第六章 酶反应器

第六章

酶反应器

酶反应器(Enzyme reactor):以游离酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应所需的容器及其附属设备称为酶

反应器，它是用于完成酶促反应的核心装置，是连接原料 和产物的桥梁。

作用：为酶催化反应提供合适的场所和最佳反应条件，在酶的催化下使底物最大限度的转化成产物。

特点： 不同于细胞生物反应器：

一步或几步催化反应的设备，结构简单只需考虑适合生物催化剂有效发挥催 化功能的反应条件，过程控制简单

不同于化学反应器：在低温、低压下发挥作用，反应时的

耗能和产能也比较少

生物催化 剂制备

过程调控 能量

原料 预处理

消 毒

酶反应器

产物分 离提纯

产 品

空气

除菌

热量

酶催化反应过程示意图

第六章 酶反应器 酶反应器的类型及特点 酶反应器的选择与设计 酶反应器的操作

本章重点内容1.酶反应器的类型及特点 2.酶反应器的选择依据 3.酶反应器的操作

6.1 酶反应器的类型及特点酶反应器分类 按结构分类

按操作方式分类 搅拌罐式反应器(Stirred 分批式反应器(batch ) Tank Reactor, STR) 连续流式反应器(continuous) 填充床式反应器(packed 流加分批式反应器(feeding bed reactor, PBR ) batch ) 流化床式反应器 结构+操作方式 ( Fluidized Bed Reactor, 连续流式搅拌罐式反应器 FBR) (Continuous Stirred Tank 鼓泡式反应器(bubble Reactor, CSTR) column reactor, BCR ) 分批式搅拌罐式反应器 喷射式反应器(projection (Batch Stirred Tank Reactor, reactor, PR) BSTR)酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)

传统酶反应器搅拌罐式反应器(Stirred Tank Reactor, STR) 填充床式反应器(packed bed reactor, PBR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 喷射式反应器(projection reactor, PR)

新型酶反应器酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)

1、搅拌罐式反应器6.1

最常用的一种传统形式的酶反应器。

酶 结构组成：容器(反应罐)、搅拌器及保温装置。 反 应 按操作方式分为： 器 分批式搅拌罐式反应器： 的 类 底物和游离酶一次性投入反应器，产物一次性取出； 型 游离或固定化酶在反应结束后经过滤回收，转入 及 下一批反应。 特 点

连续流式搅拌罐式反应器：

向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断

搅拌，反应平衡后，以恒定流速连续流入底物，以相同流速输出产物。

1、搅拌罐式反应器6.1

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

优点：结构简单，易操作；酶与底物混合充分均 匀；传质速度快，反应能迅速达到稳态；能处理 胶体状底物、不溶性底物。 缺点：反应效率低，搅拌动力消

耗；由于搅拌剪 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫 化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶 的失活损失。

发展与改进：在反应器出口装上滤器, 或制成磁 性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐 内，作为搅拌桨叶或挡板。

传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程， 称为质量传递过程，简称传质。 例如：气相-液相：液体蒸馏； 气相-固相：固体的干燥； 液相-固相：结晶、离子交换。

液体蒸馏：根据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组分气化， 以达到分离的目的。 结晶：含某物质的过饱和溶液与同一物质的固体相接触时，其分子以扩 散方式通过溶液到达固相表面，并析出使固体长大。 离子交换：溶液中阳离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交 换过程。

1、搅拌罐式反应器6.1

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

2、填充床式反应器6.1

Packed Bed Reactor, PBR,又称固定床反应器， 是固定化酶常用的一种反应器。

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

结构：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，底物溶液从反应器以一 定方向通过固定化酶柱床，通过酶催化生成 产物，并连续收集输出的转化液(含产物)。

操作特点：底物按一定方向以恒定速度通过固定化酶床层，通过底物溶液的流动实现 物质的传递与混合。 活塞流反应器：横截面液体流速相同，浓度 相同，流动方向底物、产物浓度逐渐变化。

2、填充床式反应器6.1

适用性：广泛适用于固定化酶 优点：高效率(单位体积催化剂负荷量高)、剪切力小、结构简单等，特别适合于存在底物、产物抑制的催化反 应，是工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

缺点：温度和pH难以控制；底物和产物会产生轴向分布，相应酶失活程度呈轴向分布；清洗和更换固定化酶麻烦； 传质传热性能较差，柱内有自压缩倾向，易堵塞(不宜 采用黏度大的底物),固定化酶受到的压力大(引起破 碎)。

改进：在固定床中间用托板分隔，减少底层固定化酶所受压力

3、流化床反应器6.1

结构：流化床反应器(Fluidized BedReactor, FBR)是一种装有较小颗粒的 垂直塔式反应器，反应器形状可为柱 形或锥形等。

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

操作特点：底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在悬浮状态下 进行催化反应。注意控制反应液的流 动速度。

适用性：适用于固定化酶进行连续催化反应

3、流化床反应器6.1

优点：不断旋转翻动，混合

均匀，具有良好的传质及传热性能，不易堵塞，适用于处理粘度高的液体； pH、温度控制及气体的供给比较容易；即使细小颗粒的固 定化酶，压力也不会很高。

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

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，易导致粒子的机械破损；由于流化 床的空隙体积大，酶的浓度不高。

4、鼓泡式反应器6.1

酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点

特点：利用从反应器底部通入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合两种作用。 结构：底部有气体分散板或其它形式的气体分散装置。 操作：游离酶、固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部 通入。气体经过分散板得到充分分散，气泡提供混合作用。 优点：适用于有气体吸收的生物反应。