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1、关于酶反应器(2)现在学习的是第1页，共75页酶反应器酶反应器酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。和催化反应的速度。定义定义:以酶为催化剂进行反应所需的设备称为以酶为催化剂进行反应所需的设备称为酶反应器酶反应器。现在学习的是第2页，共75页作用作用:酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件合适的场所和最佳的反应条件，以便在，以便在酶的
2、催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。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。于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。以以尽可能低的成本，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。产物。现在学习的是第3页，共75页理想的酶反应器的要求理想的酶反应器的要求l生物反应器设计的主要目标：生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低使产品的质量最高，生产成本最低。l评价生物反应器的主要标准：评价生物反应器的主要标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低反应器生产
3、能力的大小和产品质量的高低。(4)(4)应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。到较大的产品转化率。(2)(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。(3)(3)应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素
4、。质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。现在学习的是第4页，共75页现在学习的是第5页，共75页第一节第一节 酶反应器的类型酶反应器的类型现在学习的是第6页，共75页一、搅拌罐式反应器一、搅拌罐式反应器是传统形式的反应器，由容器、是传统形式的反应器，由容器、搅拌器及保温装置组成，有的搅拌器及保温装置组成，有的有挡板。有挡板。l特点及应用特点及应用结构简单，不需特殊设备，适结构简单，不需特殊设备，适于小规模生产，发酵食品业中于小规模生产，发酵食品业中常见。常见。现在学习的是第7页，共75页1 1、分批搅拌罐式反应器、分批搅拌罐式反应器l特点特点：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性：
5、底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。或超滤法回收，再转入下一批反应。l优点优点：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。能很迅速达到稳态。l缺点缺点：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性。失去活性。现在学习的是第8页，共75页2 2、连续搅拌罐式反应器、连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器(Continuous Stirred Tank React
6、or,CSTR）底物底物产产物物 向反应器投入固定化酶和底物溶向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产同时，以相同流速输出反应液（含产物）。物）。优点是：在理想状况下，混合良好，各优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。部分组成相同，并与输出成分一致。缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎、缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎、磨损固定化酶颗粒。磨损固定化酶颗粒。现在学习的是第9页，共75页二、填充床式反应器二、填充床式反应器packe
