3 酶反应器 教学基本内容： 介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶反应器的概念，连续全混流酶 反应器（CSTR）的特点和操作方程的建立；连续活塞流酶反应器（BCFR）的特点 和操作方程的建立；分批式全混流酶反应器（BSTR）的特点和操作方程的建立。 CSTR 型酶反应器和 CPFR 型酶反应器性能的比较。固定化酶反应器的选择。 3.1 酶反应器的分类 3.2 理想型酶反应器 3.3 酶反应器操作方程 3.4 酶反应器设计和操作参数 3.5 PFR 和 CSTR 型酶反应器性能比较 3.6 固定化酶反应器的选择 授课重点： 1. 理想型酶反应器的概念。CSTR 型酶反应器、CPFR 型酶反应器、BSTR 型酶 反应器的特点。 2. CSTR 型酶反应器、CPFR 型酶反应器、BSTR 型酶反应器的操作方程。 难点： 1.理想的酶反应器的概念。 2.CSTR 型酶反应器和 CPFR 型酶反应器的操作方程。 3.返混的概念。 本章主要教学要求： 1. 了解常见的酶反应器，熟悉酶反应器的分类。 2. 掌握理想型酶反应器的概念。 3. 理解 CSTR、CPFR 和 BSTR 型酶反应器操作方程的推导过程。能够熟练 运用操作方程进行酶反应器的设计。 4. 熟悉 CSTR、CPFR 和 BSTR 型酶反应器的性能，能够合理选择酶反应器
3 酶反应器 教学基本内容： 介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶反应器的概念，连续全混流酶 反应器（CSTR）的特点和操作方程的建立；连续活塞流酶反应器（BCFR）的特点 和操作方程的建立；分批式全混流酶反应器（BSTR）的特点和操作方程的建立。 CSTR 型酶反应器和 CPFR 型酶反应器性能的比较。固定化酶反应器的选择。 3.1 酶反应器的分类 3.2 理想型酶反应器 3.3 酶反应器操作方程 3.4 酶反应器设计和操作参数 3.5 PFR 和 CSTR 型酶反应器性能比较 3.6 固定化酶反应器的选择 授课重点： 1. 理想型酶反应器的概念。CSTR 型酶反应器、CPFR 型酶反应器、BSTR 型酶 反应器的特点。 2. CSTR 型酶反应器、CPFR 型酶反应器、BSTR 型酶反应器的操作方程。 难点： 1.理想的酶反应器的概念。 2.CSTR 型酶反应器和 CPFR 型酶反应器的操作方程。 3.返混的概念。 本章主要教学要求： 1. 了解常见的酶反应器，熟悉酶反应器的分类。 2. 掌握理想型酶反应器的概念。 3. 理解 CSTR、CPFR 和 BSTR 型酶反应器操作方程的推导过程。能够熟练 运用操作方程进行酶反应器的设计。 4. 熟悉 CSTR、CPFR 和 BSTR 型酶反应器的性能，能够合理选择酶反应器
3 酶反应器 生物反应器的概念提出： 20 世纪 70 年代，Arkinson 提出生化反应器（biochemical reactor）一词。 同时，0llis 提出另一术语—生物反应器（biological reactor）。 80 年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现 。 生物反应器（bioreactor）是指有效利用生物反应机能的系统（场所）。既包 括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、 动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。 3.1 酶反应器的分类： 典型的酶反应器有连续搅拌式反应器、多级搅拌床、流化床、填充床、管式 反应器。如图所示。 搅拌罐 多级搅拌床 管式反应器 流化床 填充床 与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。 溶液酶反应器 （1） 根据所使用的酶，分为 固定化酶反应器
3 酶反应器 生物反应器的概念提出： 20 世纪 70 年代，Arkinson 提出生化反应器（biochemical reactor）一词。 同时，0llis 提出另一术语—生物反应器（biological reactor）。 80 年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现 。 生物反应器（bioreactor）是指有效利用生物反应机能的系统（场所）。既包 括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、 动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。 3.1 酶反应器的分类： 典型的酶反应器有连续搅拌式反应器、多级搅拌床、流化床、填充床、管式 反应器。如图所示。 搅拌罐 多级搅拌床 管式反应器 流化床 填充床 与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。 溶液酶反应器 （1） 根据所使用的酶，分为 固定化酶反应器
