第七讲-固定化酶反应器课件.ppt

1、Immobilized Enzyme（Cell）Reactor techniques and Its Applications三、固定化酶（细胞）的反应器三、固定化酶（细胞）的反应器 1.固定化酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点 2.固定化酶反应器的选择依据固定化酶反应器的选择依据 3.固定化酶反应器的性能评价固定化酶反应器的性能评价 4.固定化酶反应器的操作固定化酶反应器的操作1.固定化酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点 反应器的形式很多，根据进料和出料的方反应器的形式很多，根据进料和出料的方式，可概括分为式，可概括分为间歇式间歇式和和连续式连续式两大类，两大类，连续

2、式连续式又有两种基本形式：又有两种基本形式：连续流动搅拌连续流动搅拌罐式反应器罐式反应器和和填充床填充床反应器反应器；还有衍生还有衍生形式：形式：连续流动搅拌罐连续流动搅拌罐超滤膜超滤膜反应器反应器、循环反应器循环反应器和和流化床反应器流化床反应器等。等。各种反应器的示意图各种反应器的示意图S S 为 底为 底物、物、P P为产为产物物(a)间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器(batch stirred tank reactor，BSTR)(b)连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器(continuous flow stirred tank reactor，CSTR)(c)连续流动搅拌罐连

3、续流动搅拌罐超滤膜反应器超滤膜反应器(combined CSTR/UF reactor，CSTR/UF)(d)填充床反应器或平推流反应器填充床反应器或平推流反应器(packed bed reactor，PBR或或plug-flow reactor，PFR)(e)循环反应器循环反应器(recycle reactor，RCR)(f)流化床反应器流化床反应器(fluidized bed reactor，FBR)间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器(BSTR)(BSTR)间歇式搅拌罐反应器间歇式搅拌罐反应器也称为也称为分批分批搅拌反应搅拌反应器器 这这类反应器的结构简单，主要设有夹套或类反应器的结构简

4、单，主要设有夹套或盘管装置，以便加热或冷却罐内物料，控盘管装置，以便加热或冷却罐内物料，控制反应温度。这类反应器主要用于制反应温度。这类反应器主要用于游离酶游离酶(enzyme reactor)反应。反应。将酶与底物一起加入反应器内，控制反应将酶与底物一起加入反应器内，控制反应条件，待达到预期转化率后，随即放条件，待达到预期转化率后，随即放料。料。在在这种情况下，一般不回收这种情况下，一般不回收游离酶游离酶。当前。当前在食品和饮料工业中常用这种反应器。在食品和饮料工业中常用这种反应器。如果把固定化酶用于如果把固定化酶用于间歇反应器间歇反应器，则每批，则每批反应都要从流出液中分离出产物和固定化反

5、应都要从流出液中分离出产物和固定化酶，可以采用酶，可以采用过滤过滤或或离心法离心法将固液分开。将固液分开。由于由于酶经过反复循环回收，会失去活性，酶经过反复循环回收，会失去活性，所以在工业生产中的所以在工业生产中的固定化酶很少采用间固定化酶很少采用间歇式搅拌罐反应器。歇式搅拌罐反应器。连续流动搅拌连续流动搅拌罐反应器罐反应器(CSTR)连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器在结构上与间歇式在结构上与间歇式反应器基本相同，只不过是连续反应器基本相同，只不过是连续进料进料、连、连续续出出料料。由于由于它具有它具有搅拌系统搅拌系统，反应器内的各组成，反应器内的各组成成分能得到充分混合，分布均一，并

6、与流成分能得到充分混合，分布均一，并与流出液的组成相一致。出液的组成相一致。其缺点是，由于其缺点是，由于搅拌浆产生的剪切力较大，搅拌浆产生的剪切力较大，容易引起固定化酶的容易引起固定化酶的破坏破坏。近来近来有一种有一种改良改良的的连续流动搅拌罐反应器连续流动搅拌罐反应器（CSTR）。改良的改良的CSTR 是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌轴上是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌轴上或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不致损坏固定化酶。致损坏固定化酶。填充床反应器填充床反应器(PBR)(PBR)P

7、BR（Packed bed reactor）这种反应器这种反应器的使用最普遍，到目前为止，已发表的固的使用最普遍，到目前为止，已发表的固定化酶反应器的研究工作主要集中在填充定化酶反应器的研究工作主要集中在填充床床反应器。反应器。固定化酶固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎通常可以各种形状，如球形、碎片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子交换树脂、聚丙烯酰胺凝胶、二乙胺乙基交换树脂、聚丙烯酰胺凝胶、二乙胺乙基葡聚糖凝胶、胶原蛋白薄膜片葡聚糖凝胶、胶原蛋白薄膜片等。等。近年来近年来，球形微囊体

