第六章酶反应器PPT讲稿.ppt

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1、第六章 酶反应器第1页，共60页，编辑于2022年，星期三 第六章 酶反应器第2页，共60页，编辑于2022年，星期三 酶反应器：酶反应器：用用于于酶酶进进行行催催化化反反应应的的容容器器及及其其附附属设备称为酶反应器属设备称为酶反应器。酶酶反反应应器器基基本本上上是是游游离离酶酶、固固定定化化酶酶或或固固定定化化细细胞胞催催化化反反应应的的容容器器（附附加加混混合、取样和检测设备）。合、取样和检测设备）。本本章章主主要要讲讲解解酶酶反反应应器器的的特特点点与与类类型型，酶酶反反应应器器的的设设计计与与选选型型，酶酶反反应应器器的操作。的操作。第3页，共60页，编辑于2022年，星期三第一节第

2、一节 酶反应器的特点和类型酶反应器的特点和类型一、酶反应器的特点一、酶反应器的特点 酶酶反反应应器器不不同同于于化化学学反反应应器器，它它是是在在低低温温、低低压压下下发发挥挥作作用用，反反应应时时的的耗耗能能和和产产能能也也比较少。比较少。酶酶反反应应器器也也不不同同于于发发酵酵反反应应器器，因因为为它它不不表表现现自催化方式，即细胞的连续再生。自催化方式，即细胞的连续再生。酶酶反反应应器器和和其其他他反反应应器器一一样样，都都是是根根据据它它的的产率和专一性来进行评论的。产率和专一性来进行评论的。第4页，共60页，编辑于2022年，星期三二、酶反应器的类型二、酶反应器的类型 酶反应器的类型

3、很多，其分类方法也不同。酶反应器的类型很多，其分类方法也不同。根根据据结结构构来来分分：可可分分为为搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器（STRSTR）、鼓鼓泡泡式式反反应应器器（BCRBCR）、填填充充床床式式反反应应器器（PCRPCR）、流流化化床床式式反反应应器器（FBRFBR）和和膜膜反反应应器器（MRMR）等。）等。按按进进料料和和出出料料的的方方式式可可分分为为：批批式式、半半批批式式(即即流加分批式）与连续式反应器。流加分批式）与连续式反应器。按按其其功功能能结结构构可可分分为为：膜膜反反应应器器、液液固固反反应应器器及及气气液固三相反应器液固三相反应器 3 3 大类。大类。第5页，共6

4、0页，编辑于2022年，星期三（一）、反应器的类型（一）、反应器的类型1 1、搅拌式反应器、搅拌式反应器 在在酶酶催催化化反反应应中中最最常常用用的的反反应应器器，由由反反应应罐、搅拌器和保温装置组成。罐、搅拌器和保温装置组成。可可用用于于游游离离酶酶的的催催化化反反应应，也也可可用用于于固固定定化酶的催化反应。化酶的催化反应。搅搅拌拌式式反反应应器器的的操操作作方方式式可可以以根根据据需需要要采采用用分分批批式式（batchbatch）、流流加加分分批批式式（feeding feeding batchbatch）和和连连续续式式（continuouscontinuous）3 3种种。与与之之

5、对对应应的有的有分批搅拌罐式反应器分批搅拌罐式反应器和和连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器。第6页，共60页，编辑于2022年，星期三1 1）分批搅拌罐式反应器）分批搅拌罐式反应器 定定义义：将将酶酶（固固定定化化酶酶）和和底底物物溶溶液液一一次次性性加加到到反反应应器器中中，在在一一定定条条件件下下反反应应一一段段时时间间，然然后后将反应液全部取出。将反应液全部取出。优优点点：设设备备简简单单，操操作作容容易易，酶酶与与底底物物混混合合较较均均匀匀，传传质质阻阻力力小小，反反应应比比较较安安全全，反反应应条件容易控制。条件容易控制。缺缺点点：游游离离酶酶与与底底物物混混合合在在一一起起，酶

6、酶难难于于回收。回收。固定化酶易被破坏，且利用效率低。固定化酶易被破坏，且利用效率低。易出现底物的抑制作用。易出现底物的抑制作用。第7页，共60页，编辑于2022年，星期三2 2）连续搅拌罐式反应器）连续搅拌罐式反应器 连连续续搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器只只适适用用于于固固定定化酶的催化反应。化酶的催化反应。特特点点：连连续续搅搅拌拌反反应应器器结结构构简简单单、操操作作简简便便，反反应应条条件件的的调调节节和和控控制制较较容容易易，底底物物与与固固定定化化酶酶接接触触较较好好、传传质质阻阻力力较较低低、反反应应器器的的利利用用率率较较高高，是是一一种种常用的固定化酶反应器。常用的固定化酶反