分批式操作 （2） 根据操作方式，分为 连续式操作 流加式操作 罐型 （3） 根据几何形式，分为 管型 膜型 非理想型酶反应器 （4） 根据流体流动特性 活塞式反应器 理想型酶反应器 全混式反应器 3.2 理想型酶反应器 在管式反应器中，当流体以流速较小的层流流动时，管内流体速度呈抛物线 形分布；当流体以流速较大的湍流流动时，速度分布较为均匀，但边界层中速度 减缓，径向和轴向存在一定程度的混合。流体流动速度分布不均或混合，将导致 物料浓度分布不同，从而导致酶促反应速率计算的复杂性。因此，设想了连续活 塞式酶反应器（简称 CPFR）（continuous plug flow reactor）。CPFR 型酶反应器的 特点：连续稳态操作条件下，物料浓度不随时间而变化，径向上物料浓度均一分 布，轴向上物料浓度存在差异。因此酶促反应速率只在轴向存在不同分布。 真实反应器中速度分布 CPFR 反应器中速度分布 在搅拌罐式反应器中，尽管有搅拌器不停地搅拌，物料浓度仍然存在差异， 这种差异使酶促反应速率的计算变得非常复杂，因此设想了全混式反应器。 连续全混式反应器（简称 CSTR）（continuous-flow stirred tank reactor）的特 点：连续稳态操作条件下，反应器内物料浓度分布均匀，不随空间和时间而变化。 分批全混式反应器（简称 BSTR）（batch stirred tank reactor）的特点：反应 器内物料浓度随时间而变化，但在同一时刻，物料浓度均匀分布
分批式操作 （2） 根据操作方式，分为 连续式操作 流加式操作 罐型 （3） 根据几何形式，分为 管型 膜型 非理想型酶反应器 （4） 根据流体流动特性 活塞式反应器 理想型酶反应器 全混式反应器 3.2 理想型酶反应器 在管式反应器中，当流体以流速较小的层流流动时，管内流体速度呈抛物线 形分布；当流体以流速较大的湍流流动时，速度分布较为均匀，但边界层中速度 减缓，径向和轴向存在一定程度的混合。流体流动速度分布不均或混合，将导致 物料浓度分布不同，从而导致酶促反应速率计算的复杂性。因此，设想了连续活 塞式酶反应器（简称 CPFR）（continuous plug flow reactor）。CPFR 型酶反应器的 特点：连续稳态操作条件下，物料浓度不随时间而变化，径向上物料浓度均一分 布，轴向上物料浓度存在差异。因此酶促反应速率只在轴向存在不同分布。 真实反应器中速度分布 CPFR 反应器中速度分布 在搅拌罐式反应器中，尽管有搅拌器不停地搅拌，物料浓度仍然存在差异， 这种差异使酶促反应速率的计算变得非常复杂，因此设想了全混式反应器。 连续全混式反应器（简称 CSTR）（continuous-flow stirred tank reactor）的特 点：连续稳态操作条件下，反应器内物料浓度分布均匀，不随空间和时间而变化。 分批全混式反应器（简称 BSTR）（batch stirred tank reactor）的特点：反应 器内物料浓度随时间而变化，但在同一时刻，物料浓度均匀分布
3.3 酶反应器操作方程： 3.3.1 CPFR 型酶反应器 CPFR 型酶反应器中，物料浓度沿轴向存在差异，因此酶促反应速率沿轴向 变化。因此取微元单位，进行物料衡算。 流入量-流出量=反应量 FS − F(S + dS) = rAdl (1) 当酶促反应符合米氏方程规律时, K S r S r m + = max (2) 将(2)式代入(1)式，得 Adl K S r S FdS m + − = max （3） 边界条件： in L S Sout l = 0, S = S ;l = , = 积分得： F V r S S S S K in out in out m max ( − ) − ln = （4） 令： F V = ，为停留时间 in in out S S − S = ，为转化率 则 S K ln(1 ) rmax in − m − = （5） （5）式即为 CPFR 型酶反应器的操作方程。方程表明，转化率 由停留时间 F, Sin F, Sout F, S F, S+dS dl
3.3 酶反应器操作方程： 3.3.1 CPFR 型酶反应器 CPFR 型酶反应器中，物料浓度沿轴向存在差异，因此酶促反应速率沿轴向 变化。因此取微元单位，进行物料衡算。 流入量-流出量=反应量 FS − F(S + dS) = rAdl (1) 当酶促反应符合米氏方程规律时, K S r S r m + = max (2) 将(2)式代入(1)式，得 Adl K S r S FdS m + − = max （3） 边界条件： in L S Sout l = 0, S = S ;l = , = 积分得： F V r S S S S K in out in out m max ( − ) − ln = （4） 令： F V = ，为停留时间 in in out S S − S = ，为转化率 则 S K ln(1 ) rmax in − m − = （5） （5）式即为 CPFR 型酶反应器的操作方程。方程表明，转化率 由停留时间 F, Sin F, Sout F, S F, S+dS dl