8、也用于填充床。，球形微囊体也用于填充床。在填充床反应器内在填充床反应器内流体的流动型态流体的流动型态接近于接近于平推流平推流(又称活塞流又称活塞流)流型，所以填充床反应流型，所以填充床反应器可近似认为是一种器可近似认为是一种平推（活塞）流反应平推（活塞）流反应器器(Plug-flow reactor，PFR)。这种反应器。这种反应器运转时，底物按照一定的方向以恒定流速运转时，底物按照一定的方向以恒定流速通过反应床。通过反应床。根据底物的流动方式，又有根据底物的流动方式，又有下向流动下向流动、上上向流动和循环流动之分向流动和循环流动之分。工业生产中，液。工业生产中，液流方向流方向常用上向方式常用

9、上向方式，这样可以避免下向，这样可以避免下向流动的液压对柱床的影响，尤其对生产气流动的液压对柱床的影响，尤其对生产气体的反应更为重要。体的反应更为重要。PBR或或PFRpacked bed reactor，PBRplug-flow reactor，PFR 在在填充床式反应器填充床式反应器使用过程中，底层的固使用过程中，底层的固定化酶颗粒所受到的压力较大，容易引起定化酶颗粒所受到的压力较大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎，为了减少底固定化酶颗粒的变形或破碎，为了减少底层固定化酶颗粒所受到的压力，层固定化酶颗粒所受到的压力，可以在反可以在反应器中间用托板分隔。应器中间用托板分隔。填充床式反应器填

10、充床式反应器的优点是设备简单，操作的优点是设备简单，操作方便，单位体积反应床的固定化酶密度大。方便，单位体积反应床的固定化酶密度大。在工业生产中普通使用在工业生产中普通使用。流化床反应器流化床反应器(FBR)在流化床反应器（在流化床反应器（FBR）内，底物溶液以）内，底物溶液以足够大的流速向上通过固定化酶床层，使足够大的流速向上通过固定化酶床层，使固体颗粒处于流化状态，达到混合的目的。固体颗粒处于流化状态，达到混合的目的。流速应以能使酶颗粒不下沉，又不致使颗流速应以能使酶颗粒不下沉，又不致使颗粒溢出反应床为宜粒溢出反应床为宜。在。在FBR中，由于混合中，由于混合程度高，故传热、传质情况良好。程

11、度高，故传热、传质情况良好。FBR FBR可用于可用于处理粘性强处理粘性强和和含有固体颗粒含有固体颗粒的的底物，也可用于底物，也可用于需要供应气体或排放气体需要供应气体或排放气体的反应。对于停留时间较短的反应也可用的反应。对于停留时间较短的反应也可用FBR。流化床流化床反应器反应器FBR 在实际应用过程中，要注意在实际应用过程中，要注意控制好底物溶控制好底物溶液和反应液的流动速度液和反应液的流动速度。流动。流动速度过低速度过低时，时，难于保持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；难于保持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；流动速度流动速度过高时，则催化反应不完全，甚过高时，则催化反应不完全，甚至会使固定化酶的结

12、构受到损坏。至会使固定化酶的结构受到损坏。FBR 为了保证一定的流动速度，并使催化反应为了保证一定的流动速度，并使催化反应更为完全，必要时更为完全，必要时流出的反应液可以部分流出的反应液可以部分循环进入反应器。循环进入反应器。FBR 流化床式反应器流化床式反应器具有混合均匀，传质和传具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和热效果好，温度和pH的调节控制比较容易，的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大的反应液不易堵塞，对粘度较大的反应液也可进行也可进行催化反应等特点。催化反应等特点。FBR 然而，在这种反应器中，由于固定化酶不然而，在这种反应器中，由于固定化酶不断处于悬浮翻动状态，流体流动产生的

13、剪断处于悬浮翻动状态，流体流动产生的剪切力以及固定化酶的碰撞会使固定化酶颗切力以及固定化酶的碰撞会使固定化酶颗粒受到粒受到破坏。破坏。此外此外，流体动力学变化较大，参数复杂，流体动力学变化较大，参数复杂，故放大反应较为故放大反应较为困难困难。循环反应器循环反应器(RCR)(RCR)RCR这种反应器是让部分反应液流出，和这种反应器是让部分反应液流出，和新加入的底物流入液混合，再进入反应床新加入的底物流入液混合，再进入反应床进行循环。其特点是进行循环。其特点是可以提高液体的流速可以提高液体的流速和减少底物向固定化酶表面传递的阻力，和减少底物向固定化酶表面传递的阻力，可以达到较高的转化率可以达到较高

14、的转化率。当反应底物是不当反应底物是不溶性物质时溶性物质时，不可以，不可以采用循环反应器。采用循环反应器。RCR连续流动搅拌罐一超滤膜反应器连续流动搅拌罐一超滤膜反应器 CSTR/UF是由连续流动搅拌罐反应器和超是由连续流动搅拌罐反应器和超滤装置组合而成的反应器。它在连续搅拌滤装置组合而成的反应器。它在连续搅拌反应罐的出口处装有一半透性的超滤膜，反应罐的出口处装有一半透性的超滤膜，这种膜只允许这种膜只允许产物和未曾反应的底物通过，产物和未曾反应的底物通过，相对分子质量大的酶被截留相对分子质量大的酶被截留，可以使酶反，可以使酶反复使用。复使用。CSTR/UF 此外这种反应器还可以使此外这种反应器