7、应器。第8页，共60页，编辑于2022年，星期三2 2、填充床式反应器、填充床式反应器 填填充充床床式式反反应应器器是是一一种种用用于于固固定定化酶进行催化反应的反应器。化酶进行催化反应的反应器。定定义义：把把颗颗粒粒状状或或片片状状等等固固定定化化酶酶填填充充于于固固定定床床（也也称称填填充充床床，床床可可直直立立或或平平放放）内内，底底物物按按一一定定方方向向以以恒恒定定速度通过反应床。速度通过反应床。第9页，共60页，编辑于2022年，星期三 优优点点：设设备备简简单单，操操作作方方便便，单单位位体体积积反反应应床床的的固固定定化化酶酶密密度度大大，可可以以提提高高酶酶催催化化反反应应的

8、的速速度度。在在工工业业生生产产中中普普遍使用。遍使用。缺缺点点：温温度度和和pHpH难难以以控控制制。底底物物和和产产物物会会产产生生轴轴向向浓浓度度分分布布。清清洗洗和和更更换换部部分分固固定定化化酶酶较较麻麻烦烦。固固定定化化酶酶颗颗粒粒所所受受的的压压力力较较大大，易易引引起起酶酶颗颗粒粒的变形或破碎。的变形或破碎。第10页，共60页，编辑于2022年，星期三3 3、流化床式反应器、流化床式反应器 流流化化床床反反应应器器是是一一种种适适用用于于固固定定化化酶进行连续催化反应的反应器。酶进行连续催化反应的反应器。流流化化床床反反应应器器是是一一种种装装有有较较小小颗颗粒粒的的垂垂直直塔

9、塔式式反反应应器器。底底物物以以一一定定速速度度由由下下向向上上流流过过，使使固固定定化化酶酶颗颗粒粒在在浮浮动动状状态下进行反应。态下进行反应。第11页，共60页，编辑于2022年，星期三 优优点点：具具有有混混合合均均匀匀，传传质质和和传传热热效效果果好好，温温度度和和pHpH值值的的调调节节控控制制比比较较容容易易，不不易易堵堵塞塞，对对黏黏度度较较大大的的反反应液也可进行催化反应等特点。应液也可进行催化反应等特点。缺缺点点：需需一一定定的的流流速速，运运转转成成本本高高，难难于于放放大大。由由于于颗颗粒粒酶酶处处于于流流动动状状态态，易易导导致致粒粒子子的的机机械械破破损损。由由于于流

10、流化化床床的的空空隙隙体体积积大大，酶酶的的浓浓度度不不高高。由由于于底底物物高高速速流流动动使使酶酶冲冲出，降低了转化率。出，降低了转化率。第12页，共60页，编辑于2022年，星期三4 4、鼓泡式反应器鼓泡式反应器 鼓鼓泡泡式式反反应应器器是是利利用用反反应应器器底底部部通通入入的的气气体体产产生生的的大大量量气气泡泡，在在上上升升过过程程中中起起到到提提供供反反应应底底物物和和混混合合两两种种作作用用的的一一类类反反应应器器，也也是是一一种种无无搅搅拌拌装装置置的的反反应器。应器。第13页，共60页，编辑于2022年，星期三 特点：特点：可可用用于于游游离离酶酶的的催催化化反反应应，也也

11、可可用用于于固固定化酶的催化反应。定化酶的催化反应。催催化化反反应应时时，反反应应系系统统中中存存在在固固、液液、气三相，又称为三相流化床式反应器。气三相，又称为三相流化床式反应器。可用于连续反应，也可用于分批反应。可用于连续反应，也可用于分批反应。结结构构简简单单，操操作作容容易易，剪剪切切力力小小，物物质质与与热热量量的的传传递递效效率率高高，是是有有气气体体参参与与的的酶催化反应中常用的一种反应器。酶催化反应中常用的一种反应器。第14页，共60页，编辑于2022年，星期三5 5、膜反应器、膜反应器 膜膜反反应应器器是是将将酶酶催催化化反反应应与与半半透透膜膜的的分分离离作作用用组组合合在

12、在一一起起而而成成的的反反应应器器。可可用用于于游游离离酶酶的的催催化化反反应应，也也可可以以用用于于固定化酶的催化反应。固定化酶的催化反应。固定化酶膜反应器固定化酶膜反应器 中中空空纤纤维维反反应应器器结结构构紧紧凑凑，集集反反应与分离于一体，利于连续化生产。应与分离于一体，利于连续化生产。经经过过较较长长时时间间使使用用，酶酶或或其其他他杂杂质质会会被被吸吸附附在在膜膜上上，造造成成膜膜的的透透过过性性降降低，而且清洗比较困难。低，而且清洗比较困难。第15页，共60页，编辑于2022年，星期三 游游离离酶酶反反应应器器中中进进行行催催化化反反应应时时，底底物物溶溶液液连连续续进进入入反反应

