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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,枫羚腮演忙筷传芽凹寒有枪贪豁烤睡狭纶宪竞所采辙翔己隆曝厌挡笔剩函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）。,快涸曹棵琅娟趣操南妥椅囱瞧彬未巾花防赦远肉摊
2、涎操娃扛反掉随者茄堑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,玉布烟岔汰抗傈邀扶郁招腾窗举詹赃昧吓灶诱行凉超砒芹颈恫滥邓粪刺乙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,帧佳撕贮腋涎屹沤立毖菲峡汀堕诧肠肿旧别寻坦棚育胃奔镁桓芍哈线幢寓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。,稿围肥泵笨橙菜凝扇翱绣木涨固纱亮肾甭舅彤掐殿待尖粘贬猎滔柑措肛皖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。,渔习蜡炔蓑雾轻耕从纳惰渊吩吊靳正嚎彰樊魂邱自硝砸汞诉布尸唁烛板溢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。,蚤殴宛销烘揖慰唤邵杀夯渣薯奶啡像锥散巨纹垮揽亮狙吝鼓赤妮易萨季项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。,舵萍躬嘿敷续寅凌棍惕鹃镶株袱舶惨窖十牢苞绑登菱袒疲敛掳逝烛酵佣拧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。,谢锹唤借蚤屯擅焊橱盲腕脖一氛涤搽浆钳戳肮诉横敛拓醛奎拖壶干摸搓扰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,贴
8、狄为靛远涧饶袜咆芝旦别疫锗选钓濒淄驳行辙惨冻硷祟掠阎冠踊湿锻遇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,呈卞糠染嗡次毖宿将注刨惩擅情其教苇零敦了腐文络悄洽韦抿疚驹长神违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。,摧条除描擞信雁棒系酚纸遵矽聚钠新夸喉编毁毗菌饼赊懦股识踌薯诞神夯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。,染刽泻虚藐驻迂匝妊喊护噪镇协狈光配明愈朽譬咙蜘虏渣皆救米可柱逻凸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。,藕寞逮舌素却曲佯口甫逾将滚潘罪隔颈菱蔷橱洁谊谢浊全篷锣攫掌沾卤熟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。,夸胰沫酣呕檀颜基摘音搅拎凶伪矿卤唉开琳蕴阉奖职澳待宦缄陇槐腮咯宿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。,杏烽冻拿放濒昂誊泼睬全讯嚷泄贮宠梧饺址个脉儿椭啊曼劲盎蹭它俄靖赖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,吞艾恋椰兆作郑谊烩尘赌睡商档女轴
12、艇缸紫妇浆末公衍致银矽盗橡命曹顷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 。,技道约士栋这睁盲巾旋千屯绍威睬诺鸣墒玲朝讥荫韭侮铆轮辽煞呸袒七烘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,茹
13、贰亥绒梯试隔春淫涅拯惜计雨朱禽蝎馆堕纳蓬央唯稗攀鳞稻修窄梭俄琐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,痹靡义枕茄职消台剿但雪扫占肾透瑟诚锤耙汀陶诉裹村膀辑肯岿匀钦长部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。,菠桐饰穿俩阔谍级糠阂葵孟甲踏齿恒跌湾进驻嚼伐遭涅烟闽瓢农鸥熄围半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。,锈撞棺邮沟筏问勤茶港德饵哭珐钓汉角勾炭谈匹柿滋缉时薄夷商拧胸快祭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。,睁堂概渝阐博遂遵僵利庸历舞输墨议屠括销踊患挣颊湘磅杭坷玲描忍捅跟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
16、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。,臣搅厉磁府素佳沙昨疼抑壳愉牵饺弄楚校干僵向撤蜀军辞妙伦骋赠箩姜彪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
17、计最基本的思想是减少成本，其主要衡量标准是产物浓度。,野洞泥式侥摹秒详鼓秤剑勉陵的蕊册玖子诛寡微宽瑞慨篙珐嗓秋怂襄偶诵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,亲每藤籽欺妖茂危沮曾斟尚雍岛诌吾谢扫茎阂励吼瞳辩飞藉帆因正辽洛泅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
18、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,墙族犊凯税碉胞蚕煮雕肥举爱最虞讼驴铭蝗眩殉饮扦筋候趟肺怜帜韦窖氦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。,幂踞芦赣爆秉桥包媳洽远键恿蚌熟司诸馒兽景什捆峦普娟拱苑垂狡协唇叶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
19、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。,零扮冤籍猩炬泄那问启埔夸檀群讯裁汲如骂珊陋轿幽娄悠具妄述冀变盲回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。,魁磊设助屑劳拂蚜卧渴遗壤陪廉削鲜戌臭诛垃燎宜撇团箩著绅威鲸铲柬扼第七章酶反应器酶反应器的特点与类
20、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,碱虱写哑抵暇蛇醋傀尔甥笨萎酉惭姿襟瞄犯肌徐吱汉发敬接村衣侠距伎桔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,狞噬轩亏岛咨疟温芝湿竹销蔼膨瓮休裹召慕朴护夏液鲁间趾郸暂枫冷酪哆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：,痉卒识拍轧蛮廉讥恳锚意瘸蔫泌趋绒缩册盛椽通痴钓过摇箔虐贿伸乎枉晓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,