第七章 酶反应器
教学目的：使学生了解酶反应器的概念、分类，了解常见酶反应器的构造、操作及酶反应器的设计准则。 教学重点、难点：：酶反应器概念，酶反应器分类、操作和设计准则 教学方法：讲授 教学手段：多媒体
第一节 酶反应器的类型
一 酶反应器概念
利用酶作为催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器（包括酶反应容器及附加设备混合、取样和检测设备等）
酶反应器具有中心作用,它是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。生物反
应器的设计和操作，在生物工程中是一重要问题，它对产品的成本和质量有着很大影响。
二 常见酶反应器
1 间歇式搅拌罐式反应器
2 连续式搅拌罐式反应器（CSTR）
适用于受底物抑制的反应，传质阻力低，能处理胶体状及不溶性底物，固定化酶易更换；但反应效率低，载体易被浆叶的剪切力破坏，动力消耗大。常在出口装滤器及用尼龙网袋罩住酶安装在搅拌轴上，或把酶固定在容器壁上进行反应。 3 多级连续搅拌罐式酶反应器
4多级串联连半续搅拌罐式酶反应器
5 填充床式及带循环的填充床式酶反应器
单位体积催化剂负荷量多，效率高，可使用高浓度催化剂，产物浓度沿反应器长度逐渐增高，与CSTR相比，可减少产物抑制作用；缺点是温度和pH难以控制，清洗和固定化酶的更换麻烦，且床有自压缩性，易堵塞，须加压操作。 第一节 酶反应器的类型 6 列管式填充床式反应器 7 流化床式反应器（FBR）
底物向上流动，固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应
传质性能好，pH、温度的控制及气体的供给较容易，不易堵塞，可处理黏度高及粉末状的底物；但运转成本高，难于放大，粒子易破损，空隙体积大，酶浓度低易冲出，转化效率低。
8 环流式反应器 9 膜反应器
膜反应器是近年生物反应器研究中的一个重要领域，因为一方面可使酶重复使用以使
反应体系维持较高的酶浓度，另一方面又可把产物不断地从反应器体系中分离出去以减少产物对反应的抑制作用，从而提高反应器的生产能力。 其它：平板型转盘型 、空心酶管和中空纤维膜反应器等 10 鼓泡塔式反应器
是借鼓入空气而提供混合与传质,又称空气搅拌高位反应器。其高径比较大，一般在6:1-10:1之间,空气进入反应器后有较长的停留时间。多孔筛板的作用在于阻截气泡,使之在多孔板下
聚集而形成气层,气体通过多孔板时,又被重新分散为小气泡,这样空气在反应器内经多次聚并与分散，一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断形成新的气液界面减小了液膜阻力，提高了氧的利用率. 11、喷射式反应器
结构简单、体积小、混合均匀，温度高、催化反应速度快、效率高 适用于游离的耐高温酶
第二节 酶反应器的选型、设计与操作
一、选型
（一）、选型考虑原则 1、酶的应用形式
2、酶的反应动力学性质 3、底物和产物的理化性质 4、结构、操作和适用范围 5、成本
（二）、根据具酶的应用形式选择反应器
1、游离酶：搅拌罐式反应器，鼓泡式（有气体参与的酶），酶膜反应器（昂贵的酶），喷射式反应器（耐高温酶）
2、固定化酶：颗粒状酶选择搅拌罐式、填充床式、流化床式（注意颗粒大小和密度）、鼓泡式（气体参与）
（三）、根据酶反应动力学性质选择反应器 1、考虑酶与底物的混合程度 搅拌罐式、流化床式 2、底物浓度
适当采用较高的浓度，但注意高浓度底物抑制作用，可采用分批流加方式；游离酶可采用酶膜反应器，固定化酶可采用连续搅拌罐式、填充床式、流化床式、膜反应器。 3、产物抑制 填充床式 4、耐高温酶 喷射式
（四）、根据底物和产物的理化性质选择反应器 分子量大小，溶解度和粘度大小，相态 辅酶需要与否及分子量大小 二、设计
酶反应器设计的主要目标是使产品的质量高，成本低，操作状态最佳化 （一）、选型
（二）、材料选择
无特殊要求，一般的不锈钢材料 （三）、热量衡算
第二节 酶反应器的选型、设计与操作 （四）物料衡算
1、酶反应动力学参数的确定
底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度等（试验确定） 2、底物用量计算
（1）产品转化率（YP/S）
产品转化率YP/S指每克底物中有多少克转化为产物 YP/S =P / S （2）产物收率（R）
R=分离得到的产物量 / 反应生成的产物量 （3）产物产量
P（Kg/年）= Pd（ Kg /d）×300
=Ph（ Kg /h） ×300 ×24 （4）底物用量计算 3、反应液总体积计算
注意：对于分批反应，以Vd表示，对于连续反应器，以Vh表示 4、酶用量计算 5、反应器数目计算
根据上述计算的总体积，一般不采用一个足够大的反应器，而是采用两个以上相同的反应器进行操作 （1）分批反应器 （2）连续式反应器
根据生产强度计算连续反应器的数目 三、酶反应器的操作
1、酶反应器中流动状态的控制
防止流动方式偏离预期流动状态而使酶与底物接触不良，造成生产能力下降及产物的进一步分解和副反应的发生
搅拌型反应器，注意搅拌速度，防止搅拌不均匀或速度过高对固定化酶的损伤
填充床反应器，柱高与流速是决定柱内压力降的主要因素，对于可压缩性载体，要注意装柱均匀和流速的控制。 壅塞现象
固体或胶体物质的沉积会引起壅塞现象，妨碍底物与酶的接触。外壅塞使酶颗粒之间空隙填塞，最后可导致在高压下液体也不能通过柱；内壅塞是单个酶颗粒的孔内形成膜层，流体虽能通过但影向底物与酶反应，特别是进、出口的壅塞。 2、恒定生产能力的控制
根据一定时间内形成产物的两控制流速
酶活的丧失可在一定范围内采取增加温度补偿，须获得随时间变化的工作温度的变化率，复杂的温度变化可采用微处理机系统控制
使用不同时间和处于不同阶段的柱反应器串联或并联并结合上述方法加以控制 3、稳定性控制
时刻注意温度、pH、氧化、离子强度及剪切力对酶活及反应器的影响 注意抑制剂及壅塞产生的微生物对酶活的影响 注意酶和载体的溶解。 4、微生物污染的影响
底物预过滤或加入杀菌剂、抑菌剂 消毒
条件是尽量不影响酶活和酶的稳定性
第七章 习题
1、酶反应器、BSTR、CSTR 2、列举出8-10种酶反应器。 3、怎样选择酶反应器的类型？
4、酶反应器的操作应注意哪些事项？ 5、物料衡算