决定。停留时间 越长，则转化率 越高。 3.3.2 CSTR 型酶反应器 在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度处处相等，因此酶促反应速率处处相等。 对反应器内底物进行物料衡算： 流入量－流出量＝反应量 FSin − FSout = rV （1） 当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率 m out out K S r S r + = max （2） 将（2）式代入（1）式中，得 V K S r S F S S m out out in out + − = max ( ) （3） 化简，得： F V r S S S S S K out in out in out m max ( ) = − − + （4） 或： max 1 S K r in m = − + （5） （5）式即为 CSTR 型酶反应器操作方程。方程表明，转化率 由停留时间 决定。停留时间 越长，则转化率 越高。 3.3.3 BSTR 型酶反应器 BSTR 型酶反应器与 CSTR 型反应器的区别在于操作方式，BSTR 型为分批 F，Sin F，Sout Sout
决定。停留时间 越长，则转化率 越高。 3.3.2 CSTR 型酶反应器 在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度处处相等，因此酶促反应速率处处相等。 对反应器内底物进行物料衡算： 流入量－流出量＝反应量 FSin − FSout = rV （1） 当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率 m out out K S r S r + = max （2） 将（2）式代入（1）式中，得 V K S r S F S S m out out in out + − = max ( ) （3） 化简，得： F V r S S S S S K out in out in out m max ( ) = − − + （4） 或： max 1 S K r in m = − + （5） （5）式即为 CSTR 型酶反应器操作方程。方程表明，转化率 由停留时间 决定。停留时间 越长，则转化率 越高。 3.3.3 BSTR 型酶反应器 BSTR 型酶反应器与 CSTR 型反应器的区别在于操作方式，BSTR 型为分批 F，Sin F，Sout Sout
式操作，CSTR 型为连续式操作。在 BSTR 型酶反应器中，反应器中底物浓度随 时间不断降低，但在同一时刻，反应器内底物浓度均匀分布。 以酶促反应符合米氏方程为例，t 时刻酶促反应速率为 m t t t K S r S dt dS r + = − = max 边界条件： St So t = 0, = 积分，得： r t S S S S K o t 0 t m max ( − ) − ln = 或： S K r t o m max − ln(1− ) = 上式与 PFR 型酶反应器在形式上相同。注意其含义之区别。 3.4 酶反应器设计和操作参数 （1）停留时间 ： 指反应物料从进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。对于 分批式搅拌罐（BSTR），所有物料的停留时间都相等，且等于反应的时间。对 CPFR，两者也是一致的。对于 CSTR，是指“平均停留时间”。 对于连续式操作， F V = 。又称空时。 （2）转化率 ： 对于分批式操作， 0 0 S S − St = 对于连续操作， in in out S S − S = （3）生产能力 Pr：
式操作，CSTR 型为连续式操作。在 BSTR 型酶反应器中，反应器中底物浓度随 时间不断降低，但在同一时刻，反应器内底物浓度均匀分布。 以酶促反应符合米氏方程为例，t 时刻酶促反应速率为 m t t t K S r S dt dS r + = − = max 边界条件： St So t = 0, = 积分，得： r t S S S S K o t 0 t m max ( − ) − ln = 或： S K r t o m max − ln(1− ) = 上式与 PFR 型酶反应器在形式上相同。注意其含义之区别。 3.4 酶反应器设计和操作参数 （1）停留时间 ： 指反应物料从进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。对于 分批式搅拌罐（BSTR），所有物料的停留时间都相等，且等于反应的时间。对 CPFR，两者也是一致的。对于 CSTR，是指“平均停留时间”。 对于连续式操作， F V = 。又称空时。 （2）转化率 ： 对于分批式操作， 0 0 S S − St = 对于连续操作， in in out S S − S = （3）生产能力 Pr：
