课件：酶反应器.ppt

Chapter 9 Reactors for enzymatic catalysis 酶反应器,酶反应器：用于酶进行催化反应的容器及其附属设备,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。,与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。,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,1、一个优良的生物反应器应具备的条件：,严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表,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。,第一节 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 ),（一）搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 有搅拌装置的、罐式反应器，是传统形式的反应器。 反应罐+搅拌器+保温装置 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式,1、分类： 1）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR) 适用的酶：游离酶、固定化酶,反应罐,搅拌器,保温装置或内置,优点：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：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）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶,特点：反应器设备简单、操作容易，酶与底物混合较均匀，传质阻力小。反应器利用率比较高。,注意：控制好搅拌速度，以免剪切力破坏酶结构。,2. 优点： 结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。 3. 缺点: 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易损失。 4. 改进： 在反应器出口装上滤器 ，或用尼龙网罩住固定化酶 ，或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。,溶液中连续流加酶,使用多孔膜使酶在溶液中滞留,出口处用筛网罩住,酶被固定在搅拌轴上的容器内,溶液快速循环通过固定化酶柱,（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ） 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。,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逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。,优点：设备简单，操作方面。可使用高浓度的催化剂 。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高 ）。 缺点： 温度和pH难以控制。 底物和产物会产生轴向浓度分布。 清洗和更换部分固定化酶较麻烦。 床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。固定化酶易变形或破碎。,（三）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR) 装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在悬浮翻动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。 适用于：固定化酶。,注意： 控制流速 固定化酶的颗粒不应过大,优点： 具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体的供给比较容易； 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体； 能处理粉末状底物； 即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会很高。,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，易导致颗粒的机械破损； 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 改进： 使底物进行循环，避免催化剂损伤。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。,（四）鼓泡塔型反应器(Bubble Column Reactor, BCR) 利用从反应器底部通入的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和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。,适用于：游离酶、固定化酶 在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床反应器 。,无搅拌装置,优点：结构简单，操作容易，剪切力小，物质与热量的传递效率高。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。 缺点：反应器很高，要在室外安装，而且压缩空气要有较高压力。 适用于培养液黏度小，含固量少的生物催化过程。,（五）膜反应器,结构组成：主要由酶反应装置和膜分离组件构成，将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成 的反应器。 根据适用性对象分为： 游离酶膜反应器 固定化酶膜反应器,（1）游离酶膜反应器,优点：酶可重复利用，特别适用于价格较高的酶。可用于胶态或不溶性底物，特别适用于有产物抑制的场合； 缺点：酶的长期操作稳定性差，且酶易在膜上吸附损失，或发生浓差极化现象。,（2）固定化酶膜反应器,结构组成：由膜状或板状固定化酶组装的反应器。 根据固定化酶膜的形状可分为： 平板状或螺旋状反应器 转盘型反应器 空心酶管 中空纤维膜反应器,A、平板型或螺旋卷型反应器 特点：压力降小；膜面积清晰；单位体积催化剂有效面积小。,B、空心酶管反应器 结构：将酶固定在细管的内壁上，管内径在1mm左右。 操作特性：底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。管内流体的流动属于层流。 应用：除工业上应用外，更多的则是与自动分析仪组装在一起，用于定量分析。,C、转盘型固定化酶反应器 结构：凝胶包埋的固定化酶成型为圆盘状或叶片状薄板，而后将许多凝胶薄板装配在旋转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中。反应器有立式和卧式两种。 特点：更换催化剂方便。卧式反应器适用于需氧反应，或者产生挥发性生成物的反应。 应用：广泛用于废水处理装置。,D、中空纤维膜反应器,结构：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成。中空纤维： 内层紧密、光滑，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在此层中。 反应器的形状为管式或列管式，通过正常超滤程序将底物压过内壁与海绵状介质上的酶起反应。