13、应器器，酶酶在在反反应应器器的的溶溶液液中中与与底底物物反反应应，反反应应后后，酶酶与与产产物物一一起起进进入入膜膜分分离离器器进进行行分分离离，小小分分子子的的产产物物透透过过超超滤滤膜膜而而排排除除，大大分分子子的的酶酶分子被截留，可以再循环使用。分子被截留，可以再循环使用。特特点点：集集反反应应与与分分离离于于一一体体，分分离离膜膜在在使使用用一一段段时时间间后后，酶酶和和杂杂质质易易吸吸附附在在膜膜上上，易易造造成成酶酶的的损损失失，而而且且会会由由于于浓浓差差极极化化而而影影响响分分离离速速度度和和分分离离效效果。果。第16页，共60页，编辑于2022年，星期三6 6、喷射式反应器喷

14、射式反应器 喷喷射射式式反反应应器器是是利利用用高高压压蒸蒸气气的的喷喷射射作作用用，实实现现酶酶与与底底物物的的混混合合，进进行行高高温温短短时时催催化化反反应的一种反应器。应的一种反应器。特特点点：喷喷射射式式反反应应器器结结构构简简单单、体体积积小小，混混合合均均匀匀，由由于于温温度度高高，催催化化反反应应速速度度快快，催催化化效效率率高，可在短时间内完成催化反应。高，可在短时间内完成催化反应。喷喷射射式式反反应应器器适适用用于于游游离离酶酶的的连连续续催催化化反反应应。但但是是只只适适用用于于某某些些耐耐高高温温酶酶的的反反应应。第17页，共60页，编辑于2022年，星期三 在在实实际

15、际应应用用时时，应应当当根根据据酶酶、底底物物和和产产物物的的特特性性，以以及及操操作作条条件件和和操操作作要要求求的的不不同同而而进行设计和选择。进行设计和选择。选选择择酶酶反反应应器器：从从酶酶的的应应用用形形式式、酶酶的的反反应应动动力力学学性性质质、底底物物和和产产物物的的理理化化性性质质等等几几个个方方面面进进行行考考虑虑。反反应应器器应应当当尽尽可可能能具具有有结结构构简简单单、操操作作简简便便、易易于于维维护护和和清清洗洗、可可以以适适用用于于多多种种酶酶的的催催化反应、制造成本和运行成本较低等特点。化反应、制造成本和运行成本较低等特点。第二节第二节 酶反应器的类型选择酶反应器的

16、类型选择第18页，共60页，编辑于2022年，星期三一、根据酶的应用形式选择反应器一、根据酶的应用形式选择反应器1 1、游离酶反应器的选择、游离酶反应器的选择游游离离酶酶催催化化反反应应最最常常用用的的反反应应器器是是搅搅拌拌罐罐式式反反应器。应器。对对于于有有气气体体参参与与的的酶酶催催化化反反应应，通通常常采采用用鼓鼓泡泡式式反反应器。应器。对对于于某某些些价价格格较较高高的的酶酶，由由于于游游离离酶酶与与反反应应产产物物混混在在一一起起，为为了了使使酶酶能能够够回回收收，可可以以采采用用游游离离酶酶膜膜反反应器。应器。对对于于某某些些耐耐高高温温的的酶酶，可可以以采采用用喷喷射射式式反反

17、应应器器，进行连续式的高温短时反应。进行连续式的高温短时反应。第19页，共60页，编辑于2022年，星期三2 2、固定化酶反应器的选择、固定化酶反应器的选择 应应用用固固定定化化酶酶进进行行催催化化反反应应，可可以以选选择择搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器、填填充充床床式式反反应应器器、鼓鼓泡泡式式反反应应器、流化床式反应器、膜反应器等。器、流化床式反应器、膜反应器等。颗粒状固定化酶的反应器颗粒状固定化酶的反应器 搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器、填填充充床床式式反反应应器器、鼓鼓泡泡式式反反应器、流化床式反应器。应器、流化床式反应器。其其他他平平板板状状、直直管管状状、螺螺旋旋状状的的反反应应器器一

18、一般般作作为为膜膜反应器使用。反应器使用。第20页，共60页，编辑于2022年，星期三二、根据酶反应动力学性质选择反应器二、根据酶反应动力学性质选择反应器1 1、从从酶酶与与底底物物的的混混合合程程度度：可可以以采采用用搅搅拌拌罐罐式式反反应应器、流化床式反应器。器、流化床式反应器。2 2、从从底底物物浓浓度度的的高高低低对对酶酶反反应应速速度度：具具有有高高浓浓度度底底物物抑抑制制作作用用的的游游离离酶酶，可可以以采采用用游游离离酶酶膜膜反反应应器器；对对具具有有高高浓浓度度底底物物抑抑制制作作用用的的固固定定化化酶酶，可可以以采采用用连连续续搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器、填填充充床床式式反

