生物反应器工程课件-3
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《生物反应器》PPT课件
第二章 生物反应器
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
《生物反应工程》课件
9. 结语
生物反应工程对于推动生物技术的发展和提升人类生活质量具有重要意义。通过不断学习和实践，我们可以不 断突破与改进。
6.效、更可持续的反应过程，并在结果分析和评估中加以 验证。
7. 生物反应器的应用
生物反应工程在各个领域都有广泛的应用。我们将探讨生物转化与合成以及 生物降解与治理的应用案例。
8. 生物反应工程的发展
了解生物反应工程的现状、趋势以及未来发展方向，对于我们在这个领域中 保持创新思维和持续学习至关重要。
3. 生物反应器设计
生物反应器是进行生物反应的关键设备。了解反应器的基本组成和设计参数 对于优化反应过程至关重要。
4. 生物反应器操作
对于生物反应器的操作和参数调节有着重要的影响。我们将讨论不同的操作模式和调节方法。
5. 生物反应器的监控
通过监控生物反应器的指标和测量参数，我们可以及时了解反应器状态并做 出必要的调整。
生物反应工程
通过创新的生物反应工程技术，我们可以利用生物体内的反应机制来解决各 种实际问题，为人类提供更好的生活。
1. 介绍
生物反应工程涉及使用生物体和生物体内的反应机制来开发和改善产品和过 程的工程学科。本章将介绍生物反应工程的概念和生物反应器的分类。
2. 生物反应动力学
生物反应动力学研究生物反应的速度和机理。我们将探索反应动力学方程和确定动力学参数的方法。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应器ppt课件
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37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
35
发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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36
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
10
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
《生物反应器》课件
《生物反应器》PPT课件
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
《生物反应器》课件
生物反应器的设计
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
生物反应工程-PPT课件
1.3生物反应工程
1.3.1 定义：研究生物反应动力学，反应器的 结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要 学科。 实质：生物反应过程中带有共性的工程技术问 题的学科。
如何从生物现象中抽象出共性的内容
从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境因 素、操作条件等） 以获得目的产物为目的：
生物反应工程与相关学科的关系
1.4生物反应工程的研究方法
数学模型法——用数学语言表达生物法反应过 程中各个变量之间的关系。 不能替代实验研究。 方法——机理模型或结构模型既过程机理出发推 倒的。 --------可外推使用半经验模型\ 经验模型 经验法
参考资料
国外 1975年日本学者合叶修一等《生物化学工程---反应动力学》 1979年日本学者山根恒夫《生物反应工程》 1985年德国学者许盖特（Schugerl）《生物反应工程》 1993年日本学者川濑义矩《生物反应工程基础》 1994（02）年丹麦学者Nielsen 等《生物反应工程原理》 国内 《生物反应工程原理》（ 1990 和 2019 天津科技大学贾士儒） 《生物工艺学》（1992华东理工大学俞俊棠等） 《生化工程》（1993江南大学伦世仪） 《生化反应动力学与反应器》（2019北京化工大学戚以政等） 《生物反应工程》（2019戚以政等） 《生物反应工程》 2019浙江大学岑沛林等） 《生物反应工程》（2019清华大学邢新会译）
A.