15、还可以使相对分子质量小相对分子质量小的产物和相对分子质量大的底物分开的产物和相对分子质量大的底物分开，使，使底物彻底转化。底物彻底转化。其他反应器其他反应器 除上述反应器外，还有除上述反应器外，还有淤浆反应器淤浆反应器、滴流滴流床反应器床反应器、气栓式流动反应器气栓式流动反应器、转盘式反转盘式反应器应器、筛板反应器及筛板反应器及不同类型反应器的结不同类型反应器的结合等。合等。1.固定化酶反应器的类型和特点固定化酶反应器的类型和特点 2.固定化酶反应器的选择依据固定化酶反应器的选择依据 3.固定化酶反应器的性能评价固定化酶反应器的性能评价 4.固定化酶反应器的操作固定化酶反应器的操作2.固定化酶

16、反应器的选择依据固定化酶反应器的选择依据 根据固定化酶的根据固定化酶的形状形状来选择来选择 根据底物的根据底物的物理性质物理性质来选择来选择 根据酶根据酶反应的动力学反应的动力学特性来选择特性来选择 根据根据外界环境对酶的稳定性外界环境对酶的稳定性的影响来选择的影响来选择 根据根据操作要求及反应器费用操作要求及反应器费用来选择来选择 根据固定化酶的形状来选择根据固定化酶的形状来选择 溶液酶由于回收困难，一般只适用于溶液酶由于回收困难，一般只适用于BSTR。带有超滤器的带有超滤器的CSTR/UF，虽然可以解决反，虽然可以解决反复使用的问题，但是常因复使用的问题，但是常因超滤膜吸附和浓超滤膜吸附和

17、浓差极化而造成酶的损失差极化而造成酶的损失，高流速的超滤还高流速的超滤还可能因为剪切力大而造成酶的失活可能因为剪切力大而造成酶的失活。颗粒状和片状的固定化酶对颗粒状和片状的固定化酶对CSTR和和PBR类类型的反应器均可适用，但膜状和纤维状的型的反应器均可适用，但膜状和纤维状的固定化酶仅适用于固定化酶仅适用于PBR。如果如果固定化酶容易变形、易粘结或颗粒细固定化酶容易变形、易粘结或颗粒细小时，采用小时，采用FBR较为适宜。较为适宜。根据底物的物理性质来选择根据底物的物理性质来选择 溶解性或浊液性底物溶解性或浊液性底物，对任何类型的反应，对任何类型的反应器都器都适用；适用；颗粒颗粒状和胶状底物状和

18、胶状底物，往往会，往往会堵塞填充床堵塞填充床，需要采用高流速搅拌的需要采用高流速搅拌的CSTR、FBR和和RCR以减少底物颗粒的集结、沉积和堵塞，以减少底物颗粒的集结、沉积和堵塞，使底物保持悬浮状态。使底物保持悬浮状态。对于对于高流速搅拌的高流速搅拌的CSTR，如果搅拌速度过如果搅拌速度过高又会使固定化酶从载体上被剪切下来，高又会使固定化酶从载体上被剪切下来，所以搅拌速度不能太高。所以搅拌速度不能太高。根据酶反应的动力学特性来选择根据酶反应的动力学特性来选择 选择反应器，必须考虑酶反应的动力学选择反应器，必须考虑酶反应的动力学特特性。性。接 近接 近 平 推 流 特 性 的 填 充 床 反 应

19、 器平 推 流 特 性 的 填 充 床 反 应 器(PFR/PBR)，在固定化酶反应器中占有主，在固定化酶反应器中占有主导地位，它适合于导地位，它适合于产物产物对酶活性具有抑制对酶活性具有抑制作用的作用的反应。反应。PFR（平推流反应器平推流反应器）和和CSTR相比，总效相比，总效率率PFR优于优于CSTR，特别是当，特别是当产物产物对反应有对反应有抑制作用时，抑制作用时，PFR的优越性更显突出。的优越性更显突出。若若底物底物表现出对酶的活性有抑制作用时，表现出对酶的活性有抑制作用时，CSTR所受的影响要比所受的影响要比PFR少少一些。一些。酶酶反应器的催化反应速度，一般是反应器的催化反应速度