19、反应应器器、流流化化床床式式反反应应器器、膜反应器等。膜反应器等。3 3、从从产产物物对对酶酶反反馈馈抑抑制制作作用用：最最好好选选用用膜膜反反应应器器；对固定化酶而言，也可以采用填充床式反应器。对固定化酶而言，也可以采用填充床式反应器。4 4、从从酶酶催催化化作作用用温温度度条条件件：能能耐耐受受100100以以上上高高温温的，最好选用喷射式反应器。的，最好选用喷射式反应器。第21页，共60页，编辑于2022年，星期三三、根据底物或产物的理化性质选择反应器三、根据底物或产物的理化性质选择反应器1 1、反反应应底底物物或或产产物物的的分分子子质质量量较较大大时时，由由于于底底物物或或产产物物难

20、于透过超滤膜的膜孔，所以一般不采用膜反应器。难于透过超滤膜的膜孔，所以一般不采用膜反应器。2 2、反反应应底底物物或或者者产产物物的的溶溶解解度度较较低低、黏黏度度较较高高时时，应应当当选选择择搅搅拌拌罐罐式式反反应应器器或或者者流流化化床床式式反反应应器器，而而不不采采用用填填充充式式反反应应器器和和膜膜反反应应器器，以以免免造造成成阻阻塞现象。塞现象。3 3、反应底物为气体时，通常选择鼓泡式反应器。、反应底物为气体时，通常选择鼓泡式反应器。4 4、有有些些需需要要小小分分子子物物质质作作为为辅辅酶酶（辅辅酶酶可可以以看看作作一一种种底底物物）的的酶酶催催化化反反应应，通通常常不不采采用用膜

21、膜反反应应器器，以以免辅酶的流失而影响催化反应的进行。免辅酶的流失而影响催化反应的进行。第22页，共60页，编辑于2022年，星期三5 5、所所选选择择的的反反应应器器应应当当能能够够适适用用于于多多种种酶酶的的催催化化反反应应，并并能能满满足足酶酶催催化化反反应应所所需需的的各各种种条条件件，并并可可进进行适当的调节控制。行适当的调节控制。6 6、所所选选择择的的反反应应器器应应当当尽尽可可能能结结构构简简单单、操操作作简简便便、易于维护和清洗。易于维护和清洗。7 7、所所选选择择的的反反应应器器应应当当具具有有较较低低的的制制造造成成本本和和运运行成本。行成本。第23页，共60页，编辑于2

22、022年，星期三第三节第三节 酶反应器的设计酶反应器的设计 反反应应器器的的设设计计首首先先要要了了解解酶酶催催化化反反应应的的动动力力学学特特性性及及其其各各种种参参数数，再再根根据据生生产产的的要要求求进进行行反反应应器器设设计计。目目的的是是设设计计出出生生产产成成本本最最低低、产产品品的的质质量量最最高高的的酶反应器。酶反应器。酶酶反反应应器器的的设设计计主主要要包包括括反反应应器器类类型型的的选选择择，反反应应器器制制造造材材料料的的选选择择、热热量衡算、物料衡算等。量衡算、物料衡算等。第24页，共60页，编辑于2022年，星期三一、确定酶反应器的类型一、确定酶反应器的类型 酶酶反反

23、应应器器的的设设计计，首首先先要要根根据据酶酶、底底物物和和产产物物的的性性质质。按按照照上上一一节节所所述述的的选择原则，选择并确定反应器的类型。选择原则，选择并确定反应器的类型。二、确定酶反应器的制造材料二、确定酶反应器的制造材料 酶酶催催化化反反应应通通常常是是在在常常温温、常常压压、pHpH近近乎乎中中性性的的环环境境中中进进行行反反应应，所所以以反反应应器器的的设设计计对对制制造造材材料料没没有有什什么么特特别别要要求，一般采用不锈钢制造反应器即可。求，一般采用不锈钢制造反应器即可。第25页，共60页，编辑于2022年，星期三三、进行热量衡算三、进行热量衡算 常常温温催催化化：通通常

24、常采采用用一一定定温温度度的的热热水水（通通过过夹夹套套或或列列管管）进进行行温温度度的的调调节控制。节控制。热热量量衡衡算算是是根根据据热热水水的的温温度度和和使使用用量计算。量计算。高温催化：采用喷射式反应器。高温催化：采用喷射式反应器。热热量量衡衡算算时时，根根据据所所使使用用的的水水蒸蒸气气热焓和用量进行计算。热焓和用量进行计算。第26页，共60页，编辑于2022年，星期三四、进行物料衡算四、进行物料衡算1 1、酶反应动力学参数的确定、酶反应动力学参数的确定 酶酶反反应应动动力力学学参参数数是是反反应应器器设设计计的的主要依据。主要依据。在在反反应应器器设设计计之之前前，就就应应当当根

