酶工程 第八章 酶反应器思维导图
酶工程 第八章 酶反应器
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思维导图大纲
第八章 酶反应器思维导图模板大纲
主要类型和特征
酶反应器
用于酶催化反应的容器及其附属设备
功能
提供酶催化反应的场所，并提供合适的反应条件
特征
满足生物催化剂具有较高比活和较高底物浓度的要求，以达到最大转化率
反应器应具有良好的传热、传质和混合性能
能用计算机自动检测和调控反应参数，从而获得最佳的反应条件
应具有最佳的无菌条件，能够避免反应体系受杂菌污染
类型
搅拌式反应器
机械搅拌装置、反应罐体、恒温装置
适用于游离酶和固定化酶
操作方式
分批式
一次性投料，一次性取出
超滤法回收固定化催化剂
染菌的风险较小
存在底物抑制的反应不适用
流加式
先将一部分底物和酶加入反应器
底物浓度降低后，再连续或分批添加底物
反应结束后，产物一次性取出
高浓度底物对酶有抑制作用时可采用
染菌的风险较高，注意中途添加料液的无菌处理
连续式
向反应器投入酶和底物，不断搅拌
达到平衡后，以恒定流速连续泵入底物
同时以相同流速输出反应也和产物
一般适用于固定化酶或细胞
流苏恒定，反应条件调节、控制较容易，产能较大
染菌风险高，对料液和管路的无菌要求高
特点
反应器结构简单，反应条件易控制
流体混合均匀，传热和传质阻力较小
底物适用范围广，对多种物态底物均适用
搅拌转速较快，固定化酶易受机械剪切而破坏
填充床反应器
将颗粒状或片状等固定化酶填充与固定床内
底物按一定方向以恒定流速通过床层，反应后，产物以同样恒定的流速流出
床层内的流动接近“平推流”
理想情况下，底物和产物浓度在径向保持不变
轴向上，底物浓度逐渐降低，产物浓度逐渐增高
循环式填充床反应器：反应器耦联
不断补充含有底物的新鲜料液，及时分离出产物，减少产物抑制
特点
①单位体积催化剂负载量高,催化效率高
②产物浓度沿轴向逐渐增大,一部分酶不受产物抑制
③竖直放置时,底部颗粒受到床层垂直压降大,易破碎
④混合性能差,微观流动形态复杂,存在局部“沟流”、“短路”现象
⑤如果反应液中含有固体颗粒,有可能造成床层堵塞
流化床反应器
流体自下而上流动
固定化酶颗粒处于悬浮翻腾状态
流体的混合程度介于STR和PBR之间
混合性能较好
颗粒大小、密度差异不能太大，否则易被“吹出”
循环式流化床：反应器耦联
控制好流速
特点
①具有良好的传质及传热性能,反应条件控制较容易
②床层压降小,不易堵塞,可处理高黏度液体及粉状底物
③长时间运行时,固定化酶颗粒易机械破损
④流化床内单位体积催化剂密度低,产能不高
⑤流化床操作需要保持一定的流速,运行成本较高
鼓泡式反应器
反应器底部通入气体，产生大量气泡
气泡上升过程中提供反应底物及混合作用
无搅拌装置，依靠气流带动混合与传质
入口处设有气流分布器，帮助气泡均匀分散
对游离酶和固定化酶均适用。
基本结构
类型
简单式
反应器内部没有挡板和导流装置
仅依靠底部液流分布器来控制气泡运动及流体混合
内循环式
内部设计了一个导流筒
气流从导流筒内通入
带动液流在导流筒内外两侧循环流动及混合
外循环式
在反应器旁侧设计一个导流回路
上升的液流从旁侧回路实现循环流动及混合
特点
①气/液/固三相系统,适用于有气体吸收或产生的反应
②反应器内气-液传质、传热的效果好
③可用于连续反应,也可用于分批反应
④气流带动混合剪切力小,有利于结构脆弱的细胞和固定化载体
⑤鼓泡式反应器单位体积内催化剂密度低,产能小
膜反应器
将酶催化反应与半透膜分离作用组合在一起
对游离酶和固定化酶均适用，二者形式不同
分类
平板状或螺旋状反应器
转盘型反应器
空心酶管反应器
中空纤维膜反应器
最广泛
醋酸纤维制成的中空纤维管固定在特定支撑结构上
纤维内层紧密光滑,多微孔,具有一定分子量截留值
外层为多孔海绵状支持层,酶可被截留并固定于此
或内外层为相反的结构,酶固定于管的内壁上
反应液从内腔流入
底物透过微孔进入酶层
产物经微孔流到膜外侧
酶或细胞被截留
操作方式
反冲式
底物从膜外侧压入内部
产物从纤维膜内侧流出
反循环式
中空纤维膜反应器分成上下两部分
反应器下半部分,未反应底物受压再次进入纤维膜内侧
底物从上部纤维内侧流入,产物从纤维膜外侧流出
增加酶与底物接触的机会,适用于反应速率较慢的体系
超滤酶膜反应器
超滤膜分离器与搅拌式反应器相耦联
酶和小分子底物或产物通过超滤分离
酶分子量大,不能透过超滤膜而被截留
产物和未反应底物再进入下一工序分离
减轻产物对酶的抑制
特点
游离酶和固定化酶均适用
反应和分离相耦合,减轻产物抑制作用