20、，一般是CSTR型型随随搅拌速度搅拌速度加快而增加，加快而增加，PFR型随型随流速流速增增加而加而加快。加快。PFR：平推流反应器平推流反应器根据外界环境对酶的稳定性的影响来选择根据外界环境对酶的稳定性的影响来选择 在反应器的运转过程中，由于在高速搅拌在反应器的运转过程中，由于在高速搅拌时，高速液流的冲击，常常会使固定化酶时，高速液流的冲击，常常会使固定化酶从载体上脱落下来，或由于磨损，引起粒从载体上脱落下来，或由于磨损，引起粒度的减小而影响固定化酶的操作稳定性，度的减小而影响固定化酶的操作稳定性，其中以其中以CSTR最为严重最为严重。为解决这一为解决这一问题可以改进反应器的设计问题可以改进反

21、应器的设计 如如把把酶直接粘接在搅拌轴上，或者把固定酶直接粘接在搅拌轴上，或者把固定化酶放置在与轴相连的金属网篮化酶放置在与轴相连的金属网篮内内。这些这些措施均可使酶免遭剪切，减少了外界措施均可使酶免遭剪切，减少了外界环境对酶的稳定性的不利影响。环境对酶的稳定性的不利影响。根据操作要求及反应器费用来选择根据操作要求及反应器费用来选择 有些酶反应需要不断有些酶反应需要不断调整调整pH，有的需，有的需供氧供氧，有的需补充有的需补充反应物或补充反应物或补充酶酶。所有所有这些操作，在这些操作，在CSTR中可无需中断而中可无需中断而连连续进行；续进行；在在其他反应器中则比较困难，需要由特殊其他反应器中则

22、比较困难，需要由特殊设计来解决。设计来解决。BSTR和和CSTR的共同特征：的共同特征：结构结构简单、操作方便、适用面广简单、操作方便、适用面广(可用于粘可用于粘性或不溶性底物的转化加工性或不溶性底物的转化加工)，在，在底物底物表现表现出抑制作用时可获得较高的转化出抑制作用时可获得较高的转化产率；产率；但是但是在产物表现出抑制作用时底物的转化在产物表现出抑制作用时底物的转化率就会降低。率就会降低。BSTR可用于溶液酶的催化反可用于溶液酶的催化反应，它的操作也比应，它的操作也比CSTR简便。简便。平推流反应器（平推流反应器（plug-flow reactor）PFR最突出的优越性在于它有较高的转

23、化最突出的优越性在于它有较高的转化效率，尤其是当效率，尤其是当产物产物抑制酶反应时，其转抑制酶反应时，其转化效率明显优于化效率明显优于BSTR和和CSTR。PFR的缺点是用小颗粒固定化酶时，可能的缺点是用小颗粒固定化酶时，可能产生产生压密现象压密现象；如果底物是不溶性的或粘；如果底物是不溶性的或粘性的，这类反应器不适用。性的，这类反应器不适用。流化床反应器 FBR的优点是物质交换与热交换特性较好，的优点是物质交换与热交换特性较好，不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的转化，低压降。但是它消耗动力大，不易转化，低压降。但是它消耗动力大，不易直接模仿放大。直接模仿

24、放大。CSTR/UFR既适用于水溶性酶，也适用于既适用于水溶性酶，也适用于不溶性或粘性底物；如果长时间运转，会不溶性或粘性底物；如果长时间运转，会使酶的稳定性降低，也容易被超滤膜吸附，使酶的稳定性降低，也容易被超滤膜吸附，并产生浓差极化现象。并产生浓差极化现象。RCR的转化率高，可以采用高速液流克服的转化率高，可以采用高速液流克服外扩散的限制；但是它的设备成本高。外扩散的限制；但是它的设备成本高。若考虑反应器的价格，若考虑反应器的价格，CSTR最便宜，它结最便宜，它结构简单，又具有良好的操作性，适应性构简单，又具有良好的操作性，适应性强。强。此外此外还应考虑固定化酶本身的费用以及在还应考虑固定

25、化酶本身的费用以及在各种反应器中的各种反应器中的稳定性。稳定性。综上所述，综上所述，在反应器的选择上并无固定模在反应器的选择上并无固定模式可循，必须根据上述各项条件综合权衡，式可循，必须根据上述各项条件综合权衡，才能做出正确的决定。才能做出正确的决定。3.固定化酶反应器的性能评价固定化酶反应器的性能评价影响酶反应器性能的因素很多，一般可以从影响酶反应器性能的因素很多，一般可以从以下几个方面考虑：以下几个方面考虑：固定化酶的形状固定化酶的形状 底物的物理性质底物的物理性质 固定化酶的稳定性固定化酶的稳定性 酶反应动力学特性酶反应动力学特性 固定化酶的形状固定化酶的形状 通常呈颗粒状、片状、膜状或

