第六章酶反应器精选文档.ppt

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1、第六章酶反应器本讲稿第一页，共三十一页理想的酶反应器的要求理想的酶反应器的要求酶反应器的概念和特点酶反应器的概念和特点内容提纲内容提纲酶反应器的选择酶反应器的选择124内容提纲内容提纲酶反应器的类型酶反应器的类型3本讲稿第二页，共三十一页定义定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装：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置称为酶反应器(Enzyme reactor)。酶反应器的概念和特点酶反应器的概念和特点本讲稿第三页，共三十一页菌种菌种培养基培养基生物催化剂生物催化剂产物产物底物底物发酵罐发酵罐酶反应器酶反应器提取成品提取成品产物产物酶反应器的概念和特点酶反应器的概念和

2、特点作用作用：用于完成酶促反应的：用于完成酶促反应的核心装置核心装置，为酶催化反应提供，为酶催化反应提供合适的场所和最合适的场所和最佳反应条件佳反应条件，以便在酶的催化下，使底物最大限度地转换成产物。处于酶催化反，以便在酶的催化下，使底物最大限度地转换成产物。处于酶催化反应的中心地位，是连接原料和产物的应的中心地位，是连接原料和产物的桥梁桥梁。本讲稿第四页，共三十一页理想的酶反应器的要求l生物反应器设计的主要目标：生物反应器设计的主要目标：l使产品的质量最高，生产成本最低使产品的质量最高，生产成本最低。l评价生物反应器的主要标准：评价生物反应器的主要标准：l反应器生产能力的大小和产品质量的高低

3、反应器生产能力的大小和产品质量的高低。(4)(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。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)(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。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)(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。(3)(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

4、阻力是反应器速度限制的主要因素。质阻力是反应器速度限制的主要因素。本讲稿第五页，共三十一页常见酶反应器的类型常见酶反应器的类型 按按结构结构区分区分搅拌罐型反应器搅拌罐型反应器固定床型反应器固定床型反应器流化床型反应器流化床型反应器膜式反应器膜式反应器鼓泡塔型反应器鼓泡塔型反应器按按操作方式操作方式区分区分分批式分批式连续式连续式流加式分批式流加式分批式混合形式混合形式连续搅拌罐连续搅拌罐分批搅拌罐分批搅拌罐据据所使用的酶所使用的酶区分区分连续搅拌罐连续搅拌罐分批搅拌罐分批搅拌罐本讲稿第六页，共三十一页特点：特点：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。有搅拌装置的、传

5、统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。分类：分类：1 1）分批搅拌罐式反应器）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor,BSTR)适用的酶：适用的酶：游离酶、固定化酶游离酶、固定化酶2）连续流搅拌罐反应器连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor,CSTR)适用的酶：适用的酶：固定化酶固定化酶搅拌罐型搅拌罐型（Stirred Tank Reacter,STR）本讲稿第七页，共三十一页适用的操作方式：适用的操作方式：分批式、流加分批式、连续式分批式、流加分批式、连续式优点：优点：结构简单，酶与底物结构简单

6、，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、不溶性底物底物、不溶性底物。缺点缺点:反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易损失。反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易损失。搅拌罐型搅拌罐型（Stirred Tank Reacter,STR）本讲稿第八页，共三十一页特点：特点：把颗粒状或片状等固定化酶把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。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在

7、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。逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。适用于：适用于：固定化酶固定化酶固定床型固定床型（又称填充床，（又称填充床，Packed Bed Reactor,PBR）本讲稿第九页，共三十一页优点：优点：l单位面积的催化剂负荷高，高效，易操作，结构简单，易放大，剪切力单位面积的催化剂负荷高，高效，易操作，结构简单，易放大，剪切力小等小等l工业生产及研究应用最为普遍的反应器工业生产及研究应用最为普遍的反应器l使用各种形状的固定化酶和不含颗粒粘度不大的底物溶液，以及有产物抑制使用各种形状的固定化酶和不含颗粒粘度不大的底