简化分离步骤,酶也可重复使用
酶易在膜上吸附损失或浓差极化
膜会因污染或微孔堵塞而工作能力下降
膜反应器放大成本高昂
喷射式反应器
利用高压蒸汽的喷射作用,实现酶与底物快速混合及高温瞬时反应
适用面较狭窄,仅适用于耐高温游离酶的连续催化反应
例如耐高温的α-淀粉酶催化淀粉的瞬时水解反应就可用这种反应器
酶反应器的选择
酶的应用形式
游离酶
最常用
搅拌式反应器
混合性能好
设备简单
操作简便
底物抑制
搅拌式
流加或连续式操作
有气体参与
鼓泡式/搅拌式
混合性能良好
结构简单
昂贵的酶
膜反应器
便于回收，与产物分离，简化分离步骤
耐高温酶
喷射式反应器
反应速度快
固定化酶
选择依据
形状
颗粒大小
稳定性
颗粒状固定化酶
搅拌式反应器
桨叶剪切力大,对颗粒有机械强度要求
填充床反应器
颗粒堆积密度大,床层压降大
流化床反应器
混合效果好,对颗粒有机械强度要求
鼓泡式反应器
即“三相流化床”
非颗粒状固定化酶
非颗粒状固定化酶一般选择膜反应器
被膜所截留时进行的“被动”固定化
呈现平板状、螺旋状等不同形状
酶反应动力学性质
酶与底物的混合程度
反应产物对酶的反馈抑制作用
最佳：膜反应器
膜对酶截留，酶与产物迅速分离，减轻产物抑制
填充床
底物对酶催化反应速率的影响
游离酶
流加式或连续式
固定化酶
连续式
控制底物浓度浓度在较低水平
酶催化作用的温度条件
耐高温游离酶
优先考虑喷射式反应器
反应迅速、反应时间短、催化效率高
非耐高温
采用除喷射式反应器之外任意
底物或产物的理化性质
溶液、乳浊液
适用于各类反应器
颗粒态、高粘度
搅拌式、流化床
气体参与反应
考虑鼓泡式
大分子底物/产物
难以透过膜孔，不考虑膜反应器
辅酶参与反应
不选择膜反应器，因辅酶易流失
操作的简便性、运行的经济性
结构简单、操作简便
易于维护和清洗
制造和运行成本较低
酶反应器的操作
操作条件
温度的调控
先确定酶催化的最适温度
反应温度控制在酶的最适温度附近
温度变化时要及时调整
在换热装置中通入一定温度和流量的冷却水或加热水
通过热交换作用，保持反应温度恒定在一定范围内
pH
最适pH值附近
分批式反应器：先将底物溶液调到酶最适pH
连续式反应器：调好pH的底物溶液连续加到反应器中
加酸/碱，以及采用缓冲液维持体系pH值
底物浓度
并非越高越好
适宜的底物浓度：5-10Km
分批式：逐步流加法
连续式：控制流动速率使底物浓度保持恒定
酶浓度
底物量一定时，催化速率与酶浓度成正比
酶的成本为限制性因素
使用一段时间后需对酶进行补充更换
搅拌速率
防止过快或过慢
搅拌目的：加强底物与酶的碰撞，强化传热
流动速率
针对连续式操作而言
注意事项
保持反应器操作的稳定性
控制好酶反应器中的流动状态
流动方式不当产生的后果
维持恒定的生产能力
防止酶的变性失活
防止酶的变性或中毒失活
防止固定化酶自溶或载体磨损造成的酶损失
防止微生物污染
具备一定的卫生条件
不易发生染菌的情况
某些产物能抑制微生物生长：抗生素 酒精 有机酸等
某些高温下的酶催化反应：α-淀粉酶 Taq DNA聚合酶
在过酸过碱、有机相中的反应
避免染菌的主要方法
向底物加入杀菌剂 抑菌剂 有机溶剂或将底物料液预先过滤
高浓度底物可提高渗透压，降低水活度，抑制微生物生长
连续运转种可周期性地使用过氧化氢或50%甘油水溶液处理反应器
酶反应器设计的一般原则
目的
既能发挥生物反应的优点，又可克服一些限制因素，以最低的生产成本，获得最高的产量和质量，且高效低能耗的酶反应器。
理论依据
酶促反应动力学
反应器的型式，反应器内流体的传递特性
需要的生产量及生产工艺流程
变量关系
设计步骤
确定反应器类型
确定反应器的制造材料
一般采用不锈钢制容器即可，无特殊要求
强酸条件下/产物具有强酸性
特殊的耐酸钢
物料及产能衡算
确定酶动力学参数
底物浓度
米氏方程定量
注意底物抑制情况
酶浓度
不宜使用过多的酶
考虑生产成本
温度、pH值
最适值或在其附近
激活剂、抑制剂
根据激活及抑制动力学确定
计算底物用量
产量
一般以年产量Py（kg/y）表示
转化率YP/S
产物生成量P与投入底物量S之比
收率R
分离得到产物量Psep和反应生成产物量Pform之比
底物用量S
由产量P、转化率Y、收率R计算得到
计算反应液总体积
计算酶的用量
计算反应器数目
热量衡算
酶催化反应一般在30~70℃常温下进行
根据冷却水的流量和温度变化来计算
热交换过程存在热利用效率，一般小于100%
喷射式反应器：根据蒸汽的热焓和用量计算
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