26、纤维状固定通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用化酶均可采用PBR，而颗粒状、粉末状及，而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均片状固定化酶均适用于适用于CSTR。膜膜状、纤维状固定化酶不适用于状、纤维状固定化酶不适用于CSTR。其中其中，膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应，膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。器。粉状固定化酶或者易变形、易粘结的固定粉状固定化酶或者易变形、易粘结的固定化酶，由于它们易造成堵塞，并产生高压化酶，由于它们易造成堵塞，并产生高压力降，而无法实现高流速，此时，可采用力降，而无法实现高流速，此时，可采用流化床反应器流化床反应器(FBR)。FBR-流化床反应器流化床反应器底物

27、的物理性质底物的物理性质 底物的物理性质是影响选择反应器的重要底物的物理性质是影响选择反应器的重要因素。因素。可溶性可溶性底物底物适用于各类适用于各类反应器。反应器。难难溶底物溶底物或者或者呈胶体溶液底物呈胶体溶液底物，易堵塞柱，易堵塞柱床，可选用床，可选用FBR。只要搅拌速度足够高，只要搅拌速度足够高，CSTR能维护颗粒状能维护颗粒状底物和固定化酶在溶液中呈悬浮状态，所底物和固定化酶在溶液中呈悬浮状态，所以颗粒状底物溶液可适用于以颗粒状底物溶液可适用于CSTR。但是，搅拌速度过高易打碎固定化酶，因但是，搅拌速度过高易打碎固定化酶，因此，应适当控制搅拌此，应适当控制搅拌速度。速度。当当反应过程

28、需要控制温度、调节反应过程需要控制温度、调节pH时，选时，选用用CSTR更为方便。更为方便。固定化酶稳定性固定化酶稳定性 在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上剪切作用，常会使酶从载体上脱落下来；脱落下来；或者或者由于磨损而使粒皮变细，从而影响固由于磨损而使粒皮变细，从而影响固定化酶的操作稳定性。其中，尤以定化酶的操作稳定性。其中，尤以CSTR最最为严重。为严重。解决这一问题的方法解决这一问题的方法是设计特殊的是设计特殊的CSTR反反应器。应器。如把如把酶直接粘结在搅拌轴上，或者把固定酶直接粘结在搅拌轴上，或者把固定化酶放置在与轴相连

29、的金属网筐化酶放置在与轴相连的金属网筐内内。这些这些措施均可减弱对酶的剪切作用，有利措施均可减弱对酶的剪切作用，有利于提高酶的稳定性。于提高酶的稳定性。酶反应动力学特性酶反应动力学特性 酶反应动力学特性亦是选择反应器的一个酶反应动力学特性亦是选择反应器的一个重要依据。在酶工程中，接近平推流特性重要依据。在酶工程中，接近平推流特性的固定床反应器的固定床反应器(PBR)，在固定化酶反应器，在固定化酶反应器中占有主导中占有主导地位。地位。固定床反应器固定床反应器（PBR）适用于有适用于有产物抑制产物抑制的转化反应，但在有的转化反应，但在有底物抑制底物抑制的反应系统的反应系统中，中，CSTR的性能优于

30、的性能优于固定床反应器固定床反应器。PBR的流动特性接近于的流动特性接近于CSTR，因此也适用，因此也适用于有底物抑制的转化于有底物抑制的转化反应。反应。循环反应器循环反应器的回流溶液中含有产物，所以的回流溶液中含有产物，所以不宜用于有不宜用于有产物抑制产物抑制的转化反应。的转化反应。反应器的性能评价应尽可能在模拟原生产反应器的性能评价应尽可能在模拟原生产条件下进行，通过条件下进行，通过测定活性、稳定性、选测定活性、稳定性、选择性、达到的产物产量、底物转化率择性、达到的产物产量、底物转化率等，等，来衡量其加工制造来衡量其加工制造质量。质量。测定测定的主要参数有的主要参数有空时、空速、转化率、空

31、时、空速、转化率、生产强度。生产强度。空时空时是指底物在反应器中的停留时间，数是指底物在反应器中的停留时间，数值上等于值上等于反应器体积反应器体积与与底物体积流速底物体积流速之比，之比，又常称为又常称为稀释稀释率率。当当底物或产物不稳定或容易产生副产物时，底物或产物不稳定或容易产生副产物时，应使用高活性酶，并尽可能缩短反应物在应使用高活性酶，并尽可能缩短反应物在反应器内的反应器内的停留时间。停留时间。空速空速定义为定义为空时空时的倒数。的倒数。空时、空速这两个指标一般用于连续反应空时、空速这两个指标一般用于连续反应器。器。转化率转化率是指每克底物中有多少被转化为是指每克底物中有多少被转化为产产

32、物。物。在在设计时，应考虑尽可能设计时，应考虑尽可能利用最少的原料利用最少的原料得到最多的产物得到最多的产物。只要有可能，使用纯酶。只要有可能，使用纯酶和纯的底物，以及减少反应器内的非理想和纯的底物，以及减少反应器内的非理想流动，均有利于选择性反应。流动，均有利于选择性反应。使用使用高浓度的反应物对产物的分离高浓度的反应物对产物的分离也是有也是有利的，特别是当生物催化剂选择性高而反利的，特别是当生物催化剂选择性高而反应不可逆时更加有利，同时也可以使需分应不可逆时更加有利，同时也可以使需分离的溶剂量大大降低。离的溶剂量大大降低。酶反应器的酶反应器的生产强度生产强度以每小时每升反应器以每小时每升反

