1、刘立丽刘立丽浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所E-mail:E-mail:一、生物反应器概述一、生物反应器概述生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化生物反应过程：利用生物催化剂将原料转化 成有用物质的过程。成有用物质的过程。四个组成部分：四个组成部分：原材料的预处理原材料的预处理生物催化剂的制备生物催化剂的制备生物反应器的选择及反应条件的控制生物反应器的选择及反应条件的控制产物的分离提纯产物的分离提纯生物反应过程生物反应过程:由生物工程所引出的生产过程由生物工程所引出的生产过程生物反应器：在整个生物反应过程中处于中心的地生物反应器：在整个生物反应过程中
2、处于中心的地位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品位，连接原料和产物的桥梁，是实现生物技术产品产业化的关键设备。产业化的关键设备。在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料在反应器中，通过产物的合成，使廉价的原料升值。升值。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。大影响。评价生物反应器主要是看它生产能力的大评价生物反应器主要是看它生产能力的大小以及产品质量的高低。小以及产品质量的高低。一般的化学反应器一般的化学反应器相似相似：维持一定的温度、维持一定的温度、pHp
3、H、反应物（营养物质，、反应物（营养物质，包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、包括溶解氧）浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适的环境条件，传热和混合性能，以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行。确保生物反应的顺利进行。与一般的化学反应器与一般的化学反应器不同不同：细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种细胞生物反应器在运行中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。微生物的进入，避免杂菌污染造成的损失。生物反应器的要求生物反应器的要求生物反应器生物反应器生物反应器设计的生物反应器设计的主要目标是使产品主要目标是使产品的质量高，成本低。的质量高，成本低。生物反应器处于生
4、生物反应器处于生物过程的中心，它物过程的中心，它常是影响整个过程常是影响整个过程的经济效益的一个的经济效益的一个重要方面。重要方面。生物反应器这一术语出现的时间不长，但人生物反应器这一术语出现的时间不长，但人们利用生物反应器进行有用物质生产却有着们利用生物反应器进行有用物质生产却有着悠久的历史。悠久的历史。我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就我们祖先酿制传统发酵食品时使用的容器就是最初的生物反应器。是最初的生物反应器。20世纪世纪40年代是生物反应器的开发、研制和年代是生物反应器的开发、研制和应用获得迅速发展的阶段。应用获得迅速发展的阶段。传统生物工业中使用的生物反应器称为传统生物工业中使用
5、的生物反应器称为“发发酵罐酵罐”（fermenter）20世纪世纪70年代，年代，Atkinson提出了生化反应提出了生化反应器（器（biochemical reactor）一词，其含义）一词，其含义除包括原有发酵罐外，还包括酶反应器、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。处理废水用反应器等。同一时期，同一时期，Ollis提出了另一术语提出了另一术语生物生物反应器（反应器（biological reactor）.20世纪世纪80年代，生物反应器（年代，生物反应器（bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。一词在专业期刊与书籍中大量出现。生物反应器设计和操作的限制因
6、素主要是传质和生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传热。传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最传质和传热是设计生物反应器和控制操作条件最主要考虑的问题。主要考虑的问题。传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见，传质问题在底物不溶的反应过程中是显而易见，在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。新的反应器不断出现，相应地提高了传质效率。应器不断出现，相应地提高了传质效率。传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为传热问题在放热的生物反应过程中非常重要，为了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热了保持生物反应器能在常温下进行，如何移走热量是进行