7、d column reactor PCR把颗粒状或片状等固定把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床化酶填充于固定床(也也称填充床，可直立或平称填充床，可直立或平放放)内，底物按一定方内，底物按一定方向以恒定速度通过反应向以恒定速度通过反应床。床。是一种单位体积催化剂是一种单位体积催化剂负荷量多，效率高的反负荷量多，效率高的反应。当前工业多采用它。应。当前工业多采用它。现在学习的是第10页，共75页优点优点l可使用高浓度的催化剂，产物和抑制剂从反应器可使用高浓度的催化剂，产物和抑制剂从反应器中不断流出，可减少产物抑制。中不断流出，可减少产物抑制。缺点缺点(1)T(1)T与与pHpH难控制；难控制；
8、(2)(2)底物、产物会轴向分布；底物、产物会轴向分布；(3)(3)清洗更换部分固定化酶较困难；清洗更换部分固定化酶较困难；(4)(4)床内有自压缩倾向，易堵塞；且床内压降床内有自压缩倾向，易堵塞；且床内压降 大，大，底物须在加压下加入。底物须在加压下加入。现在学习的是第11页，共75页三、流化床反应器三、流化床反应器Fluidized Bed Reactor,FBR是一种装有较小颗粒的垂直是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器，形状可为柱形塔式反应器，形状可为柱形或锥形。底物以一定的速度或锥形。底物以一定的速度由下向上流过，使固定化酶由下向上流过，使固定化酶在浮动的状态下反应，液体在浮动的状态下
9、反应，液体的混合程度介于的混合程度介于CSTRCSTR和和PFRPFR之间。之间。现在学习的是第12页，共75页优点优点(1(1）具良好的传质及传热性能，）具良好的传质及传热性能，pHpH、T T控制及气体供给较容易控制及气体供给较容易(2(2）不易堵塞，适于处理粘度高的液体）不易堵塞，适于处理粘度高的液体(3(3）能处理粉末状底物）能处理粉末状底物(4(4）即使应用细粒子的催化剂，压力降也不会很高）即使应用细粒子的催化剂，压力降也不会很高缺点缺点(1(1）需保持一定的流速，动转成本高，难以放大）需保持一定的流速，动转成本高，难以放大 (2(2）颗粒酶易机械破损）颗粒酶易机械破损(3(3）酶浓
10、度不高）酶浓度不高(4(4）酶被冲出，降低了转化率）酶被冲出，降低了转化率解决办法解决办法(1)(1)底物循环底物循环(2)(2)使用几个流态化床组成的反应器使用几个流态化床组成的反应器 组，组，或使用锥形流态化床。或使用锥形流态化床。现在学习的是第13页，共75页四、鼓泡式反应器四、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定化新鲜菌体反应器也可采用此(图图)。鼓泡塔型反
11、应器鼓泡塔型反应器鼓泡塔型反应器鼓泡塔型反应器现在学习的是第14页，共75页五、膜反应器五、膜反应器Membrane reactor MRl将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器将酶催化反应与半透膜分离用用组合在一起的反应器,可用于可用于游离酶和固定化酶的催化反应游离酶和固定化酶的催化反应;l根据酶分子和产物的分子量大小根据酶分子和产物的分子量大小,选择适当孔径超滤膜选择适当孔径超滤膜,分离膜分离膜可根据需要制成平面膜、直管膜、螺旋膜、中空纤维膜；可根据需要制成平面膜、直管膜、螺旋膜、中空纤维膜；l采用膜反应器进行游离酶催化集反应分离于一体，一则采用膜反应器进行游离酶催化集反应分离于一
