巴程 第六章酶反应器 第一节酶反应器的特点与类型 以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为酶反 应器 酶反应器基本上是游离酶、固定化酶或固定化细 胞催化反应的容器(附加上混合取样和检测设备)。 反应器的作用是以尽可能低的成本,按一定的速 度由规定的反应物制备特定产物。酶反应器不同 于化学反应器,它是在低温、低压下发挥作用, 反应时的耗能和产能也比较少 酶反应器也不同于发酵反应器,因为它不表现自 催化方式,即细胞的连续再生。 College of Life > clehce 生命科学学院
第六章酶反应器 第一节 酶反应器的特点与类型 • 以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为酶反 应器。 • 酶反应器基本上是游离酶、固定化酶或固定化细 胞催化反应的容器(附加上混合取样和检测设备)。 反应器的作用是以尽可能低的成本，按一定的速 度由规定的反应物制备特定产物。酶反应器不同 于化学反应器，它是在低温、低压下发挥作用， 反应时的耗能和产能也比较少。 • 酶反应器也不同于发酵反应器，因为它不表现自 催化方式，即细胞的连续再生
巴程 衰7-1 反应器形式及其特征 型式名称适用的操作方式 特 征 均相酶 搅拌分批,半分批|反应器内的溶液用搅器机械混合 反应器超滤模分批,半分批采用如透析膜超滤膜中空纤维等,只允 许低分子化合物而腺不能通过的膜反应器, 反应器|连 续适用于大分子底物 搅拌罐分批,半分批」用搅拌器搅拌,固定化酯或固定化微生物 连 续粒子悬浮在溶液中,粒子保留在櫝内 固定床连 续最广泛使用的固定化及固定化微生物反 应器。把固定化酶或固定化微生物粒子(粒 或填充床 径10m至若干毫米)填充在塔内,底物溶液 般是由下向上通入 固定化 流化床分批,连线 靠溶液的流动促使固定化酵或固定化微生 物的粒子在床内激烈搅动、竭合 膜反应器连 续 膜状或者片状的固定化或固定化微生物 反应器。其组件形式有中空酶管、螺旋板反 应器、旋转圆盘型、平板型等 款泡塔分批,半分批将固定化酶或者固定化微生物额粒悬浮在 连 续鼓泡塔中。粒子保留塔内,适用于有气体 )参 College of Life Science 生命科学学院
巴程 游离酶反应器 1.搅拌罐式反应器 它由容器、搅拌器及保温装置组成。 2.超滤膜酶反应器 底物 酶再循环 反应器 反应器 膜 分离器 反应产物 (a) (b) 图7-1搅拌罐式反应器(a)和超滤膜酶反应器(b)示意图 此反应器可以作用于胶态或不溶性底物,特别是产物对酶有 抑制作用时.采用此装置较合适。但是,酶的长期操作稳定 性差,而且酶易在起滤膜上吸附损失,或在膜表面浓缩极化 College of Life > clehce 生命科学学院
一、游离酶反应器 1．搅拌罐式反应器 它由容器、搅拌器及保温装置组成。 2．超滤膜酶反应器 • 此反应器可以作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有 抑制作用时．采用此装置较合适。但是，酶的长期操作稳定 性差，而且酶易在起滤膜上吸附损失，或在膜表面浓缩极化
巴程 二、固定化酶反应器 l.搅拌罐型反应器 有分批反应器( Batch stirred Tank Reactor bstr)相连 续流搅拌罐反应器( Continuos flow stirred tank reactor, CSTR)(图7-2)。这类反应器的特点是内容物的混合是充 分均匀的。 分批反器 连续搅拌反应器 填充床反应器 流化岸反应赛 产物 产 炫物 底物 BSTR CSTR FBR 图7-2各种类型的固定化酶反应器 College of Life > clehce 生命科学学院
二、固定化酶反应器 I．搅拌罐型反应器 – 有分批反应器(Batch Stirred Tank Reactor BSTR)相连 续流搅拌罐反应器(Continuos Flow Stirred Tank Reactor， CSTR)(图7—2)。这类反应器的特点是内容物的混合是充 分均匀的
巴程 2.固定床型反应器 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床(也称填充 床,床可直立或平放)内,底物按一定方向以恒定速度 通过反应床(图7-2)。它是一种单位体积催化剂负荷 量多,效率高的反应器。当前工业上多数采用此类反 应器。 与全混流反应器(CSTR)相反,有另一类理想的、没有 返混的反应器,称为活塞流反应器(PFR)。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 浓度是逐渐变化的,但同一横切面上浓度是一致的。 因此,称为活塞流反应器( Plug Flow Reactor PFR)。 高(长)径比较大的管式反应器,接近于活塞流反应器 College of Life > clehce 生命科学学院