25、根据据酶酶反反应应动动力力学学特特性性，确确定定反反应应所所需需的的底底物物浓浓度度、酶酶浓浓度度、最最适适温温度度、最最适适pHpH值值、激活剂浓度等参数。激活剂浓度等参数。第27页，共60页，编辑于2022年，星期三2 2、计算、计算底物用量底物用量 S（kg）S 所需的底物用量（所需的底物用量（kg，g）；）；P 反应产物的产量（反应产物的产量（kg，g）；）；YP/S产物转化率（）；产物转化率（）；R 产物收得率（）；产物收得率（）；YP/S=R=S反应前后底物浓度的变化；反应前后底物浓度的变化；S0 反应前的底物浓度（反应前的底物浓度（g/L）；）；St 反应后的底物浓度（反应后的底

26、物浓度（g/L）。）。PYP/SRPSSS0S0-StS0分离得到的产物量分离得到的产物量反应生成的产物量反应生成的产物量第28页，共60页，编辑于2022年，星期三3 3、计算、计算反应液总体积反应液总体积 根据所需的底物用量和底物浓度，就可以计算得到根据所需的底物用量和底物浓度，就可以计算得到反应液的总体积。反应液的总体积。Vt（L）Vt反应液总体积（反应液总体积（L）；）；S底物用量（底物用量（g）；）；S反应前的底物浓度（反应前的底物浓度（g/L）。）。4 4、计算、计算酶用量酶用量 根据催化反应所需的酶浓度和反应液体积，就可以计算根据催化反应所需的酶浓度和反应液体积，就可以计算所需的

27、酶量。所需的酶量。E=EVt（U）E所需的酶量（所需的酶量（U）；）；E酶浓度（酶浓度（U/L）；）；Vt反应液体积（反应液体积（L）。）。SS第29页，共60页，编辑于2022年，星期三5 5、计算反应器数目、计算反应器数目 反反应应器器的的有有效效体体积积是是指指酶酶在在反反应应器器中中进进行行催催化化反反应应时时，单单个个反反应应器器可可以以容容纳纳反反应应液液的的最最大大体体积积，一般反应液体积为反应器总体积的一般反应液体积为反应器总体积的7080。分批反应器分批反应器 N=N反应器数目（个）；反应器数目（个）；Vd每天获得的反应液总体积（每天获得的反应液总体积（L/d）；）；V0单个

28、反应器的有效体积（单个反应器的有效体积（L）；）；t底物在反应器中的停留时间（底物在反应器中的停留时间（h）2424小时小时VdtV024第30页，共60页，编辑于2022年，星期三连续反应器连续反应器 N=（个）（个）N 反应器数目（个）；反应器数目（个）；Vh每小时获得的反应液总体积（每小时获得的反应液总体积（L/h）；）；V0单个反应器的有效体积（单个反应器的有效体积（L）；）；t 底物在反应器中的停留时间（底物在反应器中的停留时间（h）根据反应强度计算反应器数目根据反应强度计算反应器数目 N（个）（个）QP反应器的生产强度反应器的生产强度 QP （g/Lh）VhtV0V0VhPV0QP

29、tPPh第31页，共60页，编辑于2022年，星期三第四节第四节 酶反应器的操作酶反应器的操作一、酶反应器的确定及其调控一、酶反应器的确定及其调控1 1、反应温度的确定与调节控制、反应温度的确定与调节控制 控控制制在在最最适适宜宜的的温温度度范范围围内内。热热交交换换装装置置或或水蒸气控制温度。水蒸气控制温度。2 2、pHpH值的确定值的确定 选选择择最最适适宜宜的的pHpH值值。采采用用稀稀酸酸或或稀稀碱碱进进行行，必要时可以采用缓冲溶液以维持反应液的必要时可以采用缓冲溶液以维持反应液的pHpH值。值。3 3、底物浓度的确定、底物浓度的确定 确确定定一一个个适适宜宜的的底底物物浓浓度度。通通

30、常常底底物物浓浓度度应应达到达到5 510Km10Km。第32页，共60页，编辑于2022年，星期三4 4、酶浓度的确定和调节控制、酶浓度的确定和调节控制 确确定定一一个个适适宜宜的的酶酶浓浓度度。适适时时对对酶酶进进行行补补充或更换，以保持一定的酶浓度。充或更换，以保持一定的酶浓度。5 5、搅拌速度的确定与调节控制、搅拌速度的确定与调节控制 确确定定适适宜宜的的搅搅拌拌速速度度，并并根根据据情情况况的的变变化化进进行行搅拌速度的调节。搅拌速度的调节。6 6、流动速度的确定与调节控制、流动速度的确定与调节控制 确确定定适适宜宜的的流流动动速速度度和和流流动动状状态态。并并根根据据情情况况进进行