8、物溶液，以及有产物抑制的转化反应的转化反应固定床型固定床型（又称填充床，（又称填充床，Packed Bed Reactor,PBR ）本讲稿第十页，共三十一页缺点：缺点：l传质和传热系数相对较低，不适合含有固体颗粒和传质和传热系数相对较低，不适合含有固体颗粒和黏度黏度很大的底物很大的底物l温度温度pHpH难控制，更换部分催化剂麻烦难控制，更换部分催化剂麻烦l柱内压降大，底物需加压后才能进入柱内压降大，底物需加压后才能进入l底物和产物的轴向分布也会导致酶失活的程度也呈轴向分布底物和产物的轴向分布也会导致酶失活的程度也呈轴向分布固定床型（固定床型（又称填充床，又称填充床，Packed Bed Re

9、actor,PBR）本讲稿第十一页，共三十一页流化床型流化床型 (Fludized Bed Reactor,FBR)特点：特点：装有较小颗粒的垂直塔式反应器装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等形状可为柱形、锥形等)。底物以一定速度由。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于进行反应。流体的混合程度介于CSTR CSTR 和和 PFRPFR之间。之间。适用于适用于：固定化酶固定化酶 本讲稿第十二页，共三十一页优点：优点：l可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶

10、液l可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即 固、液、固、液、气三气三相反应）相反应）缺点：缺点：l混合均匀，所以不适用于有产物抑制酶的反应混合均匀，所以不适用于有产物抑制酶的反应l固定化酶易破坏固定化酶易破坏l动力成本高动力成本高本讲稿第十三页，共三十一页特点：特点：将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。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：适用于：游离酶、固定化酶游离酶、固定化酶膜式反应器膜式反应器(Membrane Reactor，MR)本讲稿第十四页，共三十一页由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器由膜状或板状

11、固定化酶或固定化微生物组装的反应器 。分类：分类：1）平板状或螺旋状反应器平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器转盘型反应器 3）空心酶管反应器空心酶管反应器4）中空纤维膜反应器中空纤维膜反应器 本讲稿第十五页，共三十一页敞开，宽流道敞开，宽流道狭隘，细流道狭隘，细流道本讲稿第十六页，共三十一页优点：优点：l能实现连续的生产工艺，产率高能实现连续的生产工艺，产率高l容易控制、改善产物抑制反应的速率容易控制、改善产物抑制反应的速率l操作过程中能富集及浓缩产物操作过程中能富集及浓缩产物l可实现多相反应可实现多相反应缺点：缺点：l酶吸附及中毒、酶的失活酶吸附及中毒、酶的失活l膜表面产生底物或产物的抑

12、制膜表面产生底物或产物的抑制l酶活化剂或辅酶的流失酶活化剂或辅酶的流失l膜污染、酶的泄露膜污染、酶的泄露本讲稿第十七页，共三十一页鼓泡塔型反应器鼓泡塔型反应器特点：特点：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。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。本讲稿第十八页，共三十一页适用于适用于：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、游离酶、固定化酶。在使用固定化酶进行

13、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液、气三相，又称为三相流化床反应器。优点：优点：结构简单、操作容易、剪切力小，物质欲热量的传递效率高，是气体参与结构简单、操作容易、剪切力小，物质欲热量的传递效率高，是气体参与反应的种反应器反应的种反应器鼓泡塔型反应器鼓泡塔型反应器本讲稿第十九页，共三十一页连续搅拌罐连续搅拌罐超滤膜反应器超滤膜反应器 简称简称CSTR-UFR。在连续式搅拌罐出口处设置一个超滤器。可以将小分子产。在连续式搅拌罐出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。

14、该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。本讲稿第二十页，共三十一页酶反应器的发展酶反应器的发展含有辅助因子再生的酶反应器含有辅助因子再生的酶反应器问题由来问题由来 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。子再生酶反应器。例如：例如：利用固定化脱氢酶可将固定化利用固定化脱氢酶可将固定化NADHNADH

15、再生为再生为NADNAD。依半透膜能将固定化。依半透膜能将固定化NADNAD保留在反应器内，实现了保留在反应器内，实现了NADNAD的再生于循环使用。的再生于循环使用。本讲稿第二十一页，共三十一页 两相或多相反应器两相或多相反应器问题由来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。有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。解决办法：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，特别使产使酶反应在有机相中进行，可增加反应

16、物浓度，还可减少底物，特别使产物对酶的抑制作用。物对酶的抑制作用。本讲稿第二十二页，共三十一页固定化多酶反应器固定化多酶反应器 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，目前该技术还处系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种产物，目前该技术还处于实验阶段，但发展前景良好。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。）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）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

