第七讲 固定化酶反应器
合集下载
第七章_固定化酶 to 学生
14
包埋法（ method） 包埋法（entrapping method）
定义： 定义：将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体 使酶固定化的方法称为包埋法。 中，使酶固定化的方法称为包埋法。 包埋法分为网格型和微囊型 1．网格型 2．微囊型
15
网格型
将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中， 概念 将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中，制 成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。 成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。也称 为凝胶包埋法
DEAE-纤维素， DEAE-葡聚糖凝胶等。 体:DEAE-纤维素， DEAE-葡聚糖凝胶等。使用 pH、离子强度、 注意：pH、离子强度、温度
9
吸附法：物理吸附、 吸附法：物理吸附、离子交换
吸附： 吸附：利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在 其表面上而实现每固定化的方法。 其表面上而实现每固定化的方法。 常用的固体吸附剂 固体吸附剂： 常用的固体吸附剂： 无机载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、 无机载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、 多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石、白土、漂白土、 多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石、白土、漂白土、高 岭石、氧化铝、金属氧化物。 岭石、氧化铝、金属氧化物。 天然及合成高分子载体：淀粉、CMC、DEAE-纤维素、 天然及合成高分子载体：淀粉、CMC、DEAE-纤维素、 大孔树脂 非共价作用力，如静电、范德华力、 非共价作用力，如静电、范德华力、离子键和氢键 等。
CM-纤维素、DEAECM-纤维素、DEAE-纤 吸附容量大于物理吸 维素、DEAE50-150mg蛋白 蛋白/ 维素、DEAE-葡聚糖凝 附，约50-150mg蛋白/ Amberlitex-97、 胶、Amberlitex-97、 每克载体 DowexDowex-50
包埋法（ method） 包埋法（entrapping method）
定义： 定义：将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体 使酶固定化的方法称为包埋法。 中，使酶固定化的方法称为包埋法。 包埋法分为网格型和微囊型 1．网格型 2．微囊型
15
网格型
将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中， 概念 将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中，制 成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。 成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。也称 为凝胶包埋法
DEAE-纤维素， DEAE-葡聚糖凝胶等。 体:DEAE-纤维素， DEAE-葡聚糖凝胶等。使用 pH、离子强度、 注意：pH、离子强度、温度
9
吸附法：物理吸附、 吸附法：物理吸附、离子交换