生物反应动力学
动力学——研究工业生产中生物反应速率问题；影响 生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结 果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学）
第三章生物反应器设计基础_PPT幻灯片
生成细胞的质X量 Yx/s 消耗基质的质 量 S
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YXSddX SrrX S ddX Sddtt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢 机能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
YC基 细质 胞消 生 基 细耗 产 质 胞量 量 含 含 YX碳 碳 SX SC C量 量
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YXSddX SrrX S ddX Sddtt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢 机能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
YC基 细质 胞消 生 基 细耗 产 质 胞量 量 含 含 YX碳 碳 SX SC C量 量
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
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3. 固定化酶反应过程动力学
酶固定化原因： 游离酶不易回收，易污染产物溶液； 固定化有益酶热稳定性； 为使用固定床和流化床反应器提供条
固定床 开始流态化 均匀流态化 颗粒飞出
(a)上行流动方式
(b)下行流动方式
分布板 流体 低流速 流体 流体 流体 高流速
图31-17 固定床反应器流动方式
图31-18 固定床到流化床的过渡过程
不同速率表示法及其参数的意义： 固定化作用 空间效应 游离酶 分配效应 本征动力学和参数 扩散作用
固有（本征）速率和参数 rmax c S 0 rp = K m + cS 0 r c ηT × max S 0 有效速率和参数 K m + cS 0 表观速率和动力学参数 rmax c S 0 K m + cS 0
注意：CSi表示颗粒表面底物浓度 在稳定态：
k L a (c S 0 − c Si ) = rmax c Si K m + c Si
方程求解的无因次化——减少变量： c S = c Si c S 0
K = K m cS 0
rmax Damköhler Da = k L ac S 0 丹克莱尔准数：
cS 1 − c S = Da K + cS 解得
应用实例与前景： 固定化青霉素酰化酶生产6－氨基青霉烷酸； 分子酶工程的相关过程工业化 3.1 固定化酶反应动力学特征 Rp(固定化酶本征动力学，传质与扩散速率） 3.1.1 固定化方法 3.1.2 固定化对动力学特性的影响 （1）活性的下降（表观米氏常数增加）； （2）热稳定性的增加
3.1.3 影响固定化酶反应动力学的因素 （1）空间效应 来源：酶分子的构象改变 （2）分配效应 基本概念：微环境、大环境（主体溶液） 分配效应结果：动力学常数相对游离酶而变 c Sg 分配系数 K = c Si （3）扩散效应
cS0
cS0
（2）Da准数的物理意义
Da =
rmax 最大反应速率特征值 = k L ac S 0 最大传质速率特征值 Da = Da (C S 0 , rmax , k L a )
Da = Da (反应条件 , 传质效率 )
Da << 1 Da >> 1
反应控制； 外扩散传质控制
（3）Da ⇔ η E ?
传质—反应过程步骤
颗粒表面CSi 主体溶液 CS0 反应中心
固定化酶
CS0 CP0
产物浓度 底物浓度 距中心距离
固定化酶颗粒的传质反应过程和浓度分布
研究方法：表观动力学法、有效因子法 表观动力学法：不分离传质过程与反应过程 ′ 多用于反应器设计 rmax c S 0 RP = ′ K m + cS 0 有效因子法：分离传质过程与反应过程 传质扩散的影响表现于有效因子上 多用于过程分析 rmax c S 0 RP = η T × K m + cS 0
ηE ＝ 有外扩散影响时的实际反应速率 无外扩散影响时的反应速率 RSi ＝ rS0
c S (1 + K ) ηE = cS + K
rmax c S 0 RSi = η E rS 0 = η E K m + cS 0
结论：等效描述扩散的影响
⎤ c S = ⎢ ± 1 + 2 1⎥ α 2⎣ ⎦ 4K
α⎡
α = Da + K − 1
∴ C Si = C S 0 × C S
∴ RP = k L a (c
S0
− c Si
)=