17、。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。）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）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。生物反应器取代。本讲稿第二十三页，共三十一页酶反应器的设计酶反应器的设计l1 1、确定酶反应器的类型、确定酶反应器的类型l酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。则，选择并确定反应器的类型。l2 2、确定反应器的

18、制造材料、确定反应器的制造材料l由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、pHpH近乎中性的近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。不锈钢制造反应容器即可。l3 3、进行热量衡算、进行热量衡算l酶催化反应一般在酶催化反应一般在30307070的常温条件下进行，所以热量衡算并不复的常温条件下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套杂。温度的调节控制也较

19、为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温度的调节控制，热量衡算是根据（或列管）加热或冷却方式，进行温度的调节控制，热量衡算是根据热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。量进行计算。l4 4、进行物料衡算、进行物料衡算l酶反应动力学参数酶反应动力学参数/底物用量底物用量/酶量酶量/反应体积反应体积/反应器数量反应器数量本讲稿第二十四页，共三十一页酶反应器操作

20、条件的确定及其调控酶反应器操作条件的确定及其调控1.1.反应器温度的确定与控制反应器温度的确定与控制2.pH2.pH值的确定与控制值的确定与控制3.3.底物浓度的确定与控制底物浓度的确定与控制4.4.酶物浓度的确定与控制酶物浓度的确定与控制5.5.搅拌速度的确定与控制搅拌速度的确定与控制6.6.流动浓度的确定与控制流动浓度的确定与控制本讲稿第二十五页，共三十一页酶反应器的选择酶反应器的选择本讲稿第二十六页，共三十一页通常颗粒状、片状、膜状或纤维状通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶固定化酶均可采用填充床反应器（均可采用填充床反应器（PBRPBR），而颗），而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均可使

21、用于连续式搅拌罐（粒状、粉末状及片状固定化酶均可使用于连续式搅拌罐（CSTRCSTR），膜状固定化），膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。酶要用螺旋卷膜式反应器。在应用在应用游离酶游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，通过互相作用，进进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，通过互相作用，进行催化反应。可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器行催化反应。可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。等。可溶性底物可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞

22、柱床，可适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可选用选用选用选用FBRFBRFBRFBR。颗粒状底物溶液可适用于。颗粒状底物溶液可适用于。颗粒状底物溶液可适用于。颗粒状底物溶液可适用于CSTRCSTRCSTRCSTR。当反应过程需要控制温度、调节。当反应过程需要控制温度、调节。当反应过程需要控制温度、调节。当反应过程需要控制温度、调节pHpHpHpH时，选时，选时，选时，选用用用用CSTRCSTRCSTRCSTR更为方便。更为方便。更为方便。更为方便。在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使

23、酶从载体上脱在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上脱落下来，或者由于磨损而使粒度变细，从而影响了落下来，或者由于磨损而使粒度变细，从而影响了固定化酶的操作稳定性固定化酶的操作稳定性。本讲稿第二十七页，共三十一页本讲稿第二十八页，共三十一页本讲稿第二十九页，共三十一页酶反应器使用中应注意的问题酶反应器使用中应注意的问题l酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要用酸或。在操作过程中，有时需要用酸或碱来调节反应液碱来调节反应液pHpH。如果局部的。如果局部的pHpH过高或过低，就会引起酶的失活，或者使底物和过高或过低，就

24、会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这时，可用加快搅拌已促使混合均匀。产物发生水解反应。这时，可用加快搅拌已促使混合均匀。l如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。l防止防止微生物污染微生物污染l酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或固定化酶活性降低或损失损失。造成固定化酶活性损失的原因：。造成固定化酶活性损失的原因：l（1 1）酶本身的失活；）酶本身的失活；l（2 2）酶从载体上脱落；）酶从载体上脱落；l（3 3）载体的破碎或溶解。）载体的破碎或溶解。本讲稿第三十页，共三十一页本 章 小 结1.酶反应器的概念？与发酵反应器的区别？酶反应器的概念？与发酵反应器的区别？2.酶反应器的类型，优缺点？酶反应器的类型，优缺点？3.如何选择酶反应器？如何选择酶反应器？4.如何设计酶反应器？如何设计酶反应器？本讲稿第三十一页，共三十一页