7、大型的生物反应器设计时必须重视的一量是进行大型的生物反应器设计时必须重视的一个环节。个环节。传质和传热传质和传热酶反应器（enzyme reactor）定义定义：通常将用于酶进行催化反应的容器：通常将用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为及其附属设备称为酶反应器酶反应器。作用作用：使酶得到合理的应用，并能够提：使酶得到合理的应用，并能够提高产品的质量和降低成本。高产品的质量和降低成本。本章内容本章内容 P92酶反应器的酶反应器的分类分类酶反应器的酶反应器的选择选择酶反应器的酶反应器的设计设计酶反应器的酶反应器的放大放大酶反应器的酶反应器的操作操作按照按照结构结构的不同可以分为：的不同可以分为
8、：搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器 stirred tank reactor，STR 填充床式反应器填充床式反应器 packed column reactor，PCR 流化床反应器流化床反应器 fluidized bed reactor，FBR 鼓泡式反应器鼓泡式反应器 bubble column reactor，BCR 膜反应器膜反应器 membrane reactor，MR 喷射式反应器喷射式反应器 jet gas-liquid reactor按按操作方式操作方式分为：分为：分批式反应分批式反应（batch）连续式反应连续式反应（continuous）流加分批式反应流加分批式反应（feedin
9、g batch）将将结构和操作方式结构和操作方式结合一起分为：结合一起分为：连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器 continuous stirred tank reactor，CSTR 分批搅拌罐式反应器分批搅拌罐式反应器 batch stirred tank reactor，BSTR等等4.1.1 搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器由反应罐、搅拌器和保温装置组成。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。既可以用于游离酶的催化反应，又可以用既可以用于游离酶的催化反应，又可以用于固定化酶的催化反应于固定化酶的催化反应1、分批搅拌罐式反应器、分批搅拌罐式反应器优点优点：设备简单，操作容易，酶与底物设备简单，操
10、作容易，酶与底物 混合均匀，混合均匀，传质阻力较小，反应较为传质阻力较小，反应较为完全，反应条件容易调节控制。完全，反应条件容易调节控制。缺点缺点：用于游离酶，酶难以回收。用于游离酶，酶难以回收。用于固定化酶，反应器利用率较低，用于固定化酶，反应器利用率较低，而且可能对固定化酶的结构造成破坏。而且可能对固定化酶的结构造成破坏。分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批搅拌罐式反应器也可以用于流加分批式反应。分批式反应。流加分批搅拌罐式反应器的装置与分流加分批搅拌罐式反应器的装置与分批搅拌罐式反应器的装置相同。批搅拌罐式反应器的装置相同。流加分批式反应可以用于游离酶和固流加分批式反应可以用于游离酶和固
11、定化酶的催化反应。定化酶的催化反应。2、连续搅拌罐式反应器连续搅拌罐式反应器 只适用于固定化酶的催化反应。只适用于固定化酶的催化反应。优点优点：设计简单、操作简便设计简单、操作简便 反应条件容易调节控制反应条件容易调节控制 底物与固定化酶接触较好底物与固定化酶接触较好 传质阻力较小传质阻力较小 反应器的利用率较高。反应器的利用率较高。需注意需注意控制好搅拌速度，控制好搅拌速度，以免由于以免由于强烈强烈搅拌搅拌所产生的所产生的剪切力剪切力使固定化酶的结构使固定化酶的结构受到破坏。受到破坏。http:/ 填充床式反应器填充床式反应器 是将酶固定化后，是将酶固定化后，填充到柱式反应容填充到柱式反应容
12、器中而制成的一种器中而制成的一种反应器。反应器。适用于固定化酶进适用于固定化酶进行催化反应行催化反应优点优点：设备简单设备简单 操作方便操作方便 单位体积反应床的固定化酶密度大单位体积反应床的固定化酶密度大 可以提高酶催化反应的速度可以提高酶催化反应的速度缺点缺点：底层固定化酶颗粒所受压力较大，容易底层固定化酶颗粒所受压力较大，容易引起固定化酶颗粒的变形或破碎。引起固定化酶颗粒的变形或破碎。4.1.3 流化床反应器流化床反应器是一种适用是一种适用于固定化酶于固定化酶进行连续催进行连续催化反应的反化反应的反应器。应器。优点优点：混合均匀混合均匀 传质和传热效果好传质和传热效果好 温度和温度和pH
13、值易于调节控制值易于调节控制 不易堵塞不易堵塞 对黏度较大的反应液也可进行催化对黏度较大的反应液也可进行催化反应反应 缺点缺点：需要较高的流速才能维持粒子的充分流态需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且固定化酶颗粒易于被破坏，流体化，而且固定化酶颗粒易于被破坏，流体动力学变化较大，参数复杂，放大较为困动力学变化较大，参数复杂，放大较为困难。难。目前，流化床反应器主要被用来处理一些目前，流化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白质。水解牛乳中的蛋白质。http:/ 结构简单结构简单 操作方便操作方便 剪切力小剪切力