rmax c Si K m + c Si
得解。
上述计算结论： （1）总反应速率取决于颗粒表面底物浓度CSi （2）颗粒表面底物浓度CSi取决于主体溶液 的底物浓度CS0、反应条件、传质效率 （3）颗粒表面底物浓度Csi的大小反映反应过程 和传质过程的相对影响 讨论： （1）传质过程与反应过程的关系 反应速率控制、外扩散速率控制 ——由主体溶液的底物浓度CS0决定
3.2 外扩散的限制效应 基本点：排除内扩散影响，反应在颗粒表面进行 外扩散—反应步骤：
颗粒表面 底物浓度 CS0 CSi CSi 传质通量RSd 边界层 (a)实际情况 (b)理想化边界层 颗粒表面 底物浓度 CS0
主体溶液与固定化酶间的传质
3.2.1 外扩散对反应速率的限制效应 传质扩散速率 颗粒表面反应速率 RSd = k L a (c S 0 − c Si ) rmax c Si RSi = K m + c Si
酶固定化原因： 游离酶不易回收，易污染产物溶液； 固定化有益酶热稳定性； 为使用固定床和流化床反应器提供条
固定床 开始流态化 均匀流态化 颗粒飞出
(a)上行流动方式
(b)下行流动方式
分布板 流体 低流速 流体 流体 流体 高流速
图31-17 固定床反应器流动方式
图31-18 固定床到流化床的过渡过程
不同速率表示法及其参数的意义： 固定化作用 空间效应 游离酶 分配效应 本征动力学和参数 扩散作用
固有（本征）速率和参数 rmax c S 0 rp = K m + cS 0 r c ηT × max S 0 有效速率和参数 K m + cS 0 表观速率和动力学参数 rmax c S 0 K m + cS 0
注意：CSi表示颗粒表面底物浓度 在稳定态：
k L a (c S 0 − c Si ) = rmax c Si K m + c Si
方程求解的无因次化——减少变量： c S = c Si c S 0
K = K m cS 0
rmax Damköhler Da = k L ac S 0 丹克莱尔准数：
cS 1 − c S = Da K + cS 解得
应用实例与前景： 固定化青霉素酰化酶生产6－氨基青霉烷酸； 分子酶工程的相关过程工业化 3.1 固定化酶反应动力学特征 Rp(固定化酶本征动力学，传质与扩散速率） 3.1.1 固定化方法 3.1.2 固定化对动力学特性的影响 （1）活性的下降（表观米氏常数增加）； （2）热稳定性的增加
3.1.3 影响固定化酶反应动力学的因素 （1）空间效应 来源：酶分子的构象改变 （2）分配效应 基本概念：微环境、大环境（主体溶液） 分配效应结果：动力学常数相对游离酶而变 c Sg 分配系数 K = c Si （3）扩散效应
cS0
cS0
（2）Da准数的物理意义
Da =
rmax 最大反应速率特征值 = k L ac S 0 最大传质速率特征值 Da = Da (C S 0 , rmax , k L a )
Da = Da (反应条件 , 传质效率 )
Da << 1 Da >> 1
反应控制； 外扩散传质控制
（3）Da ⇔ η E ?
传质—反应过程步骤
颗粒表面CSi 主体溶液 CS0 反应中心
固定化酶
CS0 CP0
产物浓度 底物浓度 距中心距离
固定化酶颗粒的传质反应过程和浓度分布
研究方法：表观动力学法、有效因子法 表观动力学法：不分离传质过程与反应过程 ′ 多用于反应器设计 rmax c S 0 RP = ′ K m + cS 0 有效因子法：分离传质过程与反应过程 传质扩散的影响表现于有效因子上 多用于过程分析 rmax c S 0 RP = η T × K m + cS 0
ηE ＝ 有外扩散影响时的实际反应速率 无外扩散影响时的反应速率 RSi ＝ rS0
c S (1 + K ) ηE = cS + K
rmax c S 0 RSi = η E rS 0 = η E K m + cS 0
结论：等效描述扩散的影响
⎤ c S = ⎢ ± 1 + 2 1⎥ α 2⎣ ⎦ 4K
α⎡
α = Da + K − 1
∴ C Si = C S 0 × C S
∴ RP = k L a (c
S0
− c Si
)=
rmax c Si K m + c Si
得解。
上述计算结论： （1）总反应速率取决于颗粒表面底物浓度CSi （2）颗粒表面底物浓度CSi取决于主体溶液 的底物浓度CS0、反应条件、传质效率 （3）颗粒表面底物浓度Csi的大小反映反应过程 和传质过程的相对影响 讨论： （1）传质过程与反应过程的关系 反应速率控制、外扩散速率控制 ——由主体溶液的底物浓度CS0决定
3.2 外扩散的限制效应 基本点：排除内扩散影响，反应在颗粒表面进行 外扩散—反应步骤：
颗粒表面 底物浓度 CS0 CSi CSi 传质通量RSd 边界层 (a)实际情况 (b)理想化边界层 颗粒表面 底物浓度 CS0
主体溶液与固定化酶间的传质
3.2.1 外扩散对反应速率的限制效应 传质扩散速率 颗粒表面反应速率 RSd = k L a (c S 0 − c Si ) rmax c Si RSi = K m + c Si