12、体，一则回收循环使用，二则产物连续排出降低产物抑制回收循环使用，二则产物连续排出降低产物抑制现在学习的是第15页，共75页膜的介绍膜的介绍膜有超滤膜、透析膜膜有超滤膜、透析膜膜形状有平板状、管状、螺旋状、中空纤维状膜形状有平板状、管状、螺旋状、中空纤维状膜反应器的应用膜反应器的应用可作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有抑制作用时。可作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有抑制作用时。缺陷缺陷长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。长期操作稳定性差，酶易在膜上吸附损失或浓缩极化。现在学习的是第16页，共75页六、喷射式反应器六、喷射式反应器l利用高压蒸汽喷射作用，实现酶与底物混合，进
13、行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。高温反应的一种反应器。l结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高温淀粉结构简单，催化速度快，适于耐高温酶。如高温淀粉酶的淀粉液化。酶的淀粉液化。高压蒸汽高压蒸汽底物溶液底物溶液反应液反应液至维持罐至维持罐现在学习的是第17页，共75页总结总结:各种酶反应器的特点各种酶反应器的特点反反应应器器类类型型适用的操作方式适用的操作方式适用的适用的酶酶特点特点搅搅拌罐式反拌罐式反应应器器分批式分批式,流加分批式流加分批式连续连续式式,游离游离酶酶固定化固定化酶酶反反应应比比较较完全，反完全，反应应条件容易条件容易调节调节控制。控制。填充
14、床式反填充床式反应应器器连续连续式式固定化固定化酶酶密度大，可以提高密度大，可以提高酶酶催化反催化反应应的速度。在的速度。在工工业业生生产产中普遍使用。中普遍使用。流化床反流化床反应应器器分批式分批式流加分批式流加分批式连续连续式式固定化固定化酶酶流化床反流化床反应应器具有混器具有混合均匀，合均匀，传质传质和和传热传热效果好，温度和效果好，温度和pHpH值值的的调节调节控制比控制比较较容易，容易，不易堵塞，不易堵塞，对对粘度粘度较较大反大反应应液也可液也可进进行催行催化反化反应应。现在学习的是第18页，共75页第二节第二节 酶反应器的选择酶反应器的选择现在学习的是第19页，共75页选择酶反应器
15、要点选择酶反应器要点:l酶的应用形式；酶的应用形式；l酶的反应动力学性质；酶的反应动力学性质；l底物产物理化特性；底物产物理化特性；l尽可能结构简单易操作，易维护；尽可能结构简单易操作，易维护；l适合多种酶催化，成本低；适合多种酶催化，成本低；现在学习的是第20页，共75页酶的形状、大小酶的形状、大小固定化酶形状主要有粒状固定化酶形状主要有粒状(颗粒、小球颗粒、小球)、膜状、膜状(膜、薄膜片状、管状膜、薄膜片状、管状)和纤维状和纤维状3 3种，反应器的形种，反应器的形状大致可根据酶的形状来确定。状大致可根据酶的形状来确定。例例粒状粒状:膜状膜状:适用于搅拌罐、固定床、流化床、鼓泡适用于搅拌罐、
16、固定床、流化床、鼓泡塔塔易变形、易凝集或颗粒细小的粒状易变形、易凝集或颗粒细小的粒状酶用流化床，但要增大动力酶用流化床，但要增大动力。转盘式、平板式、空心管等膜反应转盘式、平板式、空心管等膜反应器器。注意点：注意点：现在学习的是第21页，共75页机械强度机械强度:(1)(1)凝胶包埋法和微胶囊法制备的酶凝胶包埋法和微胶囊法制备的酶,其机械强度比用其机械强度比用纯粹固体作为载体的固定化酶差得多。纯粹固体作为载体的固定化酶差得多。(2)(2)塔身长的固定床反应器，用多孔板适当塔身长的固定床反应器，用多孔板适当隔开，防止凝胶自身重量引起变形。隔开，防止凝胶自身重量引起变形。现在学习的是第22页，共7
17、5页酶反应器的选择酶反应器的选择一、根据酶的应用形式选择反应器一、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三、根据底物或产物的理化性质选择反应器现在学习的是第23页，共75页一、根据酶的应用形式选择反应器一、根据酶的应用形式选择反应器酶与底物均溶解在反应液中，可选用的反应器有酶与底物均溶解在反应液中，可选用的反应器有（1 1）搅拌罐式反应器）搅拌罐式反应器（2 2）鼓泡式反应器）鼓泡式反应器（3 3）膜反应器）膜反应器（4 4）喷射式反应器）喷射式反应器1 1、游离酶反应器的选择、游离酶反应器的选择现在