33、应器体积所生产的产物克数表示体积所生产的产物克数表示，主要取决于，主要取决于酶的特性、浓度及反应器特性、操作方法酶的特性、浓度及反应器特性、操作方法等。等。使用高酶浓度及减小停留时间有利于生产使用高酶浓度及减小停留时间有利于生产强度的提高，但并不是酶浓度越高、停留强度的提高，但并不是酶浓度越高、停留时间越短越好，这样会造成浪费，在经济时间越短越好，这样会造成浪费，在经济上不合算。上不合算。总体而言，酶反应器的设计应该是在经济、总体而言，酶反应器的设计应该是在经济、合理的基础上提高生产合理的基础上提高生产强度。强度。由于由于酶对热是相对不稳定的，设计时还应酶对热是相对不稳定的，设计时还应特别注意

34、特别注意质与热的传递质与热的传递，最佳的传质与传，最佳的传质与传热的转移可获得最大的产率。热的转移可获得最大的产率。4.固定化酶反应器的操作固定化酶反应器的操作 在应用酶反应器进行催化反应的过程中，在应用酶反应器进行催化反应的过程中，要充分发挥酶的催化功能，除了要充分发挥酶的催化功能，除了选用高质选用高质量的酶量的酶、选择适宜的酶应用形式、选择或选择适宜的酶应用形式、选择或设计适宜的酶反应器设计适宜的酶反应器以外，还要在酶反应以外，还要在酶反应器的应用过程中，确定器的应用过程中，确定适宜的操作条件适宜的操作条件并并根据变化的情况进行适当的调节控制。根据变化的情况进行适当的调节控制。酶酶反应器操

35、作条件的确定及其调节控制反应器操作条件的确定及其调节控制 酶酶反应器应用的注意事项反应器应用的注意事项 酶酶反应器生产能力下降的原因及对策反应器生产能力下降的原因及对策 酶反应器的操作条件主要包括酶反应器的操作条件主要包括底物浓度、底物浓度、酶浓度、温度、酶浓度、温度、pH、反应液的混合与流动、反应液的混合与流动等。等。底物浓度的确定与调节控制底物浓度的确定与调节控制 酶的催化作用是底物在酶的作用下转化为酶的催化作用是底物在酶的作用下转化为产物的产物的过程。过程。底物底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。素。在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速在底物浓度较低的

36、情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反应速度随着底物度与底物浓度成正比，反应速度随着底物浓度的增加而浓度的增加而升高。升高。当当底物浓度达到一定的数值时，反应速度底物浓度达到一定的数值时，反应速度的上升不再与底物浓度成正比，而是逐步的上升不再与底物浓度成正比，而是逐步趋向趋向平衡。平衡。底物底物浓度过低，反应速度慢；底物浓度过浓度过低，反应速度慢；底物浓度过高，反应液的粘度增加高，反应液的粘度增加。有些酶还会受到。有些酶还会受到高底物浓度的高底物浓度的抑制作用抑制作用。因此，在酶催化反应过程中，要确定一个因此，在酶催化反应过程中，要确定一个适宜的底物浓度范围。适宜的底物浓度范围。对于分批对

37、于分批式反应器（式反应器（BSTR）：首先）：首先将将一定一定浓度的底物溶液引进反应器浓度的底物溶液引进反应器，调节，调节pH，将，将温度调节到适宜的温度，然后加进适量的温度调节到适宜的温度，然后加进适量的酶液进行反应。酶液进行反应。为了为了防止高浓度底物引起的抑制作用防止高浓度底物引起的抑制作用，可，可以采用以采用逐步流加底物逐步流加底物的方法，即先将一部的方法，即先将一部分底物和酶加到反应器中进行反应，随着分底物和酶加到反应器中进行反应，随着反应的进行，底物浓度逐步降低以后，再反应的进行，底物浓度逐步降低以后，再连续或分次地将一定浓度的底物溶液添加连续或分次地将一定浓度的底物溶液添加到反应

38、器中进行到反应器中进行反应。反应。通过通过分批流加的操作方式分批流加的操作方式，反应体系中底，反应体系中底物浓度保持在较低的水平，可以避免或减物浓度保持在较低的水平，可以避免或减少高浓度底物的抑制作用，提高酶催化反少高浓度底物的抑制作用，提高酶催化反应的应的速率。速率。对于对于连续式反应器（连续式反应器（CSTR），则将配制好则将配制好的一定浓度的底物溶液连续地加进反应器的一定浓度的底物溶液连续地加进反应器中进行反应，反应器中底物浓度保持恒定，中进行反应，反应器中底物浓度保持恒定，反应液连续地排出。反应液连续地排出。酶浓度的确定与调节控制酶浓度的确定与调节控制 根据酶反应动力学研究结果，在底物