吸附： 吸附：利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在 其表面上而实现每固定化的方法。 其表面上而实现每固定化的方法。 常用的固体吸附剂 固体吸附剂： 常用的固体吸附剂： 无机载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、 无机载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、 多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石、白土、漂白土、 多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石、白土、漂白土、高 岭石、氧化铝、金属氧化物。 岭石、氧化铝、金属氧化物。 天然及合成高分子载体：淀粉、CMC、DEAE-纤维素、 天然及合成高分子载体：淀粉、CMC、DEAE-纤维素、 大孔树脂 非共价作用力，如静电、范德华力、 非共价作用力，如静电、范德华力、离子键和氢键 等。
CM-纤维素、DEAECM-纤维素、DEAE-纤 吸附容量大于物理吸 维素、DEAE50-150mg蛋白 蛋白/ 维素、DEAE-葡聚糖凝 附，约50-150mg蛋白/ Amberlitex-97、 胶、Amberlitex-97、 每克载体 DowexDowex-50
固定化酶反应器总结
固定化酶反应器类型及其适用对象
酶反应器类型 酶反应器适用对象
间歇式搅拌釜反应器 适用于游离酶
连续式搅拌釜反应器 ？
填充床酶反应器 它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，
以及有产物抑制的转化反应。
流化床酶反应器 处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体
或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）
膜反应器 可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应
连续搅拌罐-膜反应器 该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与
大分子底物。
固定化酶反应器的研究与进展
固定化酶反应器的研究与进展班级：姓名：学号：摘要：以生物催化剂进行生物反应的场所为酶反应器。
根据酶催化剂类别的不同，酶反应器可分为游离酶反应器，即均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行的非均相酶反应器，即固定化酶反应器。
游离酶由于稳定性差及不能回收重复利用而在工业应用中受到限制。
酶固定化可以通过提高酶的结构稳定性，实现酶的回收利用而克服上述问题。
然而，酶的固定化过程可能会引起酶构像的变化导致酶活的少量损失。
因此，在固定化过程中，应根据酶的自身特性及其应用目的来选择合适的固定化方法和载体，以尽量减少酶的活力损失。
关键词:固定化酶反应器，固定化酶方法，新型固定化酶反应器1.前言酶作为一种生物大分子催化剂在生物化学领域被广泛地研究和应用。
酶具有催化条件温和、高效的区域选择性和化学选择性、应用设备相对简单且易于控制，能源消耗较低、环境污染少等显著优势。
目前，酶己被广泛应用于医药、食品生产、化工和农业等领域。
酶的固定化技术就是通过物理或化学方法将酶束缚在一定区间内制成仍具有催化活性的酶的衍生物。
该方法有效克服了传统溶液酶方法稳定性差、难以重复利用等缺点。
因此,该技术在医药、生物、食品领域有着广泛的应用。
而在该项技术的实施过程中,载体材料的结构与性能对固定化效率，酶活性的保持起着重要的作用。
2.固定化酶的方法根据酶与载体的结合方式不同，可将固定化方法分为五种：包埋法、吸附法、共价连结法和交联法。
2.1包埋法包埋法是通过共价键或者非共价键将酶包裹在凝胶或纤维中的一种方法。
如Shen[1]等采用海藻酸-明胶-氢化钙三元体系包埋β-半乳糖苷酶，不仅有效地防止酶的渗出，同时很好地提高了酶的化学稳定性。
此法的优点就在于可以防止酶渗出，但对大分子底物的应用具有局限性。