18、学习的是第24页，共75页（1 1）搅拌罐式反应器）搅拌罐式反应器l游离酶催化反应最常用的是搅拌罐式反应器；游离酶催化反应最常用的是搅拌罐式反应器；l优点：设备简单，操作简便，酶与底物混合较好，物质与热优点：设备简单，操作简便，酶与底物混合较好，物质与热量传递较均匀，反应条件易控；量传递较均匀，反应条件易控；l限制：反应后酶与产物较难分离，酶难于回收利用；限制：反应后酶与产物较难分离，酶难于回收利用；l操作：分批式或流加分批式。操作：分批式或流加分批式。现在学习的是第25页，共75页（2 2）鼓泡式反应器）鼓泡式反应器l有气体参与的酶催化反应通常采用鼓泡式反应器；有气体参与的酶催化反应通常采用
19、鼓泡式反应器；l特点：结构简单，操作较易，混合均匀，物热传递效率高；特点：结构简单，操作较易，混合均匀，物热传递效率高；例：例：O2GH2O2现在学习的是第26页，共75页（3 3）膜反应器）膜反应器l为了使酶能回收利用，采用游离酶膜反应器；为了使酶能回收利用，采用游离酶膜反应器；l根据酶和产物分子质量选择适宜孔径超滤膜，防止浓差极化现根据酶和产物分子质量选择适宜孔径超滤膜，防止浓差极化现象；象；现在学习的是第27页，共75页（4 4）喷射式反应器）喷射式反应器l某些耐高温的酶，采用喷射式反应式；某些耐高温的酶，采用喷射式反应式；l特点：混合效果好，催化效率高；特点：混合效果好，催化效率高；l
20、只限耐高温酶；只限耐高温酶；现在学习的是第28页，共75页2、固定化酶反应器的选择、固定化酶反应器的选择l固定化酶特点：固定化酶特点：稳定性好，可反复使用稳定性好，可反复使用形状有颗粒状，平板状，直管状，螺旋管状；形状有颗粒状，平板状，直管状，螺旋管状；l颗粒状固定化酶可采用的反应器有：颗粒状固定化酶可采用的反应器有：（1 1）搅拌罐式反应器；）搅拌罐式反应器；（2 2）填充式反应器；）填充式反应器；（3 3）流化床式反应器；）流化床式反应器；（4 4）鼓泡式反应器；）鼓泡式反应器；现在学习的是第29页，共75页搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器l特点：混合均匀，传质传热效果好；特点：混合均匀，传质
21、传热效果好；l限制：机械强度差的需注意浆剪切应力；限制：机械强度差的需注意浆剪切应力；现在学习的是第30页，共75页填充床反应器填充床反应器l特点：单位体积反应床的固定化酶密度大，特点：单位体积反应床的固定化酶密度大，提高酶催化效率与速度；提高酶催化效率与速度；l限制：受压力大，易变形，易阻塞限制：受压力大，易变形，易阻塞l注意点：控制好高度，采取多孔托板分隔注意点：控制好高度，采取多孔托板分隔减小静压；减小静压；现在学习的是第31页，共75页流化床反应器流化床反应器l特点：混合效果显著；特点：混合效果显著；l限制：动力消耗大，固定限制：动力消耗大，固定化颗粒不能过大，密度与化颗粒不能过大，密
22、度与反应液相当，具较高强度；反应液相当，具较高强度；现在学习的是第32页，共75页鼓泡式反应器鼓泡式反应器 适于有气体参加的酶催化反应，具有气、固、液三相，故适于有气体参加的酶催化反应，具有气、固、液三相，故称三相流化床式反应器，具流化床式反应器特点。称三相流化床式反应器，具流化床式反应器特点。现在学习的是第33页，共75页反应器结合酶形式反应器结合酶形式现在学习的是第34页，共75页二、根据酶反应动力学性质选择反应器二、根据酶反应动力学性质选择反应器l酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其影响酶反应动力学是研究酶催化反应的速度及其影响因素的学科；因素的学科；l酶反应动力学对反应器的选择影响酶
23、反应动力学对反应器的选择影响有：有：（1 1）酶与底物混合程度；）酶与底物混合程度；（2 2）底物浓度；）底物浓度；（3 3）产物的抑制作用；）产物的抑制作用；（4 4）酶反应温度。）酶反应温度。现在学习的是第35页，共75页（1 1）酶与底物混合程度）酶与底物混合程度l要使酶与底物结合，必须保证酶与底物的碰撞；要使酶与底物结合，必须保证酶与底物的碰撞；l要求：混合均匀；要求：混合均匀；l效果较好的：搅拌罐式，流化床式；效果较好的：搅拌罐式，流化床式；l较差：填充床式，膜式；较差：填充床式，膜式；现在学习的是第36页，共75页（2 2）底物浓度）底物浓度l通常，酶反应速度随底物浓度增加而升高；