2．固定床型反应器 – 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床(也称填充 床，床可直立或平放)内，底物按一定方向以恒定速度 通过反应床(图7—2)。它是一种单位体积催化剂负荷 量多，效率高的反应器。当前工业上多数采用此类反 应器。 – 与全混流反应器(CSTR)相反，有另一类理想的、没有 返混的反应器，称为活塞流反应器(PFR)。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 浓度是逐渐变化的，但同一横切面上浓度是一致的。 – 因此，称为活塞流反应器(Plug Flow Reactor PFR)。 高(长)径比较大的管式反应器，接近于活塞流反应器
固定床反应器可使用高浓度的催化剂,反 应产生的产物和扣制剂可从反应器中不断 地流出。由于产物浓度沿反应器长度是逐 渐增高的,因此与CSTR相比.可减少产物 的抑制作用。但是它存在下列缺点: (1)温度和pH难以控制。 (2)底物和产物会产生轴向浓度分布。 (3)清洗和更换部分固定化酶较麻烦。 College of Life > clehce 生命科学学院
• 固定床反应器可使用高浓度的催化剂，反 应产生的产物和抑制剂可从反应器中不断 地流出。由于产物浓度沿反应器长度是逐 渐增高的，因此与CSTR相比．可减少产物 的抑制作用。但是它存在下列缺点： (1)温度和pH难以控制。 (2)底物和产物会产生轴向浓度分布。 (3)清洗和更换部分固定化酶较麻烦
3.流化床型反应器 流化床反应器(简称FBR, Fluidized bed reactor) 是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器形状可为 柱形、锥形等)它有下列优点: (1)具有良好的传质及传热的性能。pH、温度控制及气体的供给 比较容易。 (2)不易堵塞,可适用于处理粘度高的液体。 (3)能处理粉末状底物。 (4)即使应用细粒子的催化剂,压力降也不会很高。 但也有缺点如下: (1)需保持一定的流速,运转成本高,难于放大。 (2)由于颗粒酶处于流动状态,易导致粒子的机械破损。 (3)由于流化床的空隙体积大,酶的浓度不高。 (4)由于底物高速流动使酶冲出,降低了转化率。 College of Life > clehce 生命科学学院
3．流化床型反应器 • 流化床反应器(简称FBR，Fluidized Bed Reactor) 是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为 柱形、锥形等)它有下列优点： (1)具有良好的传质及传热的性能。pH、温度控制及气体的供给 比较容易。 (2)不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体。 (3)能处理粉末状底物。 (4)即使应用细粒子的催化剂，压力降也不会很高。 – 但也有缺点如下： (1)需保持一定的流速，运转成本高，难于放大。 (2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损。 (3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。 (4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率
巴程 4.膜型反应器 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的 反应器均称为模型反应器。用固定化酶膜组装 成的平板状或螺旋状反应器、转盘型反应器、 空心酶管和个空纤维膜反应器等都属于此类反 应器。图7—3为各种反应器结构的示意图 College of Life > clehce 生命科学学院
4．膜型反应器 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的 反应器均称为模型反应器。用固定化酶膜组装 成的平板状或螺旋状反应器、转盘型反应器、 空心酶管和个空纤维膜反应器等都属于此类反 应器。图7—3 为各种反应器结构的示意图
巴程 产物 陌物 底物 产物 产物气一 定化酶 团定化酶 产物 底物 底物 氧 转盘搅拌 转盘式(循环) (c2) 化酶管蹊 剖面 (e) 图7-3各种膜型固定化酶反应器 (a)立型平板式(b)螺旋卷式(c)转盘式(d)空心管 (e)中空纤维反应器 College of Life > clehce 生命科学学院
5.鼓抱塔型反应器 在生物反应中,有不少的反应要涉及到有气体的 吸收或产生,此类反应最好采用鼓泡塔型反应器。 或三相流化床反应器,其示意图如图7—4。 气体 气体 气体 产物 产物 团定化 产物 产物 圊定化腐 气泡→∵ 气泡/固定化酶 气泡 基质 基质 基质 气库分敵饭 基履扩 基质 基质 气 气体 气体 分敵板气体 Collegs of Life Science 生命科学学院
5．鼓抱塔型反应器 在生物反应中，有不少的反应要涉及到有气体的 吸收或产生，此类反应最好采用鼓泡塔型反应器。 或三相流化床反应器，其示意图如图7—4