酶工程-第4章-酶反应器课件.ppt
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- 工程 反应器 课件
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1、刘立丽刘立丽浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所E-mail:E-mail:一、生物反应器概述一、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。成有用物质的过程。四个组成部分:四个组成部分:原材料的预处理原材料的预处理生物催化剂的制备生物催化剂的制备生物反应器的选择及反应条件的控制生物反应器的选择及反应条件的控制产物的分离提纯产物的分离提纯生物反应过程生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程由生物工程所引出的生产过程生物反应器:在整个生物反应过程中处于中心的地生物反应器:在整个生物反应过程中
2、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。产业化的关键设备。在反应器中,通过产物的合成,使廉价的原料在反应器中,通过产物的合成,使廉价的原料升值。升值。生物反应器的设计和操作,是生物工程中一个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及其重要的问题,它对产品的成本和质量有很大影响。大影响。评价生物反应器主要是看它生产能力的大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。小以及产品质量的高低。一般的化学反应器一般的化学反应器相似相似:维持一定的温度、维持一定的温度、pHp
3、H、反应物(营养物质,、反应物(营养物质,包括溶解氧)浓度,并具有良好的传质、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,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。确保生物反应的顺利进行。与一般的化学反应器与一般的化学反应器不同不同:细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种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。微生物的进入,避免杂菌污染造成的损失。生物反应器的要求生物反应器的要求生物反应器生物反应器生物反应器设计的生物反应器设计的主要目标是使产品主要目标是使产品的质量高,成本低。的质量高,成本低。生物反应器处于生
4、生物反应器处于生物过程的中心,它物过程的中心,它常是影响整个过程常是影响整个过程的经济效益的一个的经济效益的一个重要方面。重要方面。生物反应器这一术语出现的时间不长,但人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们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久的历史。悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就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。是最初的生物反应器。20世纪世纪40年代是生物反应器的开发、研制和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。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传统生物工业中使用
5、的生物反应器称为“发发酵罐酵罐”(fermenter)20世纪世纪70年代,年代,Atkinson提出了生化反应提出了生化反应器(器(biochemical reactor)一词,其含义)一词,其含义除包括原有发酵罐外,还包括酶反应器、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。处理废水用反应器等。同一时期,同一时期,Ollis提出了另一术语提出了另一术语生物生物反应器(反应器(biological reactor).20世纪世纪80年代,生物反应器(年代,生物反应器(bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。一词在专业期刊与书籍中大量出现。生物反应器设计和操作的限制因
6、素主要是传质和生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传热。传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最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。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,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。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,如何移走热了保持生物反应器能在常温下进行,如何移走热量是进行
7、大型的生物反应器设计时必须重视的一量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一个环节。个环节。传质和传热传质和传热酶反应器(enzyme reactor)定义定义:通常将用于酶进行催化反应的容器:通常将用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为及其附属设备称为酶反应器酶反应器。作用作用:使酶得到合理的应用,并能够提:使酶得到合理的应用,并能够提高产品的质量和降低成本。高产品的质量和降低成本。本章内容本章内容 P92酶反应器的酶反应器的分类分类酶反应器的酶反应器的选择选择酶反应器的酶反应器的设计设计酶反应器的酶反应器的放大放大酶反应器的酶反应器的操作操作按照按照结构结构的不同可以分为:的不同可以分为