2.2 吸附法吸附法是通过载体表面与酶分子间的一些次级键（如氢键、疏水作用）的相互作用制备固定化酶的方法。
如Cabrera-Padilla[2]等利用可降解的聚（羟基丁酸-羟基戊酸）吸附固定褶皱酵母假丝脂肪酶(Candida rugosa lipase)，结果表明，在50℃条件下，4 h 后，酶活还有94%，同时循环利用次数达到12 次以上。
固定化酶反应器在高效液相色谱分析中的应用
化。反应 器的转换能力会被产物在检 测器和连接管
道内的谱带展宽所抵消， 因此在评估反应器时， 必须 同时评 价酶活力和谱带展宽程度。 填充柱反应器类似于填充色谱柱，ＰＣ的理论 ＨＬ 与技术同样适用。 为控制展宽， 最重要的是控制底物 扩散至载体所需的时间与它从柱内洗脱出来所需的
有后者的 １７峰高增加２５ ／， ． 倍。 Ｔｏ ｐ ｎ ｈｍ ｓ 等比较了几种葡萄糖氧化酶及乳酸脱 ｏ
Ｒ － 流 动相 为 甲醇 － 酸 盐 缓 冲液 。此 法 对 Ｃ －Ｃ ７ Ｐ８ 磷 ６ １
盐和Ｎ Ｄ Ａ Ｈ的缓冲液为流动相， 则发生以下反应：
根据荧光强度的减少可测出其含量［］ ２ ５
（ 其他 七）
［０ Ｍ．． ｅａ ， ．ｈ ｍ ｔ ｒ，７ ， １（９６． １］ Ｃ Ｗｕ ｌ ＪＣ ｒ ａ ｇ．３７１ １８） ｔ ． ｏ ｏ ２ ［１ ＳＬｍ ａ． Ｊ Ｃｒ ａ ｇ ，４ ，１（９８． １］ ．ａ ｅ ｌ ｔ ． ｈｏ ｔ ｒ ４ １８ １８） ｍ ｏ． ［２ Ｃ Ｅ ａ ｌ， ｎｌＢ ｃ ｍ ， ４，２ １８） １］ ． ｖ ｅａ Ａ ａ ｉ ｈ ． １３３０（９４． ｔ ． ．ｏｅ ［３ Ｇ Ｄ ｍｍ ｅａ ， ． ｈ ｍ ｔ ｒ， ２ ， １８ ） １］ ． ａ ｓ ａ ｌ Ｊ Ｃ ｒ ａ ｇ ４８ １（９８． ｔ ． ｏ ｏ． ［４ Ｋ Ｆ ｏｉ ｌ， ． ｈ ｍ ｔ ｒ， １，６ （９７． １］ ．ｕｍ ｒｅａ Ｊ Ｃｒ ａ ｇ ４４１７ １８ ） ｔ ． ｏ ｏ． ［５ Ｋ Ｈ ｎａ ｌ， ｎｌ Ｂ ｃ ｍ ，５， ０（９６． １］ ． ｏｄ ｅａ Ａ ａ ｉ ｈ ．１３ ５ １８ ） ｔ ． ． ｏｅ ［６ Ｐ Ｖ ｎ ｎｎ ｌ， ． ｈｒ ．Ｂ ｍ ｄ Ａ ａ ， ， １］ ． ａ Ｚｏｅ ｅａ Ｊ Ｐａ ｏ ｔ ． ｍ ｉ ｅ． ｎｌ ５ ｏ ．
道内的谱带展宽所抵消， 因此在评估反应器时， 必须 同时评 价酶活力和谱带展宽程度。 填充柱反应器类似于填充色谱柱，ＰＣ的理论 ＨＬ 与技术同样适用。 为控制展宽， 最重要的是控制底物 扩散至载体所需的时间与它从柱内洗脱出来所需的
有后者的 １７峰高增加２５ ／， ． 倍。 Ｔｏ ｐ ｎ ｈｍ ｓ 等比较了几种葡萄糖氧化酶及乳酸脱 ｏ
Ｒ － 流 动相 为 甲醇 － 酸 盐 缓 冲液 。此 法 对 Ｃ －Ｃ ７ Ｐ８ 磷 ６ １
盐和Ｎ Ｄ Ａ Ｈ的缓冲液为流动相， 则发生以下反应：
根据荧光强度的减少可测出其含量［］ ２ ５
（ 其他 七）
［０ Ｍ．． ｅａ ， ．ｈ ｍ ｔ ｒ，７ ， １（９６． １］ Ｃ Ｗｕ ｌ ＪＣ ｒ ａ ｇ．３７１ １８） ｔ ． ｏ ｏ ２ ［１ ＳＬｍ ａ． Ｊ Ｃｒ ａ ｇ ，４ ，１（９８． １］ ．ａ ｅ ｌ ｔ ． ｈｏ ｔ ｒ ４ １８ １８） ｍ ｏ． ［２ Ｃ Ｅ ａ ｌ， ｎｌＢ ｃ ｍ ， ４，２ １８） １］ ． ｖ ｅａ Ａ ａ ｉ ｈ ． １３３０（９４． ｔ ． ．ｏｅ ［３ Ｇ Ｄ ｍｍ ｅａ ， ． ｈ ｍ ｔ ｒ， ２ ， １８ ） １］ ． ａ ｓ ａ ｌ Ｊ Ｃ ｒ ａ ｇ ４８ １（９８． ｔ ． ｏ ｏ． ［４ Ｋ Ｆ ｏｉ ｌ， ． ｈ ｍ ｔ ｒ， １，６ （９７． １］ ．ｕｍ ｒｅａ Ｊ Ｃｒ ａ ｇ ４４１７ １８ ） ｔ ． ｏ ｏ． ［５ Ｋ Ｈ ｎａ ｌ， ｎｌ Ｂ ｃ ｍ ，５， ０（９６． １］ ． ｏｄ ｅａ Ａ ａ ｉ ｈ ．１３ ５ １８ ） ｔ ． ． ｏｅ ［６ Ｐ Ｖ ｎ ｎｎ ｌ， ． ｈｒ ．Ｂ ｍ ｄ Ａ ａ ， ， １］ ． ａ Ｚｏｅ ｅａ Ｊ Ｐａ ｏ ｔ ． ｍ ｉ ｅ． ｎｌ ５ ｏ ．
第七章：气固相催化反应固定床反应器.