31、适当的调节控制。行适当的调节控制。第33页，共60页，编辑于2022年，星期三二、酶反应器操作的注意事项二、酶反应器操作的注意事项1 1、保证酶反应器的操作稳定性、保证酶反应器的操作稳定性 尽尽量量保保持持操操作作的的稳稳定定性性，以以避避免免反反应应条条件件的的激激烈烈波波动动。保保持持搅搅拌拌速速度度的的稳稳定定；保保持持流流速速的的稳稳定定；此此外外，反反应应温温度度、反反应应液液pHpH值值等等尽尽量量保持稳定，以保持反应器恒定的生产能力。保持稳定，以保持反应器恒定的生产能力。第34页，共60页，编辑于2022年，星期三2 2、防止酶的变性失活、防止酶的变性失活温温度度：酶酶反反应应器

32、器的的操操作作温温度度一一般般不不宜宜过过高高，通通常常在在等于或者低于最适温度的条件下进行。等于或者低于最适温度的条件下进行。pHpH值值：严严格格控控制制在在酶酶催催化化反反应应的的适适宜宜pHpH值值范范围围内。内。重重金金属属：要要尽尽量量避避免免重重金金属属离离子子的的进进入入，必必要要时时添添加加适适量量的的EDTA等等金金属属鳌鳌合合离离子子，以以除除去去重重金金属属离子对酶的危害。离子对酶的危害。剪切力：防止过高的搅拌速度，控制流体的流速。剪切力：防止过高的搅拌速度，控制流体的流速。此外，可以添加某些保护剂，以提高酶的稳定性。此外，可以添加某些保护剂，以提高酶的稳定性。第35页

33、，共60页，编辑于2022年，星期三3 3、防止微生物的污染、防止微生物的污染 不不同同酶酶的的催催化化反反应应，由由于于底底物物、产产物物和和催催化化条条件件各各不不相相同同，在在催催化化过过程程中中受受到到微微生生物物污污染染的可能性有很大差别。的可能性有很大差别。一一些些酶酶催催化化反反应应的的底底物物或或产产物物对对微微生生物物的的生生长长、繁繁殖殖有有抑抑制制作作用用，其其受受微微生生物物污污染染的的情情况况较较少少。例如青霉素酰化酶催化青霉素或头孢霉素反应。例如青霉素酰化酶催化青霉素或头孢霉素反应。有有些些酶酶的的催催化化反反应应温温度度较较高高，微微生生物物无无法法生生长长。例例

34、：淀淀粉粉酶酶、TaqDNA聚聚合合酶酶的的反反应应温温度度在在50。有有些些酶酶催催化化的的pH值值较较高高或或较较低低，对对微微生生物物有有抑抑制制作用。例：胃蛋白酶在作用。例：胃蛋白酶在pH2的条件下催化。的条件下催化。有有些些酶酶在在有有机机介介质质中中进进行行催催化化，受受微微生生物物污污染染的的可可能性甚微。能性甚微。第36页，共60页，编辑于2022年，星期三有有些些催催化化反反应应的的底底物物或或产产物物是是微微生生物物生生长长、繁繁殖殖的的营营养养物物质质，必必须须注注意意防防止止微微生生物物污污染染。例例如：淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等。如：淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等

35、。在在酶酶反反应应器器的的操操作作过过程程中中，防防止止微微生生物物污污染染的的主主要措施有：要措施有：保保证证生生产产环环境境的的清清洁洁、卫卫生生，要要求求符符合合必必要要的的卫卫生条件。生条件。反反应应器器在在使使用用前前后后，都都要要进进行行清清洗洗和和适适当当的的消消毒毒处理。处理。在在反反应应器器的的操操作作过过程程中中，要要严严格格管管理理、经经常常检检测、避免微生物污染。测、避免微生物污染。必必要要时时，在在反反应应液液中中添添加加适适当当的的对对酶酶催催化化反反应应和和产产品品质质量量没没有有不不良良影影响响的的物物质质，以以抑抑制制微微生生物物的的生长，防止微生物的污染。生

36、长，防止微生物的污染。第37页，共60页，编辑于2022年，星期三分批搅拌罐式反应器第38页，共60页，编辑于2022年，星期三连续搅拌罐式反应器反应液出口底物进口第39页，共60页，编辑于2022年，星期三填充床式反应器反应产物出口底物溶液进口固定化酶第40页，共60页，编辑于2022年，星期三流化床式反应器反应产物出口固定化酶底物溶液进口第41页，共60页，编辑于2022年，星期三鼓泡式反应器反应液出口排气口空气分布器底物溶液进口 进气口第42页，共60页，编辑于2022年，星期三中空纤维反应器反应产物出口外壳中空纤维底物溶液进口第43页，共60页，编辑于2022年，星期三游离酶膜反应器反