39、浓度根据酶反应动力学研究结果，在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比，度成正比，提高酶浓度，可以提高催化反提高酶浓度，可以提高催化反应的应的速度速度。然而，然而，酶浓度的提高必然会增加费用，所酶浓度的提高必然会增加费用，所以酶浓度不是越高越好，特别是对于价格以酶浓度不是越高越好，特别是对于价格高的酶，必须综合考虑反应速度和成本，高的酶，必须综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。确定一个适宜的酶浓度。在酶使用过程中，特别是连续使用较长的在酶使用过程中，特别是连续使用较长的一段时间以后，必然会有一部分酶失活，一段时间以后，必然会有一部分酶

40、失活，所以需要进行补充或更换，以保持一定的所以需要进行补充或更换，以保持一定的酶浓度。因此，酶浓度。因此，连续式固定化酶反应器应连续式固定化酶反应器应具备添加或更换酶的装置，而且要求这些具备添加或更换酶的装置，而且要求这些装置的结构简单，操作容易。装置的结构简单，操作容易。反应温度的确定与调节控制反应温度的确定与调节控制 酶催化作用受温度的影响非常显著，酶的酶催化作用受温度的影响非常显著，酶的催化反应有一个最适温度，温度过低，反催化反应有一个最适温度，温度过低，反应速度减慢；温度过高，会引起酶的变性应速度减慢；温度过高，会引起酶的变性失活。因此，失活。因此，在酶反应器的应用过程中，在酶反应器的

41、应用过程中，要根据酶的动力学特性，确定酶催化反应要根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度，并将反应温度控制在适宜的的最适温度，并将反应温度控制在适宜的温度范围内。温度范围内。在温度发生变化时，要及时进行调节。一在温度发生变化时，要及时进行调节。一般酶反应器中均安装有夹套或列管等换热般酶反应器中均安装有夹套或列管等换热装置，里面通入一定温度的水，装置，里面通入一定温度的水，通过热交通过热交换作用，保持反应器中反应液的温度恒定换作用，保持反应器中反应液的温度恒定在一定的范围内在一定的范围内。如果采用喷射式反应器，。如果采用喷射式反应器，则通过控制水蒸气的压力，以达到控制温则通过控制水蒸气的压

42、力，以达到控制温度的目的。度的目的。pH的确定与调节控制的确定与调节控制 反应液的反应液的pH对酶催化反应有明显影响，由对酶催化反应有明显影响，由于酶催化反应都有一个最适于酶催化反应都有一个最适pH值，值，pH过高过高或过低都会使反应速度减慢，甚至使酶变或过低都会使反应速度减慢，甚至使酶变性失活。因此，性失活。因此，在酶催化反应过程中，要在酶催化反应过程中，要根据酶的动力学特性确定酶催化反应的最根据酶的动力学特性确定酶催化反应的最适适pH，并将反应液的，并将反应液的pH维持在适宜的范围维持在适宜的范围内。内。采用分批式反应器进行酶催化反应时，通采用分批式反应器进行酶催化反应时，通常在加入酶液之

43、前，先用常在加入酶液之前，先用稀酸或稀碱将底稀酸或稀碱将底物溶液调节到酶的最适物溶液调节到酶的最适pH，然后加酶进行，然后加酶进行催化反应；对于在连续式反应器中进行的催化反应；对于在连续式反应器中进行的酶催化反应，一般将调节好酶催化反应，一般将调节好pH的底物溶液的底物溶液(必要时必要时采用缓冲溶液配制采用缓冲溶液配制)连续加到反应器连续加到反应器中。中。有些酶催化反应前后的有些酶催化反应前后的pH变化不大变化不大，如，如-淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反应过程淀粉酶催化淀粉水解生成糊精的反应过程中，中，pH基本恒定，在反应过程中不需进行基本恒定，在反应过程中不需进行pH的调节。的调节。而有些酶

44、的底物或者产物是一种酸或碱，而有些酶的底物或者产物是一种酸或碱，例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖与氧气反应例如葡萄糖氧化酶催化葡萄糖与氧气反应生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成葡萄糖酸，乙醇氧化酶催化乙醇氧化生成醋酸等，反应前后生成醋酸等，反应前后pH的变化较大的变化较大，在，在反应过程中需进行必要的调节。反应过程中需进行必要的调节。pH的调节通常采用的调节通常采用稀酸溶液或稀碱溶液稀酸溶液或稀碱溶液进进行，加入稀酸或稀碱溶液时，要一边搅拌行，加入稀酸或稀碱溶液时，要一边搅拌一边缓慢添加，以防止局部过酸或过碱，一边缓慢添加，以防止局部过酸或过碱，必要时可以采用必要时可以采用缓冲溶液配制底物溶液