8、:搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器 stirred tank reactor,STR 填充床式反应器填充床式反应器 packed column reactor,PCR 流化床反应器流化床反应器 fluidized bed reactor,FBR 鼓泡式反应器鼓泡式反应器 bubble column reactor,BCR 膜反应器膜反应器 membrane reactor,MR 喷射式反应器喷射式反应器 jet gas-liquid reactor按按操作方式操作方式分为:分为:分批式反应分批式反应(batch)连续式反应连续式反应(continuous)流加分批式反应流加分批式反应(feedin
9、g batch)将将结构和操作方式结构和操作方式结合一起分为:结合一起分为:连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器 continuous stirred tank reactor,CSTR 分批搅拌罐式反应器分批搅拌罐式反应器 batch stirred tank reactor,BSTR等等4.1.1 搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器由反应罐、搅拌器和保温装置组成。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。既可以用于游离酶的催化反应,又可以用既可以用于游离酶的催化反应,又可以用于固定化酶的催化反应于固定化酶的催化反应1、分批搅拌罐式反应器、分批搅拌罐式反应器优点优点:设备简单,操作容易,酶与底物设备简单,操
10、作容易,酶与底物 混合均匀,混合均匀,传质阻力较小,反应较为传质阻力较小,反应较为完全,反应条件容易调节控制。完全,反应条件容易调节控制。缺点缺点:用于游离酶,酶难以回收。用于游离酶,酶难以回收。用于固定化酶,反应器利用率较低,用于固定化酶,反应器利用率较低,而且可能对固定化酶的结构造成破坏。而且可能对固定化酶的结构造成破坏。分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。分批式反应。流加分批搅拌罐式反应器的装置与分流加分批搅拌罐式反应器的装置与分批搅拌罐式反应器的装置相同。批搅拌罐式反应器的装置相同。流加分批式反应可以用于游离酶和固流加分批式反应可以用于游离酶和固
11、定化酶的催化反应。定化酶的催化反应。2、连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器 只适用于固定化酶的催化反应。只适用于固定化酶的催化反应。优点优点:设计简单、操作简便设计简单、操作简便 反应条件容易调节控制反应条件容易调节控制 底物与固定化酶接触较好底物与固定化酶接触较好 传质阻力较小传质阻力较小 反应器的利用率较高。反应器的利用率较高。需注意需注意控制好搅拌速度,控制好搅拌速度,以免由于以免由于强烈强烈搅拌搅拌所产生的所产生的剪切力剪切力使固定化酶的结构使固定化酶的结构受到破坏。受到破坏。http:/ 填充床式反应器填充床式反应器 是将酶固定化后,是将酶固定化后,填充到柱式反应容填充到柱式反应容
12、器中而制成的一种器中而制成的一种反应器。反应器。适用于固定化酶进适用于固定化酶进行催化反应行催化反应优点优点:设备简单设备简单 操作方便操作方便 单位体积反应床的固定化酶密度大单位体积反应床的固定化酶密度大 可以提高酶催化反应的速度可以提高酶催化反应的速度缺点缺点:底层固定化酶颗粒所受压力较大,容易底层固定化酶颗粒所受压力较大,容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎。引起固定化酶颗粒的变形或破碎。4.1.3 流化床反应器流化床反应器是一种适用是一种适用于固定化酶于固定化酶进行连续催进行连续催化反应的反化反应的反应器。应器。优点优点:混合均匀混合均匀 传质和传热效果好传质和传热效果好 温度和温度和pH
13、值易于调节控制值易于调节控制 不易堵塞不易堵塞 对黏度较大的反应液也可进行催化对黏度较大的反应液也可进行催化反应反应 缺点缺点:需要较高的流速才能维持粒子的充分流态需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化,而且固定化酶颗粒易于被破坏,流体化,而且固定化酶颗粒易于被破坏,流体动力学变化较大,参数复杂,放大较为困动力学变化较大,参数复杂,放大较为困难。难。目前,流化床反应器主要被用来处理一些目前,流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物,如用于粘度高的液体和颗粒细小的底物,如用于水解牛乳中的蛋白质。水解牛乳中的蛋白质。http:/ 结构简单结构简单 操作方便操作方便 剪切力小剪切力
14、小 物质与热量的传递效率高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是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器一种反应器 可用于可用于游离酶游离酶也可用于也可用于固定化酶固定化酶的的催化反应。催化反应。可以用于可以用于连续连续反应,也可用于反应,也可用于分批分批反应。反应。进行固定化酶的催化反应时,反应进行固定化酶的催化反应时,反应系统中存在固、液、气三相,又称系统中存在固、液、气三相,又称为为三相流化床式反应器三相流化床式反应器。4.1.5 膜反应器膜反应器 将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。起而成的反应器。可用于游
15、离酶也可用于固定化酶的催化反应。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。http:/www.china- 膜反应器的类型:膜反应器的类型:平板型平板型 螺旋型螺旋型 管型管型 中空纤维型中空纤维型 转盘型转盘型 中空纤维反应器中空纤维反应器是由外壳和是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组子聚合物制成的中空纤维组成。成。中空纤维的内径中空纤维的内径200-500m,外径,外径300-900 m。中空纤维壁上分布许多孔径中空纤维壁上分布许多孔径均匀的微孔,可以截留大分均匀的微孔,可以截留大分子而允许小分子物质通过。子而允许小分子物质通过。优点优点:集反应