37、应容器膜分离器超滤膜反应产物出口底物溶液进口酶循环使用第44页，共60页，编辑于2022年，星期三喷射式反应器高压蒸汽进口至维持罐底物溶液进口反应液第45页，共60页，编辑于2022年，星期三常用的酶反应器类型常用的酶反应器类型反应器类型操作方式适用的酶特点搅拌罐式反应器分批式、流加分批式游离酶、固定化酶设备简单、操作方便填充床式反应器连续式固定化酶催化反应器效率高流化床式反应器分批式、流加分批式固定化酶混合均匀、传质和传热好鼓泡式反应器分批式、流加分批式游离酶、固定化酶适合有气体参与膜反应器连续式游离酶、固定化酶集反应与分离于一体，酶可回收喷射式反应器连续式游离酶高温短时催化第46页，共60

38、页，编辑于2022年，星期三酶反应器的发展酶反应器的发展一.一.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 许许多多酶酶反反应应都都需需要要辅辅助助因因子子的的协协助助。如如辅辅酶酶、辅辅基基、能能量量供供给给体体等等，而而这这些些辅辅因因子子的的价价格格较较贵贵。如如采采用用简简单单的的添添加加方方法法，经经济济上上很很不不合合算算。因因此此，发发展展了了含含有有辅辅因因子子再再生生的的酶酶反反应应器器，使使辅辅因因子子能能反反复复使使用，降低生产成本。用，降低生产成本。第47页，共60页，编辑于2022年，星期三举例：举例：美美国国麻麻省省理理工工学学院院有有关关人人员员设设计计

39、ATPATP再再生生的的酶酶反反应应器器。反反应应器器由由3 3部部分分组组成成，第第一一部部分分固固定定两两个个酶酶系系组组成成一一个个反反应应器器，底底物物（氨氨基基酸酸）在在此此经经过过这这两两个个酶酶系系催催化化合合成成短短杆杆菌菌肽肽S S。第第二二部部分分也也固固定定两两个个酶酶系系，目目的的是是使使第第一一部部分分产产生生的的AMPAMP再再生生成成ATPATP。第第三三部部分分是是提提供供第第二二部部分分反反应应所所需需的的乙乙酰酰磷磷酸酸（由由第第一一部部分分反反应应产产生生的的磷磷酸酸和和乙乙烯烯酮反应得到）。酮反应得到）。第48页，共60页，编辑于2022年，星期三氨基酸

40、氨基酸短杆菌肽短杆菌肽10ATPI乙烯酮乙烯酮乙酰磷酸乙酰磷酸III乙酸乙酸II 10Pi10AMP第49页，共60页，编辑于2022年，星期三二、两项或多项反应器二、两项或多项反应器 许许多多底底物物不不溶溶或或微微溶溶于于水水，如如脂脂肪肪、类类脂脂肪肪或或极极性性较较低低的的物物质质，在在进进行行酶酶转转化化时时，在在水水相相中中有有浓浓度度低低、反反应应体体积积大大、分分离离困困难难、能能耗耗大大等等缺缺点点。若若使使酶酶反反应应能能在在水水-有有机机相相中中进进行行，则则可可大大大大增增加加反反应应时时的的底底物物浓浓度度。而而且且在在两两项项或或多多相相体体系系中中反反应应，还还常

41、常可可减减少少底底物物、特特别别是是产产物物对对酶酶的的抑抑制制作作用用，使使酶酶反反应应进进行行到到底底及及酶酶的的操操作作稳稳定定性性延长。延长。第50页，共60页，编辑于2022年，星期三举例：两相反应器举例：两相反应器 将将酶酶或或固固定定化化酶酶置置于于水水相相中中，而而底底物物溶溶于于有有机机相相中中，然然后后在在搅搅拌拌或或乳乳化化条条件件下下反反应应。有有机机相相一一般般使使用用碳碳氧氧化化合合物物及及芳芳香香族族化化合合物物，让让有有机机相相对对酶活的影响减少到最小。酶活的影响减少到最小。第51页，共60页，编辑于2022年，星期三三相反应器三相反应器 将将酶酶或或水水溶溶性

42、性固固定定化化酶酶溶溶于于水水中中，然然后后与与一一个个溶溶有有载载体体的的有有机机相相在在剧剧烈烈搅搅拌拌下下形形成成稳稳定定的的乳乳化化液液，再再将将此此乳乳化化液液倾倾入入缓缓缓缓搅搅拌拌的的溶溶有有底底物物的的水水相相中中，这这样样就就形形成成可可内内外外是是水水相相，而而中中间隔了一层有机相的反应系统。间隔了一层有机相的反应系统。第52页，共60页，编辑于2022年，星期三三、多酶反应器三、多酶反应器 随随着着科科学学技技术术的的发发展展，使使得得人人们们有有可可能能将将多多种种酶酶固固定定化化后后，制制成成多多酶酶反反应应器器，模模拟拟微微生生物物细细胞胞的的多多酶酶系系统统，进进

