酶反应器介绍(20201015203434)
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酶反应器
F
酶反应器应用现状及展望
酶因其反应的专一性，高效性和温和性的特点，已和生物工程， 信息科学和材料科学构成了当今的三大前沿科学。而作为生物工程的 重要组成部分，将在未来的发展中，在世界科技和经济发展中起着主
导和支柱作用。
今后，酶反应器材料的研究与发展必然会成为一个热点，意为人 类创造出高效率、低成本的产品。
D
酶反应器的分类
1.按结构分类 2.按操作方式分类 分批式反应 连续式反应
3.混合形式 连续搅拌罐式反应器
搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器 膜反应器
分批搅拌罐式反应器 流加分批式反应
E
酶反应器应用举例
酶反应器在污染处理中的作用：
可利用过氧化物酶和聚酚氧化酶处理含酚废水和造纸废水，如辣根过氧化物酶，木质 素过氧化物酶，植物来源的过氧化物酶； 酪氨酸酶，漆酶等；可利用氰化物酶和氰化物水合酶处理含氰废水； 利用蛋白酶，淀粉酶处理食品加工废水；并且，可以通过设计复合代谢途径，拓宽氧 化酶的专一性等基因工程的运用，提高微生物的降解速率;拓宽底物的专一性;维持低浓 度下的代谢活性;改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性等。 酶在废物处理及资源化过程中正在发挥重要作用, 利用基因工程和蛋白质工程扩展酶的 代谢途经, 是治理难降解有毒污染物的重要方法。
B
酶反应器原理及作用
1、原Байду номын сангаас：
substrates bind to enzyme
酶促反应
active site is available for a molecule of substrate,the reactant on which the enzyme acts ④products release
酶工程第八章 酶反应器讲解
分批式, 流加分批式 连续式,
适用的酶
游离酶 固定化酶
填充床式反应器 连续式
固定化酶
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
特点 反应比较完全，反应 条件容易调节控制。
密度大遍使用。
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。
组， 或使用锥形流态化床。
四、鼓泡式反应器 Bubble column reactor BCR
生物反应有涉及到气体的吸收或产生，最好采用 此类型反应器，或三相流化床反应器。一些无载 体固定化新鲜菌体反应器也可采用此(图)。
鼓泡塔型反应器
五、膜反应器 Membrane reactor MR
将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器, 可用于游离酶和固定化酶的催化反应;
酶反应器的选择
一、根据酶的应用形式选择反应器 二、根据酶反应动力学性质选择反应器 三、根据底物或产物的理化性质选择反应器
第二节 酶反应器的选择
选择酶反应器要点:
酶的应用形式； 酶的反应动力学性质； 底物产物理化特性； 尽可能结构简单易操作，易维护； 适合多种酶催化，成本低；
例
酶的形状、大小
固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球)、膜 状(膜、薄膜片状、管状)和纤维状3种，反 应器的形状大致可根据酶的形状来确定。
缺陷
长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。
六、喷射式反应器
利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合， 进行高温反应的一种反应器。
结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高 温淀粉酶的淀粉液化。
高压蒸汽
反应液 至维持罐
适用的酶
游离酶 固定化酶
填充床式反应器 连续式
固定化酶
流化床反应器
分批式 流加分批式 连续式
固定化酶
特点 反应比较完全，反应 条件容易调节控制。
密度大遍使用。
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。
组， 或使用锥形流态化床。
四、鼓泡式反应器 Bubble column reactor BCR
生物反应有涉及到气体的吸收或产生，最好采用 此类型反应器，或三相流化床反应器。一些无载 体固定化新鲜菌体反应器也可采用此(图)。
鼓泡塔型反应器
五、膜反应器 Membrane reactor MR
将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器, 可用于游离酶和固定化酶的催化反应;
酶反应器的选择
一、根据酶的应用形式选择反应器 二、根据酶反应动力学性质选择反应器 三、根据底物或产物的理化性质选择反应器
第二节 酶反应器的选择
选择酶反应器要点:
酶的应用形式； 酶的反应动力学性质； 底物产物理化特性； 尽可能结构简单易操作，易维护； 适合多种酶催化，成本低；
例
酶的形状、大小
固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球)、膜 状(膜、薄膜片状、管状)和纤维状3种，反 应器的形状大致可根据酶的形状来确定。
缺陷
长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。
六、喷射式反应器
利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合， 进行高温反应的一种反应器。
结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高 温淀粉酶的淀粉液化。
高压蒸汽
反应液 至维持罐
第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用
适用的酶：游离酶、固定化酶
2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶
2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式
3.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。
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：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：①温度和pH难以控制； ②底物和产物会产生轴向浓度分布； ③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。
（四）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器
2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型