24、通常，酶反应速度随底物浓度增加而升高；l有些反应，过高的底物浓度会产生抑制；有些反应，过高的底物浓度会产生抑制；l措施：措施：流加分批式反应；流加分批式反应；游离酶膜式；游离酶膜式；固定化酶，连续搅拌罐式反应、流化床式、填充床固定化酶，连续搅拌罐式反应、流化床式、填充床式等；式等；现在学习的是第37页，共75页（3 3）产物的抑制作用）产物的抑制作用l对于产物抑制的反应，最好选择膜式反应器；对于产物抑制的反应，最好选择膜式反应器；l对于固定化酶，采用填充床式；对于固定化酶，采用填充床式；现在学习的是第38页，共75页（4 4）酶反应温度）酶反应温度l能耐高温的酶最好选用喷射式反应器；能耐高温的
25、酶最好选用喷射式反应器；l优点：高温下反应速度快，时间缩短，催化效率优点：高温下反应速度快，时间缩短，催化效率高；高；现在学习的是第39页，共75页三三 根据底物或产物的理化性质选择反应器根据底物或产物的理化性质选择反应器在催化过程，底物产物的理化性质直接影响到催化在催化过程，底物产物的理化性质直接影响到催化反应速率，其分子质量、溶解性、黏度等性质对反应速率，其分子质量、溶解性、黏度等性质对反应器亦有影响；反应器亦有影响；现在学习的是第40页，共75页底物的性质底物的性质底物包括溶解性物质底物包括溶解性物质(包包括乳浊液括乳浊液)、颗粒物质、颗粒物质、胶体物质胶体物质后两者会堵塞填充床，故应用
26、后两者会堵塞填充床，故应用搅拌罐或流化床型反应器搅拌罐或流化床型反应器但过高的搅拌速度又可能引起固定化但过高的搅拌速度又可能引起固定化酶的切变粉碎，故需选取合适的反应酶的切变粉碎，故需选取合适的反应器和合适的搅拌速度与流速。器和合适的搅拌速度与流速。现在学习的是第41页，共75页注意要点注意要点（1 1）分子量较大）分子量较大-一般不采用膜反应器；一般不采用膜反应器；（2 2）溶解度低，黏度高）溶解度低，黏度高-选用搅拌罐式或流化床式；选用搅拌罐式或流化床式；（3 3）底物为气体）底物为气体-鼓泡式鼓泡式（4 4）具有辅酶的反应）具有辅酶的反应-通常不采用膜反应器通常不采用膜反应器（5 5）适
27、用性）适用性-满足多种酶，多种条件满足多种酶，多种条件（6 6）结构）结构-简单简单（7 7）成本）成本-低低现在学习的是第42页，共75页第三节第三节 酶反应器的设计酶反应器的设计设计目的设计目的设计出一个既能发挥生物反应的优点又设计出一个既能发挥生物反应的优点又可克服一些限制因素，以最低的生产成可克服一些限制因素，以最低的生产成本，获得最高的产量和质量的酶反应器。本，获得最高的产量和质量的酶反应器。现在学习的是第43页，共75页设计原理（依据）设计原理（依据）(1)(1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pHpH等操作参数对此特性的影响。等操作参数对此
28、特性的影响。(2)(2)反应器的型式和反应器内流体流动状态反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特性。及传热特性。(3)(3)需要的生产量及生产工艺流程。需要的生产量及生产工艺流程。上述上述3项组合建立的项组合建立的式子称为设计方程式式子称为设计方程式或操作方程式。或操作方程式。现在学习的是第44页，共75页反应器设计一般需要的关系式反应器设计一般需要的关系式:物料平衡物料平衡;热量平衡热量平衡;反应动力学反应动力学;流动特性等。流动特性等。现在学习的是第45页，共75页一、确定酶反应器的类型一、确定酶反应器的类型根据酶底物产物性质，按上一节所述的选择原则，确根据酶底物产物性质，按上一节所述
29、的选择原则，确定反应器类型定反应器类型现在学习的是第46页，共75页二、确定酶反应器的制造材料二、确定酶反应器的制造材料一般采用不锈钢制造容器即可，无特殊要一般采用不锈钢制造容器即可，无特殊要求。求。现在学习的是第47页，共75页三、进行热量衡算三、进行热量衡算l酶催化反应般在酶催化反应般在30307070常温下进行，热常温下进行，热量衡算不复杂，温度调节也较简单。量衡算不复杂，温度调节也较简单。l热水通夹（列管）；热水通夹（列管）；l喷射式用水蒸气热焓和用量计算。喷射式用水蒸气热焓和用量计算。现在学习的是第48页，共75页四、进行物料衡算四、进行物料衡算1 1、酶反应动力学参数的确定、酶反应