对于分批式操作， t P P t r = 对于连续式操作， out r P P = （4）选择性： 对分批式操作， ( ) SP 0 t t P a S S P S − = 对连续式操作， ( ) SP in out out P a S S P S − = 3.5 PFR 和 CSTR 型酶反应器性能比较 （1）停留时间的比较 CPFR 型： in m CPFR S − K ln(1− ) = rmax （1） CSTR 型： in m CSTR S K r max 1 = − + （2） （1）、（2）两式相除，得 ln(1 ) 1 − − + + = m in m in CPFR CSTR K S K S （3） 以 ~ CPFR CSTR 作图。 由图中可以看出，为达到相同的转化率，CSTR 所需停留时间较长。 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0.7 0.8 0.9 1 ■ Sin/km=0 ◆ Sin/km=1 ▲ Sin/km=10 ● Sin/km=100 CPFR CSTR
对于分批式操作， t P P t r = 对于连续式操作， out r P P = （4）选择性： 对分批式操作， ( ) SP 0 t t P a S S P S − = 对连续式操作， ( ) SP in out out P a S S P S − = 3.5 PFR 和 CSTR 型酶反应器性能比较 （1）停留时间的比较 CPFR 型： in m CPFR S − K ln(1− ) = rmax （1） CSTR 型： in m CSTR S K r max 1 = − + （2） （1）、（2）两式相除，得 ln(1 ) 1 − − + + = m in m in CPFR CSTR K S K S （3） 以 ~ CPFR CSTR 作图。 由图中可以看出，为达到相同的转化率，CSTR 所需停留时间较长。 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0.7 0.8 0.9 1 ■ Sin/km=0 ◆ Sin/km=1 ▲ Sin/km=10 ● Sin/km=100 CPFR CSTR
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0.7 0.8 0.9 1 （2）酶需求量的比较： CPFR 型： in m ECSTR S K r k max 2 − ln(1− ) = = （1） CSTR 型： in m ECPFR S K r k max 2 1 = = − + （2） （1）、（2）式相除，得 ln(1 ) 1 − − − + = m in m in CPFR CSTR K S K S E E 以 ~ CPFR CSTR E E 作图。 CPFR CSTR E E 如图所示：为以相同的停留时间达到相同的转化率，CSTR 型反应器所需酶 量要大大高于 PFR 型反应器。 （3）反应器中的底物、产物浓度分布 S Sin Sout S Sin Sout l PFR 型酶反应器 V CSTR 型酶反应器
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0.7 0.8 0.9 1 （2）酶需求量的比较： CPFR 型： in m ECSTR S K r k max 2 − ln(1− ) = = （1） CSTR 型： in m ECPFR S K r k max 2 1 = = − + （2） （1）、（2）式相除，得 ln(1 ) 1 − − − + = m in m in CPFR CSTR K S K S E E 以 ~ CPFR CSTR E E 作图。 CPFR CSTR E E 如图所示：为以相同的停留时间达到相同的转化率，CSTR 型反应器所需酶 量要大大高于 PFR 型反应器。 （3）反应器中的底物、产物浓度分布 S Sin Sout S Sin Sout l PFR 型酶反应器 V CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的底物具有较高浓度，出口端浓度较低；在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，底物浓度较低。 CPFR 酶反应器 CSTR 型酶反应器 在 PFR 型反应器中，进口端的产物浓度较低，出口端浓度较高；在 CSTR 型酶反应器中，产物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，产物浓度较高。 可见，PFR 型酶反应器中底物浓度较高，而产物浓度较低。因此，如果酶促 反应速率与底物浓度成正比，那么，CPFR 中反应速率较高，生产能力较高。而 当发生底物抑制时，PFR 型酶反应器转化率的降低要比 CSTR 型剧烈得多；而产 物抑制对 CSTR 型酶反应器影响更显著。 综上所述， PFR 型酶反应器性能更好，这与之不存在返混有关；CSTR 型酶 反应器性能较差，这与之存在返混有关。当多个 CSTR 反应器串联时，一般随罐 数增多，反应的转化率增高，当罐数增至无限多时，最终将与 PFR 型的转化率 一致。但是应特别指出的是，将两个或三个反应器串联后，转化率增大最明显， 随串联数不断增加，转化率的增大会越来越不显著。因此，在实际生产中，一般 采用二级或三级串联。 f，S0 f，S1 f，S2 f，S3 Pout Pin l Pout Pin V