为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个 装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。
能处理粉末状底物； 即使应用细颗来自的催化剂，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。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。
第七章酶反应器酶反应器的特 点与类型酶反应器的选择和使
用
第一节 酶反应器的特点与类型
2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶
2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式
3.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。
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：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：①温度和pH难以控制； ②底物和产物会产生轴向浓度分布； ③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。
（四）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器
2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型
为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个 装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。
能处理粉末状底物； 即使应用细颗来自的催化剂，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。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。
第七章酶反应器酶反应器的特 点与类型酶反应器的选择和使
用
第一节 酶反应器的特点与类型
酶反应器
为降低产物的抑制引起的不良反应，一般可采用多个 PBR串联操作，或将PBR分成几个不同的区域，在不 同进口处加入底物溶液
4. 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR)
底物溶液以足够大的流速从反应器的底部向上通过固定化酶柱床， 使固定化酶颗粒始终处于流化状态
Fluidized bed reactors are intermediate in behaviour between PBRs and CSTRs. The immobilized enzyme bed is fluidized by upward motion of the substrate stream
缺点：不适合于大分子底物,膜的成本较高
• 20世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）
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 （ biological
reactor）. • 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。
向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡后，再以
恒定流速连续流入底物溶液，同时以相同流速输出反应液（含产物）
The continuous flow stirred tank reactor (CSTR) is essentially a stirred tank with a continuous feed of substrate and an outflow of product:
products
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）。
第六章酶反应器
精品文档
酶膜反应器的应用(yìngyòng)及研究 新进展
6.1 （1）生物大分子的分解
酶反
应器 的类
主要集中在淀粉(diànfěn)、纤维素、蛋白质的
型及 特点
水解。
利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小
的水解产物相分离，可消除产物抑制作用。
水解果胶以降低果汁的黏度；
降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐 症）。
➢离子交换：溶液中阳离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交换过 程。
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1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
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2、填充(tiánchōng)床式反应器
Packed Bed Reactor, PBR，又称固定床反应器，
6.1
酶反 是固定化酶常用(chánɡ yònɡ)的一种反应器。
型 (lèix
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
íng) 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫
及特
点 化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶
的失活损失。
❖发展与改进：在反应器出口装上滤器, 或制成磁 性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐 内，作为搅拌桨叶或挡板。
精品文档
❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
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传统酶反应器 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 填充(tiánchōng)床式反应器(packed bed
reactor, PBR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor,
FBR) 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 喷射式反应器（projection reactor, PR） 新型酶反应器 酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)
