酶十章-酶反应器和传感器

关于酶十章-酶反应器和传感器第一节酶反应器一、生物反应器概述生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化成有用物质的过程。四个组成部分：——原材料的预处理——生物催化剂的制备——生物反应器的选择及反应条件的控制——产物的分离提纯第2页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程第3页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品产业化的关键设备。在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料升值。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。评价生物反应器主要是看它生产能力的大小以及产品质量的高低。第4页,共39页，2024年2月25日，星期天与一般的化学反应器相似：维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行。与一般的化学反应器不同：细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。生物反应器的要求第5页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低。生物反应器处于生物过程的中心，它常是影响整个过程的经济效益的一个重要方面。第6页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器历史简介生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就是最初的生物反应器。20世纪40年代是生物反应器的开发、研制和应用获得迅速发展的阶段。传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐”（fermenter）第7页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器历史简介20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemicalreactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、处理废水用反应器等。同一时期，Ollis提出了另一术语——生物反应器（biologicalreactor）.20世纪80年代，生物反应器（bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。第8页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器设计的目标和原则生物反应器的作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。判断标准：判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。设计目标：生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。节能的重要性：生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个生物过程的经济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计的一个重要因素。第9页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器设计的目标和原则

生物反应器设计的重要方面：

①改善生物催化剂；

②好的过程控制；

③好的无菌条件；

④克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。第10页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器设计的目标和原则优良的生物反应器应具备：

(1)严密的结构；

(2)良好的液体混合性能；

(3)较高的传质、传热性能；

(4)配套而又可靠的检测和控制仪表。第11页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器设计的目标和原则根据生物反应过程中生产成本结构的不同，生物反应器中的生物反应过程可以分为三类： （1）转化成本或原料成本为主

（2）回收成本为主

（3）底物的高转化率为目标过程要求：设计的生物反应器有高的生产能力和高的回收率过程要求：生物反应器有高浓度的产物及低含量杂质过程要求：生物反应器具有高的生产能力第12页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器设计的目标和原则根据不同类型的生物转化过程就应该选择不同形式的生物反应器，以不同的操作方式，最大限度地满足生物转化的要求。第13页,共39页，2024年2月25日，星期天过程工程方面的广泛的文献资料的利用；考虑过程需求后，选择合适的反应器系统；有效的实验室和中试规模的实验；将实验数据合理外推到工业化规模的工厂；发展设计程序和成本模型；将从初始设想到工厂生产之间的间隔期减到最低程度。生物反应器设计的目标和原则包括对过程开发的以下方面的探索和优化：设计方法学第14页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器设计的目标和原则生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最主要考虑的问题。传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见，在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反应器不断出现，相应地提高了传质效率。传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一个环节。传质和传热第15页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类酶反应器中的生物反应比较简单，与一般的化学反应器无大的区别。细胞生物反应器中的生物反应比较复杂，通过细胞中精确调控的酶系进行催化的，经过一系列的生物反应将培养基的成分转化为新的细胞个体以及各种代谢产物。为了使细胞能有效地维持催化活性，必须避免受到外界各种杂菌的污染。反应是由酶催化的，在反应过程中本身没有变化。采用活细胞（包括微生物、动植物、细胞）为生物催化剂，在反应的同时，细胞本身也得到了增殖。酶反应器细胞生物反应器1.生物催化剂的不同生物反应器第16页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类间歇式生物反应器：基本特征是反应物料一次性加入和取出，反应器内物系的组成仅随时间而变化。在该类反应器内进行的反应过程是一非稳态过程。间歇式生物反应器在生物反应器中占有重要位置，适合于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程。间歇式2.反应器的操作方式生物反应器连续式半连续式间歇式第17页,共39页，2024年2月25日，星期天以酶为催化剂的间歇式生物反应器：在反应开始到结束的整个反应过程中，没有底物和产物的加入和取出，但底物和产物的浓度是随反应时间的变化而变化。生物反应器的分类第18页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类连续式生物反应器：采用连续操作，可以一定的流量不断加入新的培养基，同时以相同的流量不断取出反应液，这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。连续式生物反应器中的反应大多属于稳态过程，反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变化。间歇式生物反应器连续式半连续式连续式第19页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类连续式生物反应器克服了在间歇式生物反应器中，由于营养基质耗尽或有害代谢产物积累所造成的反应只能在有限的时间内进行的缺点。连续式生物反应器具有产品质量稳定、生产效率高等优点。对其操作及质量控制提出了更高的要求。第20页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类半连续式生物反应器：采用将原料与部分产物连续输入或输出，其余则分批加入或输出的半连续操作。半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应器和连续式生物反应器的一些特点。间歇式生物反应器连续式半连续式半连续式第21页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类主要差别反映在外型和内部结构上的不同膜式3.反应器的结构特征生物反应器釜式管式塔式第22页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类通过机械搅拌输入能量循环式4.能量的输入方式生物反应器机械搅拌式气升式利用气体喷射动能利用泵对液体的喷射作用而使液体循环第23页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类生物膜反应器5.生物催化剂在反映器中的分布方式生物反应器生物团块反应器填充床流化床生物转盘第24页,共39页，2024年2月25日，星期天生物反应器的分类活塞流型生物反应器

6.反应物系在反应器内的流动和混合状态生物反应器全混流型生物反应器第25页,共39页，2024年2月25日，星期天二、酶反应器的类型和特点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）。作用：以尽可能底的成本，按一定的速度由规定的反应物制备特定产物。按几何形状：罐状、管状、膜或片型按进料和出料方式：分批式、半分批式、连续反应器按功能：膜反应器、液固反应器、气液固三相反应器第26页,共39页，2024年2月25日，星期天酶反应器酶反应器游离酶固定化酶用于酶催化反应的装置第27页,共39页，2024年2月25日，星期天固定化酶反应器固定化酶反应器间歇式连续式其他连续流动搅拌罐式反应器连续填充床反应器连续流动搅拌罐—超滤膜反应器淤浆反应器、滴流床反应器不同类型反应器的结合根据进料和出料的方式不同划分第28页,共39页，2024年2月25日，星期天固定化酶反应器固定化酶的形状固定化酶反应动力学操作要求反应器的费用底物的物理性质反应器选择因素理想的固定化酶反应器第29页,共39页，2024年2月25日，星期天（一）游离酶反应器1、搅拌罐式反应器2、超滤膜反应器第30页,共39页，2024年2月25日，星期天连续式搅拌罐式反应器间歇式搅拌罐式反应器搅拌罐-超滤器联合反应器列管式填充床式反应器流化床式反应器环流式反应器多级连续式搅拌罐式反应器螺旋卷式生物膜反应器多级串联半连续式操作反应器填充床式反应器带循环的填充床式反应器第31页,共39页，2024年2月25日，星期天（二）固定化酶反应器1、间歇式酶反应器又称分批反应器(BatchStirredTankRaeactor,BSTR)，间歇式搅拌反应器，搅拌式反应罐。第32页,共39页，2024年2月25日，星期天2、连续搅拌釜式反应器又称连续式搅拌罐(ContinuousStirredTankReactor)。第33页,共39页，2024年2月25日，星期天3、填充床反应器(PackedBedReactor,PBR)又称固定床反应器第34页,共39页，2024年2月25日，星期天4、流化床反应器(FluidizedBedReactor,FBR)第35页,共39页，2024年2月25日，星期天5、连续搅拌罐—超滤膜反应器(CSTR-UFR)第36页,共39页，2024年2月25日，星期天6、其他类型反应器（1）循环反应器（2）螺旋卷膜反应器（3