30、动力学参数的确定2 2、计算底物用量、计算底物用量3 3、计算反应液总体积、计算反应液总体积4 4、计算酶用量、计算酶用量5 5、计算反应器数目、计算反应器数目现在学习的是第49页，共75页1 1、酶反应动力学参数的确定、酶反应动力学参数的确定l确定底物浓度、酶浓度、最适温度、最适确定底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pHpH、激活剂、激活剂浓度；浓度；l关键之一：底物浓度；关键之一：底物浓度；l关键之二：酶浓度。关键之二：酶浓度。现在学习的是第50页，共75页2 2、计算底物用量、计算底物用量l根据产量要求、产物转化率、收得率，计算底物量。根据产量要求、产物转化率、收得率，计算底物量。产量产量
31、产物转化率产物转化率（Y YP P/S/S）是指底物转化为产物的比率）是指底物转化为产物的比率当副产物可当副产物可忽略时：忽略时：现在学习的是第51页，共75页l收得率（收得率（R R）指分离得到的产物量与反应生成的产物指分离得到的产物量与反应生成的产物量比值量比值根据所要求的指标，计算根据所要求的指标，计算底物用量底物用量：现在学习的是第52页，共75页3 3、反应液总体积、反应液总体积l根据根据底物用量底物用量及及底物浓度底物浓度可计算反应液体积可计算反应液体积分批反应分批反应:以每天获得的反应液总体积以每天获得的反应液总体积Vd表示表示;连续反应连续反应:以每小时获得的反应液总体积以每小
32、时获得的反应液总体积Vh表示表示.现在学习的是第53页，共75页4 4、酶用量、酶用量l根据反应液体积与酶浓度计算根据反应液体积与酶浓度计算酶浓度的考虑酶浓度的考虑酶浓度升高可减少酶反应器的酶浓度升高可减少酶反应器的体积和反物在反应器内的存留体积和反物在反应器内的存留时间。但并非越高越好，要考时间。但并非越高越好，要考虑经济因素。虑经济因素。现在学习的是第54页，共75页5、反应器的数目、反应器的数目l根据生产规模生产条件确定反应器有效体积（根据生产规模生产条件确定反应器有效体积（V V0 0）和反应器数目；）和反应器数目；l一般不采用一个反应器，而是一般不采用一个反应器，而是2 2个以上；个
33、以上；l反应器有效体积反应器有效体积指酶催化时单个反应器可容纳的反指酶催化时单个反应器可容纳的反应液最大的体积，一般为反应器总体积的应液最大的体积，一般为反应器总体积的70-80%70-80%现在学习的是第55页，共75页分批反应中反应器数目：分批反应中反应器数目：连续反应中反应器数目：连续反应中反应器数目：Vd:每天获得的反每天获得的反应液总体积应液总体积(L/d);V0:单个反应器有单个反应器有效体积效体积(L);t:底物在反应器中底物在反应器中停留时间停留时间.V h:每小时获得的反应液每小时获得的反应液体积体积(L/h).现在学习的是第56页，共75页连续式反应器还可根据其生产强度计算
34、反应器数目连续式反应器还可根据其生产强度计算反应器数目酶反应器生产强度酶反应器生产强度Qp表示每小时每升反应体积所生产的产物的克数表示每小时每升反应体积所生产的产物的克数连续反应器数目（连续反应器数目（N N）与反应液生）与反应液生产强度（产强度（Qp)Qp)关系如下：关系如下：Ph:每小获得的每小获得的产物量产物量(g/h);Vh:每小时获得每小时获得的反应液体积的反应液体积(L/h).P:产物浓度产物浓度现在学习的是第57页，共75页Qp与酶浓度的关系与酶浓度的关系Q Qp p随催化剂浓度随催化剂浓度X X及比活及比活S Sa a(酶酶催化效率催化效率)的增加而增加；的增加而增加；虚线表示
35、操作限度虚线表示操作限度,是产物合成是产物合成时质量与热量的传递函数；时质量与热量的传递函数；设计时要注意质与热的传递。最设计时要注意质与热的传递。最佳的热质传递可获得最大产率。佳的热质传递可获得最大产率。现在学习的是第58页，共75页酶催化率酶催化率Rp/eR Rp/ep/e和操作条件有如下关系和操作条件有如下关系:tc:tc:一般为半衰期一般为半衰期t t1/21/2.S Sa a(t):(t):为单位时间内每克酶能作用的底物克数为单位时间内每克酶能作用的底物克数 (即即酶的催化效率，比活酶的催化效率，比活)表示单位量的酶催化产物形成的克数表示单位量的酶催化产物形成的克数.现在学习的是第5