b .床层压降由化工原理中的结果
g
2
e
2
u
d
dl
dp ρ⋅
λ=
- 7.1— 7
式中的u为实际流速、若u m为空塔流速,则:
B m B m /u u u u ε=⇒ε⋅=
将e d , u ,代入7.1— 7式中
3
B
B
S g 2
m 1d u dl
dp εε-⋅ρλ'=- 7.1— 8式中λ=
λ'4
3为摩察系数与e R有关。
1.动量衡算方程:即厄根方程
3
B
B
S g 2
m em
1d u 75. 1R 150(
dl
dp εε-⋅ρ+=- 2.物料衡算方程
对R dV微元衡算:入-出=反+积
dl
A 1(R (]
dl
dC E A dF F []dl l
C C [dl
d E A F t B A A
z
t A A A A z
t A ε--=++-∂∂+
x确定第一出口转化率和条件(
d .由f 1x及条件(I确定第二段入口温度20T
本章重点
1.拟均相一维模型
2.三段间壁段间换热绝热式反应器的T — x图3.绝热温升
4.最优化i i T , x使R V最小。
7.3固定床反应器模型评述
7.3.1一维拟均相非理想流动模型
物理模型
基本假定:在一维拟均相模型上加了一个轴(逆向向涡流扩散数学模型
A A
B 0A 0x x
B 0A 0m t i t Ri
1(C V V V R (dx
1(C V 1(C u A L A V令
g
2
e
2
u
d
dl
dp ρ⋅
λ=
- 7.1— 7
式中的u为实际流速、若u m为空塔流速,则:
B m B m /u u u u ε=⇒ε⋅=
将e d , u ,代入7.1— 7式中
3
B
B
S g 2
m 1d u dl
dp εε-⋅ρλ'=- 7.1— 8式中λ=
λ'4
3为摩察系数与e R有关。
1.动量衡算方程:即厄根方程
3
B
B
S g 2
m em
1d u 75. 1R 150(
dl
dp εε-⋅ρ+=- 2.物料衡算方程
对R dV微元衡算:入-出=反+积
dl
A 1(R (]
dl
dC E A dF F []dl l
C C [dl
d E A F t B A A
z
t A A A A z
t A ε--=++-∂∂+
x确定第一出口转化率和条件(
d .由f 1x及条件(I确定第二段入口温度20T
本章重点
1.拟均相一维模型
2.三段间壁段间换热绝热式反应器的T — x图3.绝热温升
4.最优化i i T , x使R V最小。
7.3固定床反应器模型评述
7.3.1一维拟均相非理想流动模型
物理模型
基本假定:在一维拟均相模型上加了一个轴(逆向向涡流扩散数学模型
A A
B 0A 0x x
B 0A 0m t i t Ri
1(C V V V R (dx
1(C V 1(C u A L A V令
酶反应器的认知与操作
4.操作记录
时间 RNA 5-核昔酸 RNA酶解率 酶膜反应器生产能 转化率
（h） mg/ml mg/ml
(%)
力
(%)
5.相关指标测定与计算 （1）RNA含量测定 采用紫外吸收法测定RNA含量。具体操作如下:取两 支小试管，甲试管加入0.5而样品和0.5ml去离子水; 乙试管加入0.5ml样品和0.5ml核酸沉淀剂，摇匀， 冰浴冷却30min，以3000RPM离心10min。分别移 取0.4ml上清液置于两个50ml容量瓶中，定容至刻度， 用紫外吸收法测定 260nm处的吸光度。RNA含量按 下式计算:
RNA浓度（ug/ml）=△A260×稀释倍数/(0.024×L) 式中，△A26O为甲管稀释液在 260nm波长下的吸 光度减去乙管稀释液在 260nm波长下的吸光度。L 为比色皿的厚度，一般为1或0.5cm，0.024为每ml 溶液中含有1ugRNA的吸光度。 RNA%=待测液中测得的RNA质量×100/待测液中制 品的质量
2.分体式酶膜反应器装置的操作 如图2.4-3所示，将一定浓度底物溶液定量加入反应罐中，升温 至定值，保温10分钟。开动搅拌系统，定量加入配好的酶液。 打开阀1，关闭阀2，调节到实验所设计的系统参数，稳定操作。 定时取样（取样时打开阀2，关闭阀1），分别测定渗透液和反 应液中RNA含量与5-核昔酸含量，同时测定膜的渗透通量。间 隔一段时间补充底物溶液，维持体系的体积平衡。反应过程中， 密切关注体系的pH和温度变化，使pH值和温度维持在所需范 围内。
（4）酶膜反应器生产能力的计算 反应器生产能力由下述公式计算:
式中:P一一渗透液一侧酶解产物浓度(mg/ml)； J一一单位面积膜渗透通量(ml/min)； E一一酶浓度（mg/ml)； V一一反应体积（ml）。 参数K量纲为而/min，表示单位时间内按酶量计算的 产物生成量，表征了反应器的生产能力。
7 酶反应器
第六章
酶反应器
生物与食品工程学院·食品酶学
第七章 酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以酶或固定化酶作为催 酶反应器 ：
化剂进行酶促反应所需的装置称为酶反应器，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。
作用： 作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应
物制备特定产物。
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 ) 结构+操作方式 结构 操作方式 连续搅拌罐反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批搅拌罐反应器 （Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
特点： 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。