43、行行多多种种酶酶的的顺顺序序反反应应，来来合合成成各各种种产产物物。它它具具有有较较好好的的发发展展前前景景，不不但但可可组组成成高高效效率率、巧巧妙妙的的多多酶酶反反应应器器，而而且且还还可可构构成成全全新新的的酶酶化化学学合合成成路路线线，生生产产人人类类所所需需的的、自自然然界界不不存存在在的的物物质质。可可以以预预言言，今今后后将将利利用用固固定定化化酶酶反反应应器器进进行行顺顺序序的的连连续续反反应应，完完全全代代替替微微生生物物的的发发酵酵来来生生产产发发酵酵产产品品，用用小小型型的的柱柱式式反反应应器器，取取代代今今天天庞庞大大而而低低效效的的微微生生物物发发酵酵。化化工工厂厂、

44、制制药药厂厂的的高高大大的的反反应应塔塔和和密密如如蛛蛛网网的的管管道道也也将将由由简简单单、巧巧妙妙的的生生物物反反应应器器所所取取代代。第53页，共60页，编辑于2022年，星期三 连续流搅拌桶反应器连续流搅拌桶反应器连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器第54页，共60页，编辑于2022年，星期三 填充床反应器旋转填充床旋转填充床第55页，共60页，编辑于2022年，星期三设计题设计题根据设计任务书的要求进行酶反应器的选型和物料衡算。根据设计任务书的要求进行酶反应器的选型和物料衡算。设计任务书设计任务书项目名称：年产一万吨葡萄糖车间糖化酶反应器的设项目名称：年产一万吨葡萄糖车间糖化酶反应器

45、的设计计设计要求：设计要求：产品产量：葡萄糖产品产量：葡萄糖1 1万吨万吨/年年产品质量：达到国家有关标准产品质量：达到国家有关标准原料：可溶性淀粉（淀粉经过原料：可溶性淀粉（淀粉经过-淀粉酶糖化而成）淀粉酶糖化而成）淀粉葡萄糖转化率：淀粉葡萄糖转化率：95%95%葡萄糖收得率：葡萄糖收得率：98%98%糖化周期：糖化周期：48h48h糖化酶与淀粉比例为糖化酶与淀粉比例为0.01%0.01%每个反应器的体积为每个反应器的体积为20m20m3 3第56页，共60页，编辑于2022年，星期三（1 1）工工艺艺条条件件确确定定：根根据据任任务务书书要要求求和和糖糖化化酶酶的的反反应应动动力力学学常常

46、数数确确定定下下列列工工艺艺条条件件：淀淀粉粉液液浓浓度度35%35%，糖糖化化温温度度6060，反应，反应pH5.0pH5.0，糖化时间，糖化时间48h48h。（2 2）反反应应器器的的选选型型：由由于于底底物物相相对对分分子子质质量量较较大大，糖糖化化酶酶价价格格较较低低，所所以以本本设设计计采采用用游游离离糖糖化化酶酶为为催催化化剂剂，选选用分批搅拌罐式反应器。用分批搅拌罐式反应器。第57页，共60页，编辑于2022年，星期三物料衡算物料衡算原原料料用用量量：年年产产葡葡萄萄糖糖1 1万万吨吨，每每年年生生产产天天数数为为300300天，即每天生产葡萄糖天，即每天生产葡萄糖10000/3

47、00=33.310000/300=33.3吨。吨。根根据据设设计计要要求求，淀淀粉粉葡葡萄萄糖糖转转化化率率95%95%，葡葡萄萄糖糖收收 得得 率率98%98%，即即每每天天需需要要淀淀粉粉33.3/(0.950.98)=35.833.3/(0.950.98)=35.8吨。吨。反反应应液液体体积积：每每天天需需要要淀淀粉粉35.835.8吨吨，反反应应液液中中淀淀粉粉浓浓度度为为35%35%，即即每每天天需需要要反反应应液液总总体体积积为为35.8/0.35=102m35.8/0.35=102m3 3=102000L=102000L。糖糖化化酶酶用用量量：设设定定糖糖化化酶酶与与淀淀粉粉比比

48、例例为为0.01%0.01%，每每天天需需要要淀淀粉粉35.835.8吨吨，即即每每天天需需要要糖糖化化酶酶0.003580.00358吨吨=3.58kg=3.58kg。第58页，共60页，编辑于2022年，星期三反反应应器器数数目目：反反应应器器体体积积为为102m102m3 3，选选用用每每个个反反应应器器的的体体积积为为20m20m3 3，反反应应器器有有效效体体积积为为80%80%，糖糖化化时间为时间为4848小时，即需要反应器的数目为：小时，即需要反应器的数目为：取取整整数数为为1313个个加加上上一一个个备备用用罐罐，选选定定反反应应器器数数目目为为1414个。个。第59页，共60页，编辑于2022年，星期三bye-bye!bye-bye!第60页，共60页，编辑于2022年，星期三