16、与分离于一体,利于连续:集反应与分离于一体,利于连续 化生产。化生产。缺点缺点:经过长时间使用,酶或其他杂质:经过长时间使用,酶或其他杂质 会被吸附在膜上,造成膜透过性会被吸附在膜上,造成膜透过性 降低,而且清洗困难。降低,而且清洗困难。http:/ 1、2 24.1.6 喷射式反应器喷射式反应器 利用高压蒸汽的喷射作用,实现酶与底物的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。混合,进行高温短时催化反应。适用于耐高温游离酶的连续催化反应。适用于耐高温游离酶的连续催化反应。优点优点:结构简单结构简单体积小体积小混合均匀混合均匀可在短时间内完成催化反应可在短时间内完成催化反
17、应http:/ 连续式固定化酶设备简单,操作方便,单位体积反应床的固定化酶 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。鼓泡式反应器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。膜反应器膜反应器连续式游离酶固定化酶膜反应器结构紧骤,集反应与 分离于一体,利于连续化生产,但是容易发生浓差极化而引起膜孔阻塞,清洗比较
18、困难喷射式反应器喷射式反应器 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主要影响因素主要影响因素:酶的应用形式酶的应用形式 酶的反应动力学性质酶的反应动力学性质 底物和产物的理化性质底物和产物的理化性质要求要求:结构简单、操作方便、易于维护:结构简单、操作方便、易于维护 和清洗、可适用于多种酶的催化和清洗、可适用于多种酶的催化 反应、制造成本和运行成本较低反应、制造成本和运行成本较低4.2.1.1 游离酶反应器的选择游离酶反应器的选择 搅拌罐式反应器最常用搅拌罐式反应器最常用 有气体参与的酶催化反应,通常采用有气体参与的酶催化反应,通常采用
19、鼓泡式反应器鼓泡式反应器价格较高的酶,为了能够回收,可采用价格较高的酶,为了能够回收,可采用游离酶膜反应器游离酶膜反应器 耐高温的酶,可采用耐高温的酶,可采用喷射式反应器喷射式反应器4.2.1 根据酶的应用形式选择反应器根据酶的应用形式选择反应器4.2.1.2 固定化酶反应器的选择固定化酶反应器的选择根据固定化酶的根据固定化酶的形状形状、颗粒大小颗粒大小和和稳定性稳定性的不的不同进行选择。同进行选择。固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管状、螺旋管状等,通常为状、螺旋管状等,通常为颗粒状固定化酶颗粒状固定化酶。颗粒状的固定化酶可以选用颗粒状的固定化酶可
20、以选用搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器、填充床式反应器填充床式反应器、流化床反应器流化床反应器和和鼓泡式反应鼓泡式反应器器等进行催化。等进行催化。搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差不适用于机械强度较差 的固的固 定化酶。定化酶。采用采用填充床式反应器填充床式反应器时应注意控制好反应器时应注意控制好反应器 的高度。的高度。采用采用流化床反应器流化床反应器时,固定化酶的时,固定化酶的颗粒不能太大,密度要与反应液的密颗粒不能太大,密度要与反应液的密度相当,而且要有较高的强度。度相当,而且要有较高的强度。有气体参与的酶催化反应,通常采用有气体参与的酶催化反应,通常采用鼓泡式反应器鼓泡式反应器
21、。平板状、直管状、螺旋管状固定化酶平板状、直管状、螺旋管状固定化酶一般采用一般采用膜反应器膜反应器。4.2.2 根据酶反应动力学性质选择反应器根据酶反应动力学性质选择反应器主要影响因素主要影响因素:酶与底物的混合程度酶与底物的混合程度 底物浓度对酶催化反应速度的影响底物浓度对酶催化反应速度的影响 反应产物对酶的反馈抑制作用反应产物对酶的反馈抑制作用 酶催化作用的温度条件酶催化作用的温度条件4.2.2.1 酶与底物的混合程度酶与底物的混合程度 搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器、流化床反应器流化床反应器均具有较好的混合效果均具有较好的混合效果 填充床式反应器填充床式反应器混合效果较差混合效果较差 采用
22、采用膜反应器膜反应器时,可以采用时,可以采用辅助搅拌辅助搅拌或其它方法来提高混合效果或其它方法来提高混合效果4.2.2.2 底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响 具有高浓度底物抑制作用的具有高浓度底物抑制作用的游离酶游离酶,可以采用可以采用游离酶膜反应器游离酶膜反应器进行催化反进行催化反应。应。具有高浓度底物抑制作用的具有高浓度底物抑制作用的固定化酶固定化酶,可以采用可以采用连续搅拌罐反应器连续搅拌罐反应器、填充床填充床式反应器式反应器、流化床式反应器流化床式反应器、膜反应膜反应器器等进行连续催化反应,等进行连续催化反应,但需要但需要控制底物浓度控制底物浓度在一定的范围。在一定
23、的范围。4.2.2.3 反应产物对酶的反馈抑制作用反应产物对酶的反馈抑制作用 最好选择最好选择膜反应器膜反应器 对于对于固定化酶固定化酶,也可以采用,也可以采用填充床式填充床式反应器反应器4.2.2.4 酶催化作用的温度条件酶催化作用的温度条件 对可以耐受对可以耐受100以上高温的酶催化以上高温的酶催化反应,最好是选择反应,最好是选择喷射式反应器喷射式反应器。4.2.3 根据底物和产物理化性质选择反应器根据底物和产物理化性质选择反应器主要影响因素主要影响因素:底物和产物的理化性质底物和产物的理化性质 分子量分子量 溶解性溶解性 黏度黏度需要需要小分子物质作为辅酶小分子物质作为辅酶参与,通常不参
24、与,通常不采用采用膜反应器。膜反应器。底物或产物的底物或产物的分子量较大分子量较大,一般不采用,一般不采用膜反应器。膜反应器。底物或者产物的底物或者产物的溶解度较低、黏度较高溶解度较低、黏度较高应当选择搅拌罐式反应器或者流化床反应当选择搅拌罐式反应器或者流化床反应器,而不采用填充床式反应器和膜反应器,而不采用填充床式反应器和膜反应器。应器。有有气体底物气体底物参与时,通常选用参与时,通常选用鼓泡式反应器。鼓泡式反应器。4.3 酶反应器的设计酶反应器的设计4.3.1、确定酶反应器的、确定酶反应器的类型类型4.3.2、确定酶反应器的、确定酶反应器的制造材料制造材料4.3.3、进行、进行热量热量衡算
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