Chapter 7 Reactors for enzymatic catalysis 酶反应器 制作:郑穗平
Chapter 7 Reactors for enzymatic catalysis 酶反应器 制作：郑穗平
Contents of chapter 5 ⊙o>1、什么是酶反应器 Go>2、理想的酶反应器的要求 0>3、各种酶反应器的特点 4、酶反应器的选择和使用 Go>5、酶反应器的设计
Contents of chapter 5 1、什么是酶反应器 2、理想的酶反应器的要求 3、各种酶反应器的特点 4、酶反应器的选择和使用 Go Go Go Go Go 5、酶反应器的设计
71什么是酶反应器 酶和固定化酶在体外进行催化反应时,都必需在一定的反应容器中 进行,以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适 的场所和最佳的反 以便在酶的催化下,使底物(原料)最大 限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位,是连接原料和 产物的桥梁
7.1 什么是酶反应器 酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中 进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。 用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适 的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大 限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和 产物的桥梁
生物催化 过程调控 剂制备 能量 原料 预处理毒口生物反应器产物分产 消 离提纯 空气 除菌 热量 酶催化反应过程示意图 回本章目录
酶催化反应过程示意图 过程调控 生物反应器 消 毒 原料 预处理 产物分 离提纯 产 品 生物催化 剂制备 空气 除菌 能量 热量 回本章目录
7.2理想的酶反应器的要求 生物反应器设计的主要目标: ■使产品的质量最高,生产成本最低 评价生物反应器的主要标准: 反应器生产能力的大小和产品质量的高低 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。 (2)能用电脑自动检测和调控,从而获得最佳的反应条件。 (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。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。 (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
7.2 理想的酶反应器的要求 ◼ 生物反应器设计的主要目标： ◼ 使产品的质量最高，生产成本最低。 ◼ 评价生物反应器的主要标准： ◼ 反应器生产能力的大小和产品质量的高低。 (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。 (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。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 (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。传质阻力是反应器速度限制的主要因素
常见的酶反应器类型 按结构区分 搅拌罐式反应器( Stirred tank reactor,STR) 鼓泡式反应器( bubble column reactor,BCR) 填充床式反应器( packed column reactor,PCR) 流化床式反应器( Fluidized bed reactor,FBR) 膜反应器( Membrane reactor,MR) 按操作方式区分 分批式反应( batch) 连续式反应( continuous) 流加分批式反应( feeding batch) 混合形式 连续搅拌罐反应器( Continuous stirred tank reactor,CSTR) 分批搅拌罐反应器( Batch stirred tank reactor,BSTR) 回本章目录
常见的酶反应器类型 ◼ 按结构区分 ◼ 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） ◼ 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) ◼ 填充床式反应器(packed column reactor, PCR ) ◼ 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR) ◼ 膜反应器(Membrane Reactor, MR) ◼ 按操作方式区分 ◼ 分批式反应(batch ) ◼ 连续式反应(continuous ) ◼ 流加分批式反应(feeding batch ) ◼ 混合形式 ◼ 连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） ◼ 分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR） 回本章目录
73各种酶反应器的特点 反应器类型 适用的操作方式适用的酶特点 搅拌罐式反应器分批式 游离酶 反应比较完全,反应条 流加分批式 固定化酶件容易调节控制。 连续式 填充床式反应器连续式 固定化酶密度大,可以提高酶催 化反应的速度。在工业 生产中普遍使用 流化床反应器 分批式 固定化酶流化床反应器具有混合 流加分批式 均匀,传质和传热效果 连续式 好,温度和p值的调节 控制比较容易,不易堵 塞,对粘度较大反应液 也可进行催化反应
7.3 各种酶反应器的特点 反应器类型 适用的操作方式 适用的酶 特点 搅拌罐式反应器 分批式, 流加分批式 连续式, 游离酶 固定化酶 反应比较完全，反应条 件容易调节控制。 填充床式反应器 连续式 固定化酶 密度大，可以提高酶催 化反应的速度。在工业 生产中普遍使用。 流化床反应器 分批式 流加分批式 连续式 固定化酶 流化床反应器具有混合 均匀，传质和传热效果 好，温度和pH值的调节 控制比较容易，不易堵 塞，对粘度较大反应液 也可进行催化反应
反应器类型适用的操作方式适用的酶 特点 鼓泡式反应器分批式 游离酶 鼓泡式反应器的结构简单,操 流加分批式 固定化酶作容易,剪切力小,混合效果 连续式 好,传质、传热效率高,适合 于有气体参与的反应。 膜反应器 连续式 游离酶 清洗比较困难 固定化酶 喷射式反应器连续式 游离酶 通入高压喷射蒸汽,实现酶与 底物的混合,进行高温短时催 化反应,适用于某些耐高温酶 的反应
反应器类型 适用的操作方式 适用的酶 特点 鼓泡式反应器 分批式 流加分批式 连续式 游离酶 固定化酶 鼓泡式反应器的结构简单，操 作容易，剪切力小，混合效果 好，传质、传热效率高,适合 于有气体参与的反应。 膜反应器 连续式 游离酶 固定化酶 清洗比较困难 喷射式反应器 连续式 游离酶 通入高压喷射蒸汽，实现酶与 底物的混合，进行高温短时催 化反应，适用于某些耐高温酶 的反应
(1)间歇式酶反应器 又称为批量反应器( Batch Reactor bstr)、间歇式搅拌罐、搅拌 式反应罐。其特点是:底物与酶一次性投入反应器内,产物一次性 取出;反应完成之后,固定化酶(细胞)用过滤法或超滤法回收, 再转入下一批反应 优点是:装置较简单,造价较低,传质阻力很小,反应能很迅速达 到稳态。 缺点是:操作麻烦,固定化酶经反复回收使用时,易失去活性,故 在工业生产中,间歇式酶反应器很少用于固定化酶,但常用于游离 酶
(1)间歇式酶反应器 ◼ 又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌 式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性 取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收， 再转入下一批反应。 ◼ 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达 到稳态。 ◼ 缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故 在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离 酶
2)连续式酶反应器 又称为连续搅拌釜式反应器( Continuous stirred tank reactor, CSTR)、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液,不 断搅拌,反应达到平衡之后,再以恒定的流速连续流入底物溶液, 同时,以相同流速输出反应液(含产物)。 优点是:在理想状况下,混合良好,各部分组成相同,并与输出 成分一致 ■缺点是:搅拌浆剪切力大,易打碎磨损固定化酶颗粒。 反应液出口 底物溶液进口→
(2) 连续式酶反应器 ◼ 又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不 断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液， 同时，以相同流速输出反应液（含产物）。 ◼ 优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出 成分一致。 ◼ 缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。 底物溶液进口 反应液出口