45、缓冲溶液配制底物溶液，以维持反应液的以维持反应液的pH。搅拌速度的确定与调节控制搅拌速度的确定与调节控制 酶在进行催化反应时，首先要与底物结合，酶在进行催化反应时，首先要与底物结合，然后才能进行催化反应。要使酶能够与底然后才能进行催化反应。要使酶能够与底物结合，就必须物结合，就必须保证酶与底物混合均匀保证酶与底物混合均匀，使酶分子与底物分子能够使酶分子与底物分子能够进行有效碰撞进行有效碰撞，进而互相结合进行催化反应。进而互相结合进行催化反应。在搅拌罐式反应器和游离酶膜反应器中，在搅拌罐式反应器和游离酶膜反应器中，都设计安装有搅拌装置，通过适当的搅拌都设计安装有搅拌装置，通过适当的搅拌实现均匀的

46、混合。因此，首先要在实验的实现均匀的混合。因此，首先要在实验的基础上基础上确定适宜的搅拌速度确定适宜的搅拌速度，并根据情况，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。的变化进行搅拌速度的调节。搅拌速度搅拌速度过慢过慢，会影响混合的均匀性；搅，会影响混合的均匀性；搅拌拌过快过快，产生的剪切力会使酶的结构受到，产生的剪切力会使酶的结构受到影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏，影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏，而影响催化反应的进行。而影响催化反应的进行。流动速度的确定与调节控制流动速度的确定与调节控制 在在连续式酶反应器连续式酶反应器中，底物溶液连续地进中，底物溶液连续地进入反应器，同时反应液连续地排出，

47、通过入反应器，同时反应液连续地排出，通过溶液的流动实现酶与底物的混合和溶液的流动实现酶与底物的混合和催化催化。为了为了使催化反应高效进行，要控制好液体使催化反应高效进行，要控制好液体的流速和流动状态，以保证混合均匀，并的流速和流动状态，以保证混合均匀，并且不会影响酶的催化作用。且不会影响酶的催化作用。对于对于流化床反应器流化床反应器（FBE），），如果流体流如果流体流速速过慢过慢，固定化酶颗粒就不能很好飘浮翻，固定化酶颗粒就不能很好飘浮翻动，甚至沉积在反应器底部，从而影响酶动，甚至沉积在反应器底部，从而影响酶与底物的均匀接触和催化反应的顺利进行，与底物的均匀接触和催化反应的顺利进行，乃至产生阻

48、塞现象，影响底物溶液顺利进乃至产生阻塞现象，影响底物溶液顺利进入反应器。入反应器。如果流体如果流体流速过高流速过高或流动状态混乱，则固或流动状态混乱，则固定化酶颗粒在反应器中激烈翻动、碰撞，定化酶颗粒在反应器中激烈翻动、碰撞，会使固定化酶的结构受到破坏，以致使酶会使固定化酶的结构受到破坏，以致使酶脱落、流失，从而影响催化反应的进行。脱落、流失，从而影响催化反应的进行。流体在流化床反应器中的流动速度和流动流体在流化床反应器中的流动速度和流动状态可以通过控制进液口的状态可以通过控制进液口的流体流速流体流速和和流流量量，以及，以及进液管的方向和排布进液管的方向和排布等方法，加等方法，加以调节。以调节

49、。填充床式反应器填充床式反应器中，底物溶液按照一定的中，底物溶液按照一定的方向以恒定的速度流过固定化酶层，其流方向以恒定的速度流过固定化酶层，其流动速度决定酶与底物的接触时间和反应的动速度决定酶与底物的接触时间和反应的进行程度。进行程度。在在反应器的直径和高度确定的情况下反应器的直径和高度确定的情况下(高径高径比比)，流速，流速越慢越慢，酶与底物接触时间越长，酶与底物接触时间越长，反应越完全，但是生产效率越低，因此需反应越完全，但是生产效率越低，因此需要选择好要选择好适宜流速；适宜流速；流速过慢流速过慢，则催化反应速度降低，而降低，则催化反应速度降低，而降低生产效率，生产效率，流速过快流速过快

50、，则反应不完全，有，则反应不完全，有一部分底物未转化成产物就被排出，影响一部分底物未转化成产物就被排出，影响转化效率转化效率。在理想的操作情况下，填充床式反应器任在理想的操作情况下，填充床式反应器任何一个横截面上的流体流动速度是相同的，何一个横截面上的流体流动速度是相同的，在同一个横截面上底物浓度和产物浓度也在同一个横截面上底物浓度和产物浓度也是一致是一致的。的。这种这种反应器又称为活塞流反应器反应器又称为活塞流反应器(plug flow reactor，PFR)。酶反应器应用的注意事项酶反应器应用的注意事项 在酶反应器的应用过程中，除了控制各种在酶反应器的应用过程中，除了控制各种反应条件，还