5、鼓泡塔型反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构： 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形 式的气体分散装置。 操作： 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。 通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部 以切线方向进入。 应用： 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。
7、新发展的酶反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
（2）两相或多相反应器 ）
问题由来： 问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶转化时， 在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大 等缺点。 特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时 特点： 的底物浓度，而且还可减少底物或产物对酶的抑制作 用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。 操作： 操作：两相反应通常是将酶或固定化酶置于水相中， 而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应 进展： 进展：液膜反应器等。
酶反应器
生物与食品工程学院·食品酶学
第七章 酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以酶或固定化酶作为催 酶反应器 ：
化剂进行酶促反应所需的装置称为酶反应器，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。
作用： 作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应
物制备特定产物。
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 ) 结构+操作方式 结构 操作方式 连续搅拌罐反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批搅拌罐反应器 （Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
特点： 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。
5、鼓泡塔型反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构： 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形 式的气体分散装置。 操作： 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。 通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部 以切线方向进入。 应用： 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。
7、新发展的酶反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
（2）两相或多相反应器 ）
问题由来： 问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶转化时， 在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大 等缺点。 特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时 特点： 的底物浓度，而且还可减少底物或产物对酶的抑制作 用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。 操作： 操作：两相反应通常是将酶或固定化酶置于水相中， 而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应 进展： 进展：液膜反应器等。
酶的反应器
②对于有气体参与的酶催化反应，通常采用 鼓泡式反应器。鼓泡式反应器结构简单，操 作容易, 混合均匀，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。
③对于某些价格较高的酶，由于游离酶与反 应产物混在一起，为了使酶能够回收，可以 采用游离酶膜反应器。 ④对于某些耐高温的酶，如高温淀粉酶等， 可以采用喷射式反应器，进行连续式的高温 短时反应。喷射式反应器混合效果好，催化 效率高，只适用于耐高温的酶。
4进行物料衡算：
物料衡算是酶反应器设计的重要任务 主要内容包括： (1)酶反应动力学参数的确定： (2)计算底物用量： (3)计算反应液总体积： (4)计算酶用量： (5)计算反应器数目：
第三节酶反应器应用的注意事项
1、保持酶反应器的操作稳定性 2、保持反应器中流体的流动方式和状态 3、防止酶的变性失活 4、防止微生物的污染
产物与酶的接触状态（反馈抑制）
膜反应器操作能力（浓差极化现象）
3、防止酶的变性失活
影响因素主要有温度、pH、重金属离子以及 剪切力等。 –温度：通常低于60℃，耐高温酶除外 –pH：通常酶在pH4-9，耐酸碱的酶以外 –重金属离子：如Pb2+、Hg2+等引起酶不可 逆变性。 –剪切力：防止过高搅拌速度，控制流体 流速 添加保护剂 先加底物，再加酶