36、9页，共75页第四节第四节 酶反应器的操作酶反应器的操作现在学习的是第60页，共75页为了达到最小量的酶最短时间内完成最大量的反应，为了达到最小量的酶最短时间内完成最大量的反应，要求要求:(1)(1)选择恰当的酶应用形式选择恰当的酶应用形式;(2)(2)选择和设计合适的酶反应器选择和设计合适的酶反应器;(3)(3)确定合理的反应操作条件确定合理的反应操作条件.以上三者是互相关联的。以上三者是互相关联的。现在学习的是第61页，共75页一、一、酶反应器的操作条件的确定及其调控酶反应器的操作条件的确定及其调控1 1、反应温度的确定与调节控制、反应温度的确定与调节控制2 2、pHpH值的确定与调节控制
37、值的确定与调节控制3 3、底物浓度的确定与调节控制、底物浓度的确定与调节控制4 4、酶浓度的确定与调节控制、酶浓度的确定与调节控制5 5、搅拌速度的确定与调节控制、搅拌速度的确定与调节控制6 6、流动速度的确定与调节控制、流动速度的确定与调节控制现在学习的是第62页，共75页1 1、反应温度的确定与调节控制、反应温度的确定与调节控制l酶催化作用受到温度的显著影响酶催化作用受到温度的显著影响;l酶催化有一个最适温度酶催化有一个最适温度;l一般通过夹列管等换热装置一般通过夹列管等换热装置;现在学习的是第63页，共75页2 2、pHpH值的确定与调节控制值的确定与调节控制l酶催化有一个最适酶催化有一
38、个最适pH;pH;l根据酶的动力学特性确定酶的最适根据酶的动力学特性确定酶的最适pH;pH;l分批式分批式,先将底物溶液调到酶最适先将底物溶液调到酶最适pH;pH;l连续式连续式,调好调好pHpH的底物溶液连续加到期反应器中的底物溶液连续加到期反应器中;l有些酶反应前后有些酶反应前后pHpH变化不大变化不大;l有些变化大的需用稀酸碱调节或用缓冲液维持。有些变化大的需用稀酸碱调节或用缓冲液维持。现在学习的是第64页，共75页3 3、底物浓度的确定与调节控制、底物浓度的确定与调节控制l底物要有一定适宜范围；底物要有一定适宜范围；l一般是一般是5-10Km;5-10Km;l分批式，采用流加方式防止高
39、浓度底物抑制；分批式，采用流加方式防止高浓度底物抑制；l连续式反应器中，底物浓度保持恒定；连续式反应器中，底物浓度保持恒定；现在学习的是第65页，共75页4 4、酶浓度的确定与调节控制、酶浓度的确定与调节控制l底物足够高，催化速度与酶浓度成正比；底物足够高，催化速度与酶浓度成正比；l要考虑到成本；要考虑到成本；l使用一段时间后需对酶进行补充更换。使用一段时间后需对酶进行补充更换。现在学习的是第66页，共75页5 5、搅拌速度的确定与调节控制、搅拌速度的确定与调节控制l在实验基础上确定搅拌速度；在实验基础上确定搅拌速度；l过慢，混合不均；过慢，混合不均；l过快，破坏酶结构。过快，破坏酶结构。现在
40、学习的是第67页，共75页6 6、流动速度的确定与调节控制、流动速度的确定与调节控制l连续式反应器中应有适宜的流动速度和流动状态；连续式反应器中应有适宜的流动速度和流动状态；l流速过慢，固定化酶颗粒不能很好飘浮翻动甚至沉积，影响流速过慢，固定化酶颗粒不能很好飘浮翻动甚至沉积，影响酶与底物接触反应；酶与底物接触反应；l流速过快，会使固定化酶结构破坏流失；流速过快，会使固定化酶结构破坏流失；l流化床反应器中，流动速度决定了酶与底物的接触和反应进流化床反应器中，流动速度决定了酶与底物的接触和反应进程；程；l流速慢，反应完全但效率低；流速慢，反应完全但效率低；l活塞流反应（活塞流反应（plug flo
41、w reactor,PFR);l膜反应中，控制流速和流动状态，减少浓差极化；膜反应中，控制流速和流动状态，减少浓差极化；现在学习的是第68页，共75页二、酶反应器操作的注意事项二、酶反应器操作的注意事项现在学习的是第69页，共75页(1)控制酶反应器中流动状态控制酶反应器中流动状态酶反应器动转中，反应器中不当流动方式的危害酶反应器动转中，反应器中不当流动方式的危害(1)(1)酶与底物接触不良，降低生产力。酶与底物接触不良，降低生产力。(2)(2)发生程度不同的反应，使产物进一步反应发生程度不同的反应，使产物进一步反应,产生副反应。产生副反应。(3)压降加大，载体不规则及填充底物上柱不均匀，产生
