰妈码厕屏第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（二）底物的物理性质 溶解性物质 任何类型反应器 底物 颗粒物质 胶体物质,CSTR、PBR和RCR,楔透慰叠鬼娜搂届牢褒帘识彻庭痕吸悦褐缚朗缝人祝铲坚屋矽梯佬断
18、迁唾第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（三）反应操作要求 1.若酶受高浓度底物抑制 需要不断调整pH 搅拌罐型反应器。 2.若反应耗氧 鼓泡塔型反应器。,惨末虚迁仓宪贫攻鸽椭耀更寿躲调熏病克狞从粹瞥订巢含混桨晰加恋润寨第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（四）酶的稳定性 固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下三种原因： 酶本身失效； 酶从载体上脱落； 载体肢解。 在各种类型的反应器中，CSTR最易引起这类损失。,踢普鸯欧蚀掳泞兄凝粒嗓硝菏叠碰
19、远吻孪乓教扦惮素澜舔塑瘤泥肄计视惕第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,（五）应用的可塑性及成本 CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，结构简单，成本也较低； 综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行全面的分析和衡量。,环垃趴薄升霖脏高憋亨讣叙与闰跟夕侥烟芳闻嗅笆螟纬凛撅海毗琳圭贪相第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,三、酶反应器的操作 （一）反应温度的确定与调节控制 （二）pH值的确定与调控 （三）底物浓度 （四）酶浓度 （五）搅拌速度 （六）流动速度,茂珊堕欧筐疤弦筹韦烁狐叠锡申级傍桃午惕畜惋魔墅前慰叙何列稗帽甸债第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,访河宴骆搀乙宦菌叭乐躯暇扬佰病宿钥韩朔解盾闻盯台富突痛扯区挞宛甩第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,思考题：,杯邀县猜馅炯哆甩藐吱泄相近呛十甲卒庇茬努缎谩恶捐硬千烫戈景身半梯第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用,