第一节 酶反应器的特点与类型
定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行
酶促反应的装置称为酶反应器(Enzyme
reactor)。
作用：以尽可能低的成本，按一定的速
度由规定的反应物制备特定的产物。
酶反应器特点：
不同于化学反应器：在低温、低压下发 挥作用，反应时的耗能和产能也比较少 ； 不同于发酵反应器：因为它不表现自催 化方式（即细胞的连续再生）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
床反应器。
• 固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎 片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。
• 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
葡聚糖凝胶、胶原蛋白薄膜片等。
• 近年来，球形微囊体也用于填充床。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 在填充床反应器内流体的流动型态接近于
平推流(又称活塞流)流型，所以填充床反应
BSTR和CSTR的共同特征：
• 结构简单、操作方便、适用面广 ( 可用于粘 性或不溶性底物的转化加工 ) ，在底物表现 出抑制作用时可获得较高的转化产率；
• 但是在产物表现出抑制作用时底物的转化 率就会降低。BSTR可用于溶液酶的催化反 应，它的操作也比CSTR简便。
平推流反应器（plug-flow reactor）
所以搅拌速度不能太高。
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特
性。
• 接近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 导地位，它适合于产物对酶活性具有抑制 作用的反应。
• PFR（平推流反应器）和CSTR相比，总效
率PFR优于CSTR，特别是当产物对反应有
抑制作用时，PFR的优越性更显突出。
• 若底物表现出对酶的活性有抑制作用时，
CSTR所受的影响要比PFR少一些。
• 酶反应器的催化反应速度，一般是CSTR型 随搅拌速度加快而增加， PFR 型随流速增 加而加快。 • PFR：平推流反应器
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 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 度的减小而影响固定化酶的操作稳定性， 其中以CSTR最为严重。
三、固定化酶（细胞）的反应器 及应用
Immobilized Enzyme （ Cell ） Reactor techniques and Its Applications
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 • 2. 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 • 4. 固定化酶反应器的操作
转化，低压降。但是它消耗动力大，不易
直接模仿放大。
• CSTR/UFR 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
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。
• RCR 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。
• 若考虑反应器的价格，CSTR最便宜，它结
• 溶解性或浊液性底物，对任何类型的反应
器都适用；
• 颗粒状和胶状底物，往往会堵塞填充床， 需 要 采 用 高 流 速 搅 拌 的 CSTR 、 FBR 和 RCR 以减少底物颗粒的集结、沉积和堵塞， 使底物保持悬浮状态。
• 对于高流速搅拌的CSTR，如果搅拌速度过
高又会使固定化酶从载体上被剪切下来，
固定化酶的形状
• 通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定
化酶均可采用 PBR ，而颗粒状、粉末状及
片状固定化酶均适用于CSTR。
• 膜状、纤维状固定化酶不适用于CSTR。
• 其中，膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应 器。
• 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
力降，而无法实现高流速，此时，可采用
• 为解决这一问题可以改进反应器的设计
• 如把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内。 • 这些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。
根据操作要求及反应器费用来选择
• 有些酶反应需要不断调整 pH，有的需供氧， 有的需补充反应物或补充酶。 • 所有这些操作，在CSTR中可无需中断而连 续进行； • 在其他反应器中则比较困难，需要由特殊 设计来解决。
流化床反应器(FBR)。
• FBR---流化床反应器
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
因素。
• 可溶性底物适用于各类反应器。
• 难溶底物或者呈胶体溶液底物，易堵塞柱
床，可选用FBR。
• 只要搅拌速度足够高，CSTR能维护颗粒状
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CSTR。