42、沟流或堵塞压降加大，载体不规则及填充底物上柱不均匀，产生沟流或堵塞 原因原因 解决办法解决办法搅拌不均或过快，酶分布不均搅拌不均或过快，酶分布不均出料口进料口过滤器互换出料口进料口过滤器互换填充床型中柱高和流速产生压降造成载体压填充床型中柱高和流速产生压降造成载体压缩缩 使用较大的不可压缩的光的珠型填充使用较大的不可压缩的光的珠型填充材料均匀装填严控流速材料均匀装填严控流速壅塞现象壅塞现象(固体或胶体物沉积妨碍了底物与酶固体或胶体物沉积妨碍了底物与酶接触接触)有外内壅塞有外内壅塞 间隔式填充，反冲床重新装柱通上行间隔式填充，反冲床重新装柱通上行气流。底物高速循环，预处理气流。底物高速循环，预处
43、理1、保持酶反应器的操作稳定性、保持酶反应器的操作稳定性现在学习的是第70页，共75页(2)维持酶反应器的恒定生产能力维持酶反应器的恒定生产能力（1）控制流速）控制流速连续或间隔降低流速可维持转化率恒定，但要连续或间隔降低流速可维持转化率恒定，但要根据产物量决定流速而不能按活性或一定时间根据产物量决定流速而不能按活性或一定时间内达到的百分转化率内达到的百分转化率（2）增加温度）增加温度随时间而出现的酶活性损失将为较高温下的酶活性增加随时间而出现的酶活性损失将为较高温下的酶活性增加所补偿，较复杂的温度变化可用微机处理，精确控制。所补偿，较复杂的温度变化可用微机处理，精确控制。（3 3）串并联、错
44、开起动）串并联、错开起动若干使用不同时间处于不同阶段的柱反应器串联与上述方法之一相结合是普遍的若干使用不同时间处于不同阶段的柱反应器串联与上述方法之一相结合是普遍的方法；方法；采用错开起动，掌握好换柱时间，能使在预定的输出或转化水平时具有最小波动，采用错开起动，掌握好换柱时间，能使在预定的输出或转化水平时具有最小波动，反应器也能平稳工作，但生产成本增加；反应器也能平稳工作，但生产成本增加；串联操作要控制的物流较小，酶能较充分利用但压降和压缩问题较大串联操作要控制的物流较小，酶能较充分利用但压降和压缩问题较大并联有最好的操作适应性；并联有最好的操作适应性；生产状态取决于各种相互关联的动转参数的含
45、量生产状态取决于各种相互关联的动转参数的含量现在学习的是第71页，共75页2 2、防止酶的变性失活、防止酶的变性失活最主要的工作是防止酶的变性或中毒失活及固最主要的工作是防止酶的变性或中毒失活及固定化酶自溶或载体磨损造成的酶损失。定化酶自溶或载体磨损造成的酶损失。影响因素影响因素 解决办法解决办法 温度温度 最适温度是经验性的最适温度是经验性的 pH pH、离子强度、离子强度 严格控制严格控制 抑制剂抑制剂 进料中添加螯合剂如进料中添加螯合剂如EDTAEDTA底物存在底物存在时对固定化酶有好处时对固定化酶有好处 酶或载体溶解酶或载体溶解 金属氧化物包裹载体电磁场搅拌固金属氧化物包裹载体电磁场搅
46、拌固定化在磁性载体上的酶定化在磁性载体上的酶现在学习的是第72页，共75页3、防止微生物的污染、防止微生物的污染要求要求酶反应器虽不必在完全无菌下操作但酶反应器虽不必在完全无菌下操作但要具备一定的卫生条件。要具备一定的卫生条件。解决办法解决办法:产物是抗生素、酒精、有机酸时能抑制微生物生长；产物是抗生素、酒精、有机酸时能抑制微生物生长；向底物加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂或将底物料液预先过滤。向底物加入杀菌剂、抑菌剂、有机溶剂或将底物料液预先过滤。在温度在温度4545以上或在酸碱性缓冲液中进行操作以上或在酸碱性缓冲液中进行操作;高浓度底物可提高渗透压，降低水洗度，抑制微生物生长；高浓度底物可提高渗透压，降低水洗度，抑制微生物生长；每次使用后适当消毒如用酸性水或含每次使用后适当消毒如用酸性水或含H2O2H2O2、季胺盐的水反冲、季胺盐的水反冲连续动转中可周期用连续动转中可周期用H2O2H2O2或或50%50%甘油水溶液处理反应器。甘油水溶液处理反应器。所有这些操作要考虑固定化酶稳定性是否受到影响所有这些操作要考虑固定化酶稳定性是否受到影响现在学习的是第73页，共75页现在学习的是第74页，共75页感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第75页，共75页