,特点：可承受较高的操作压力，比表面积大，但易发生浓度极化或孔堵塞。,（六）喷射式反应器（Jet Reactor） 利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应的一种反应器,适合于游离酶的连续催化，只适合于某些耐高温的反应。,各种酶反应器的特点,7.2 酶反应器的选型与设计,理想的酶反应器的要求： 评价标准：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，才能得到较大的产品转化率。,(2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳反应条件。,(3) 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。传质阻力是限制反应速度的主要因素,(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。,一、酶反应器的选择,影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑： 酶的形式(游离/固定化) 固定化酶的形状、大小、机械强度 酶的稳定性 酶反应动力学性质 底物和产物的理化性质 应用的可塑性及成本,一、酶反应器的选择,1、酶的应用形式： 游离酶：可根据具体情况选择BSTR、鼓泡式反应器、膜反应器、喷射式反应器； 固定化酶：可根据具体情况选择CSTR、填充床反应器、流化床反应器、膜反应器、鼓泡式反应器。,一、酶反应器的选择,2、固定化酶的形状、大小、机械强度： 形状：主要有粒状、膜状和纤维状。 粒状的，可采用搅拌罐、固定床、流化床和鼓泡塔； 对于膜状催化剂，则考虑采用膜反应器。 颗粒大小 颗粒细小的粒状酶不宜采用固定床，宜采用流化床。 机械强度 包埋法制备的固定化酶机械强度较差，对搅拌罐来说，要防止搅拌桨叶的剪切力对其造成的损伤； 对固定床来说，如塔身很长，可用多孔板等将塔身适当隔开。,一、酶反应器的选择,3、酶的稳定性： 考虑到酶的失效，在相似的条件下，PBR优于CSTR，即酶失效速度较低。 CSTR一般远比其他反应器更易引起酶从载体上的脱落，或使酶颗粒变细，最后从反应器流失。,一、酶反应器的选择,4、酶的反应动力学性质： 混合效果越好，反应效率越高：STR、FBR混合效果较好，膜反应器可采用辅助搅拌以提高混合效果 底物浓度的高低：通常情况下，底物浓度越高，反应速度越快；当有高浓度底物抑制作用时， 游离酶宜采用流加分批搅拌罐反应器、膜反应器 固定化酶可采用CSTR、PBR、FBR、MR 产物对反应有反馈抑制作用：最好采用MR 其他条件的影响：耐受高温的酶最好用喷射式反应器,一、酶反应器的选择,5、底物和产物的理化性质： 溶解性底物或产物：显然对任何类型的反应器都不会造成困难。 颗粒状和胶体状底物：往往会堵塞填充床，应采用搅拌罐或流化床型反应器。因高的搅拌速度，高的流速可减少底物颗粒的集结、沉积与堵塞，使底物保持悬浮状态。 反应底物有气体时：常用鼓泡式反应器,分子量较大的底物：一般不采用膜反应器或者固定化酶适用的反应器。 辅酶参加的反应：一般不采用膜反应器。,一、酶反应器的选择,6、应用的可塑性及成本： CSTR类型的反应器一般来说应用的可塑性较大，且由于结构简单，制造成本也较低。 反应器也应具有再生、添加或更换酶的结构，且越容易越好，另外，必须具备容易清洗的结构。 在考虑成本时，除反应器造价外，还需将酶本身的价值及其在各种反应器中的稳定性考虑在内。,二、酶反应器的设计,目的：设计出生产成本最低，产品的产量和质量最高的酶反应器。 设计依据： 酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数对反应特性的影响； 反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性； 需要的生产量及生产工艺流程。,二、酶反应器的设计,设计过程 1、确定酶反应器的类型 2、确定反应器的制造材料 3、进行热量衡算 4、进行物料衡算,二、酶反应器的设计,1、确定酶反应器的类型 根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。 2、确定反应器的制造材料 酶催化反应通常在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。,二、酶反应器的设计,3、进行热量衡算 酶催化反应一般在3070的常温条件下进行，热量衡算较简单 温度的调节控制通常采用一定温度的水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，热量衡算是根据水的温度和使用量计算。 对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。,二、酶反应器的设计,4、进行物料衡算 生产强度：反应器每小时每升反应液所生产的产物克数,反应器设计的首要目的是使反应器具有高的生产强度。 影响因素：酶的活性、浓度、反应器特性及操作方法等。其中酶的活性和浓度最为重要。 控制反应条件以保持酶的高活性；反应器中也可使用高浓度的酶，但并非越高越好，过高会造成浪费。,二、酶反应器的设计,4、进行物料衡算 酶反应动力学参数：考虑产品产量、质量和成本，试验确定最适底物浓度、酶浓度、温度、pH等条件 底物用量：根据所需产量、产物转化率、得率计算,反应液体积：根据底物用量和最适底物浓度计算,二、酶反应器的设计,反应器数目： 分批反应器 连续式反应器,4、进行物料衡算 酶用量：根据最适酶浓度和反应液总体积计算,Eg：设计任务书,项目名称：年产一万吨葡萄糖车间糖化酶反应器的设计 设计要求： 产品产量：葡萄糖1万吨/年 产品质量：达到国家标准 原料：可溶性淀粉（淀粉经-淀粉酶液化而成） 淀粉葡萄糖转化率：95% 葡萄糖收得率：98% 糖化周期：48小时,7.3 酶反应器的操作,实现酶反应的高效进行，必须考虑以下三方面： 选择恰当的酶（高质量）应用形式； 选择和设计合适的酶反应器； 确定合理的反应操作条件。 酶反应器的操作中，应注意如下几方面： 控制酶反应器中流体的流动状态； 维持酶反应器的恒定生产能力； 保持酶反应器的稳定； 防止酶反应器的污染。,一、流体流动状态的控制,反应器中流动方式的改变造成的不良影响： 使酶与底物的接触不良，造成反应器生产能力下降； 造成返混程度的变化，可能发生程度不同的反应或使所需产物发生进一步反应及副反应。,一、流体流动状态的控制,产生原因及对策： 搅拌罐型反应器 原因：搅拌速度不均匀；固定化酶在出料口滤器上积聚 对策：控制搅拌速度；在进、出料口各装一个滤器，在一定时间间隔后，出口滤器用进料液反冲。,一、流体流动状态的控制,产生原因及对策： 填充床型反应器 原因：压降不断加大，载体填充不规则及底物上柱不均匀产生沟流或部分堵塞；柱入口处沉积或者底物流量很大或使用高粘性底物时产生的内、外壅塞现象。 对策：使用较大的、不可压缩的、光滑的、珠型的填充材料，均匀填充及严格控制好流速；反冲洗柱床或重新装柱，间隔通上行空气流，以及对底物进行预处理可避免柱的壅塞。,二、恒定生产能力的控制,搅拌罐型反应器较易实现。 填充床型反应器要维持恒定的生产能力，在操作上是不方便的，解决方法有： 控制反应器的流速，应由一定时间内形成产物的量来决定；通过微机系统精确地加以控制温度。 将若干使用不同时间和处于不同阶段的反应器串联或并联，并结合上述方法之一，是普遍采用的方法。采用错开起动，掌握好换柱时间，能使在预定的输出或转化水平时具有最小的流速波动，反应器可平稳工作。,三、酶反应器的稳定性,保持酶反应器的稳定性，主要是 防止酶的变性或中毒失活， 防止固定化酶的脱落或载体磨损造成酶的损失 吸附固定化酶的逐步解吸；控制操作条件加以克服 有些载体或多孔玻璃会随使用时间的延长而溶解；克服办法是用金属氧化物包