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
粒受到破坏。
• 此外，流体动力学变化较大，参数复杂， 故放大反应较为困难。
循环反应器(RCR)
• RCR 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
进行循环。其特点是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，
间歇式搅拌罐反应器(BSTR)
• 间歇式搅拌罐反应器也称为分批搅拌反应
器
• 这类反应器的结构简单，主要设有夹套或 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游离酶 (enzyme reactor)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，随即放料。
• PFR 最突出的优越性在于它有较高的转化
效率，尤其是当产物抑制酶反应时，其转
化效率明显优于BSTR和CSTR。
• PFR 的缺点是用小颗粒固定化酶时，可能
产生压密现象；如果底物是不溶性的或粘 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，
不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的
改良的CSTR
• 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
内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不 致损坏固定化酶。
填充床反应器(PBR)
• PBR（Packed bed reactor）这种反应器
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
CSTR/UF
• 此外这种反应器还可以使相对分子质量小 的产物和相对分子质量大的底物分开，使 底物彻底转化。
其他反应器
• 除上述反应器外，还有淤浆反应器、滴流
床反应器、气栓式流动反应器、转盘式反
应器、筛板反应器及不同类型反应器的结
合等。
• 1. 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 • 3. 固定化酶反应器的性能评价 • 4. 固定化酶反应器的操作
构简单，又具有良好的操作性，适应性强。
• 此外还应考虑固定化酶本身的费用以及在
各种反应器中的稳定性。
• 综上所述，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，
才能做出正确的决定。
3. 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
以下几个方面考虑：
• 固定化酶的形状 • 底物的物理性质 • 固定化酶的稳定性 • 酶反应动力学特性
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
更为完全，必要时流出的反应液可以部分
循环进入反应器。
FBR
• 流化床式反应器具有混合均匀，传质和传
热效果好，温度和pH的调节控制比较容易，
不易堵塞，对粘度较大的反应液也可进行
催化反应等特点。
FBR
• 然而，在这种反应器中，由于固定化酶不
可以达到较高的转化率。当反应底物是不
溶性物质时，不可以采用循环反应器。
RCR
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
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，
这种膜只允许产物和未曾反应的底物通过，
相对分子质量大的酶被截留，可以使酶反
复使用。
• 连续流动搅拌罐反应器在结构上与间歇式
反应器基本相同，只不过是连续进料、连
续出料。
• 由于它具有搅拌系统，反应器内的各组成
成分能得到充分混合，分布均一，并与流 出液的组成相一致。
• 其缺点是，由于搅拌浆产生的剪切力较大，
容易引起固定化酶的破坏。
• 近来有一种改良的连续流动搅拌罐反应器 （CSTR）。
体的反应更为重要。
PBR或PFR
packed bed reactor， PBR plug-flow reactor， PFR
• 在填充床式反应器使用过程中，底层的固
定化酶颗粒所受到的压力较大，容易引起
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，可以在反
应器中间用托板分隔。
• 填充床式反应器的优点是设备简单，操作
FBR
• FBR 可用于处理粘性强和含有固体颗粒的
底物，也可用于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
FBR。
流化床 反应器
FBR
• 在实际应用过程中，要注意控制好底物溶
液和反应液的流动速度。流动速度过低时，
难于保持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；
流动速度过高时，则催化反应不完全，甚
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。
流化床反应器(FBR)
• 在流化床反应器（ FBR ）内，底物溶液以
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。
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。在 FBR 中，由于混合
程度高，故传热、传质情况良好。
• 在这种情况下，一般不回收游离酶。当前 在食品和饮料工业中常用这种反应器。