在 PFR 型反应器中，进口端的底物具有较高浓度，出口端浓度较低；在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，底物浓度较低。 CPFR 酶反应器 CSTR 型酶反应器 在 PFR 型反应器中，进口端的产物浓度较低，出口端浓度较高；在 CSTR 型酶反应器中，产物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，产物浓度较高。 可见，PFR 型酶反应器中底物浓度较高，而产物浓度较低。因此，如果酶促 反应速率与底物浓度成正比，那么，CPFR 中反应速率较高，生产能力较高。而 当发生底物抑制时，PFR 型酶反应器转化率的降低要比 CSTR 型剧烈得多；而产 物抑制对 CSTR 型酶反应器影响更显著。 综上所述， PFR 型酶反应器性能更好，这与之不存在返混有关；CSTR 型酶 反应器性能较差，这与之存在返混有关。当多个 CSTR 反应器串联时，一般随罐 数增多，反应的转化率增高，当罐数增至无限多时，最终将与 PFR 型的转化率 一致。但是应特别指出的是，将两个或三个反应器串联后，转化率增大最明显， 随串联数不断增加，转化率的增大会越来越不显著。因此，在实际生产中，一般 采用二级或三级串联。 f，S0 f，S1 f，S2 f，S3 Pout Pin l Pout Pin V
, , , 2 2 3 3 1 1 2 2 0 0 1 1 S S S S S S S S S − = − = − = 则 (1 ) (1 )(1 ) (1 )(1 )(1 ) S3 = S2 − 3 = S1 − 2 − 3 = S0 − 1 − 2 − 3 串联后总转化率 1 (1 )(1 )(1 ) 1 2 3 0 0 3 = − − − − − = S S S 3.6 固定化酶反应器的选择 一般来说，活塞流型反应器在固定化酶反应器中占主导地位。 存在底物抑制时，搅拌式反应器性能优于填充床式。 固定化酶有颗粒状、膜状、管状、纤维状。其中以颗粒状为多，这是由于其 比表面积大。若颗粒较小，可选用流化床。若仍采用填充床，就会导致较高的压 力降，在大生产中难以实现高的效率。 固定化酶的机械强度也是应考虑的问题。有些固定化酶(如凝胶包埋法或微 胶囊法制备的固定化酶)机械强度较差。因此在搅拌罐中，搅拌浆的剪切作用会 使催化剂遭到破坏；在塔式反应器中，随塔身增高，由于凝胶颗粒自身的重量， 会使凝胶发生压缩变形，压损增大，为此应在塔内安装筛板，将凝胶适当的间隔 开。 酶的失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂再生， 更换或补充，这就需要相应的构件。 反应器的 pH 调节、温度控制也是要考虑的因素。 另外，还要考虑底物的性质。如底物为细粒状或胶状，选流化床式反应器较 好
, , , 2 2 3 3 1 1 2 2 0 0 1 1 S S S S S S S S S − = − = − = 则 (1 ) (1 )(1 ) (1 )(1 )(1 ) S3 = S2 − 3 = S1 − 2 − 3 = S0 − 1 − 2 − 3 串联后总转化率 1 (1 )(1 )(1 ) 1 2 3 0 0 3 = − − − − − = S S S 3.6 固定化酶反应器的选择 一般来说，活塞流型反应器在固定化酶反应器中占主导地位。 存在底物抑制时，搅拌式反应器性能优于填充床式。 固定化酶有颗粒状、膜状、管状、纤维状。其中以颗粒状为多，这是由于其 比表面积大。若颗粒较小，可选用流化床。若仍采用填充床，就会导致较高的压 力降，在大生产中难以实现高的效率。 固定化酶的机械强度也是应考虑的问题。有些固定化酶(如凝胶包埋法或微 胶囊法制备的固定化酶)机械强度较差。因此在搅拌罐中，搅拌浆的剪切作用会 使催化剂遭到破坏；在塔式反应器中，随塔身增高，由于凝胶颗粒自身的重量， 会使凝胶发生压缩变形，压损增大，为此应在塔内安装筛板，将凝胶适当的间隔 开。 酶的失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂再生， 更换或补充，这就需要相应的构件。 反应器的 pH 调节、温度控制也是要考虑的因素。 另外，还要考虑底物的性质。如底物为细粒状或胶状，选流化床式反应器较 好