酶膜反应器的应用(yìngyòng)及研究 新进展
6.1 （1）生物大分子的分解
酶反
应器 的类
主要集中在淀粉(diànfěn)、纤维素、蛋白质的
型及 特点
水解。
利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小
的水解产物相分离，可消除产物抑制作用。
水解果胶以降低果汁的黏度；
降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐 症）。
➢离子交换：溶液中阳离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交换过 程。
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1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
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2、填充(tiánchōng)床式反应器
Packed Bed Reactor, PBR，又称固定床反应器，
6.1
酶反 是固定化酶常用(chánɡ yònɡ)的一种反应器。
型 (lèix
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
íng) 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫
及特
点 化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶
的失活损失。
❖发展与改进：在反应器出口装上滤器, 或制成磁 性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐 内，作为搅拌桨叶或挡板。
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❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
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传统酶反应器 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 填充(tiánchōng)床式反应器(packed bed
reactor, PBR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor,
FBR) 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 喷射式反应器（projection reactor, PR） 新型酶反应器 酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)
酶反应器的认知与操作—酶反应器概述
（（2）底物的物理性态 反应器的底物存在的物态, 不外乎三种；溶 液态、不溶的悬浊液态或乳浊液态、胶体态； 在物性上主要是考虑粘稠度不同, 会影响反 成器的效率。可溶性底物, 显然可以选择任 何类型的反应器；底物颗粒较粗的悬浊性底 物, 或是胶态站稠的底物, 因为底物液容易 使床层堵塞, 则不适于选用填充床反应器, 一般选用CSTR, FBR或是循环流反应器 (RCR)为宜、
表9.3-1工业上常用的三类酶反应器选择因素比较
酶反应器的特点
（1）酶反应器的特点
酶反应器是酶（生物催化剂）催化反应装 置, 酶不仅有高效专一的特性, 还有反应 条件温和、容易受各种不利因素影响造成 催化活性下降等特性, 这是在酶反应器设 计和操作时都必须重视的。具体地说, 酶 反应器与一般化学反应器相比, 有以下特 点；
（1）酶反应器对材质的要求一般不高 酶反应器一船都在常压或保持适当的正压 下运转，不需要特别耐压的构件；在接近 中性或pH大于4.小于10的条件下操作，不 需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的温 度（很少超过90℃）下反应、不需要特别 耐高温的材料。
（3）酶促反应动力学 从酶促反应速度来看, 一般的说, 搅拌型 反 应器的反应速度随搅拌速度加快而增大； 流 加型反应器的反应速度, 随流速加大而增 大 。从三种典型反应器的操作方程比较可知, 当 [S]》Km时, 三者趋同；割[S]《Km, 时, 为 了达到相同的转化率, 若选用CSTR就必 须增加用酶量, 或是在用酶量相同的条件下, 就要加大反应器的体积,
整个反应结束后一次收取产物。
（2）按反应器几何构型和结构特征 罐式反应器: 主要特征是，外形为圆柱体， 高度和直径之比（简称高径比，常用 H／D 表示）大约在l～3。 管式反应器: 与罐式相比，相对细长，长和 直径比（L／D）大于30。 塔式反应器: 外形不限于圆柱形，竖立高和 直径之比大于10。 膜式反应器: 主要特点是，反应器内部 有 各种不同类型的薄板或滤膜构成的膜件。
酶反应器的名词解释
酶反应器的名词解释酶反应器是一种用于进行酶催化反应的装置或设备。
酶作为天然催化剂，在生物体内具有广泛的应用，而酶反应器则是将这种生物催化技术应用到工业生产中的必要工具。
其主要目的是提高酶的活性和稳定性，从而提高酶反应的效率和产量。
一、酶反应器的基本原理酶反应器的基本原理是在一定温度下，将酶与反应底物接触，在特定的pH范围内，通过调节反应环境中的条件来促进酶催化反应的进行。
酶反应器由反应室、酶悬浮液、底物和辅助设备等组成，根据反应室和悬浮液的不同类型，可以分为批处理酶反应器、连续流动酶反应器和固定床酶反应器。
二、批处理酶反应器批处理酶反应器是最基本的反应器类型，适用于小规模实验研究和生产过程中的初步阶段。
其工作原理是将酶悬浮液与底物混合在一定比例下，通过控制温度和pH等条件，进行反应一段时间后停止。
该反应器的优点是操作简单，适用于灵活性较高的反应，但由于无法实现连续操作，所以产量较低。
三、连续流动酶反应器连续流动酶反应器是一种较为高效的酶反应器。
相比于批处理酶反应器，连续流动酶反应器可以对底物进行连续不断的供应，从而提高反应效率和产量。
它通常由反应器、供应系统以及分离和收集装置组成。
通过不断补给新鲜底物和移除反应产物，使反应始终处于稳定状态。
这种反应器适用于大规模生产和连续操作的需求，但由于其复杂性较高，需要更为精确的控制和操作。
四、固定床酶反应器固定床酶反应器是将酶固定在反应器内的载体上，通过将底物通过固定床进行处理，实现酶催化反应的进行。
该反应器可以减少酶的损失和底物的浪费，并且酶的稳定性较高。
固定床酶反应器适用于长时间运行和长期使用的需求，但由于反应速率较低，需要更长的反应时间。
总结：酶反应器是一种将酶催化反应应用于工业生产的设备或装置。
它通过控制温度、pH和底物供应等条件，实现酶的活性和稳定性的提高，从而提高酶反应的效率和产量。
根据反应方式的不同，酶反应器可以分为批处理酶反应器、连续流动酶反应器和固定床酶反应器。