14、小 物质与热量的传递效率高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是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器一种反应器 可用于可用于游离酶游离酶也可用于也可用于固定化酶固定化酶的的催化反应。催化反应。可以用于可以用于连续连续反应，也可用于反应，也可用于分批分批反应。反应。进行固定化酶的催化反应时，反应进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称系统中存在固、液、气三相，又称为为三相流化床式反应器三相流化床式反应器。4.1.5 膜反应器膜反应器 将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一将酶的催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。起而成的反应器。可用于游
15、离酶也可用于固定化酶的催化反应。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。http:/www.china- 膜反应器的类型：膜反应器的类型：平板型平板型 螺旋型螺旋型 管型管型 中空纤维型中空纤维型 转盘型转盘型 中空纤维反应器中空纤维反应器是由外壳和是由外壳和数以千计的醋酸纤维等高分数以千计的醋酸纤维等高分子聚合物制成的中空纤维组子聚合物制成的中空纤维组成。成。中空纤维的内径中空纤维的内径200-500m，外径，外径300-900 m。中空纤维壁上分布许多孔径中空纤维壁上分布许多孔径均匀的微孔，可以截留大分均匀的微孔，可以截留大分子而允许小分子物质通过。子而允许小分子物质通过。优点优点：集反应
16、与分离于一体，利于连续：集反应与分离于一体，利于连续 化生产。化生产。缺点缺点：经过长时间使用，酶或其他杂质：经过长时间使用，酶或其他杂质 会被吸附在膜上，造成膜透过性会被吸附在膜上，造成膜透过性 降低，而且清洗困难。降低，而且清洗困难。http:/ 1、2 24.1.6 喷射式反应器喷射式反应器 利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应。混合，进行高温短时催化反应。适用于耐高温游离酶的连续催化反应。适用于耐高温游离酶的连续催化反应。优点优点：结构简单结构简单体积小体积小混合均匀混合均匀可在短时间内完成催化反应可在短时间内完成催化反
17、应http:/ 连续式固定化酶设备简单，操作方便，单位体积反应床的固定化酶 密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶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。鼓泡式反应器鼓泡式反应器分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器膜反应器连续式游离酶固定化酶膜反应器结构紧骤，集反应与 分离于一体,利于连续化生产,但是容易发生浓差极化而引起膜孔阻塞，清洗比较
18、困难喷射式反应器喷射式反应器 连续式游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应主要影响因素主要影响因素：酶的应用形式酶的应用形式 酶的反应动力学性质酶的反应动力学性质 底物和产物的理化性质底物和产物的理化性质要求要求：结构简单、操作方便、易于维护：结构简单、操作方便、易于维护 和清洗、可适用于多种酶的催化和清洗、可适用于多种酶的催化 反应、制造成本和运行成本较低反应、制造成本和运行成本较低4.2.1.1 游离酶反应器的选择游离酶反应器的选择 搅拌罐式反应器最常用搅拌罐式反应器最常用 有气体参与的酶催化反应，通常采用有气体参与的酶催化反应，通常采用
19、鼓泡式反应器鼓泡式反应器价格较高的酶，为了能够回收，可采用价格较高的酶，为了能够回收，可采用游离酶膜反应器游离酶膜反应器 耐高温的酶，可采用耐高温的酶，可采用喷射式反应器喷射式反应器4.2.1 根据酶的应用形式选择反应器根据酶的应用形式选择反应器4.2.1.2 固定化酶反应器的选择固定化酶反应器的选择根据固定化酶的根据固定化酶的形状形状、颗粒大小颗粒大小和和稳定性稳定性的不的不同进行选择。同进行选择。固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管固定化酶的形状主要有颗粒状、平板状、直管状、螺旋管状等，通常为状、螺旋管状等，通常为颗粒状固定化酶颗粒状固定化酶。颗粒状的固定化酶可以选用颗粒状的固定化酶可
20、以选用搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器、填充床式反应器填充床式反应器、流化床反应器流化床反应器和和鼓泡式反应鼓泡式反应器器等进行催化。等进行催化。搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差不适用于机械强度较差 的固的固 定化酶。定化酶。采用采用填充床式反应器填充床式反应器时应注意控制好反应器时应注意控制好反应器 的高度。的高度。采用采用流化床反应器流化床反应器时，固定化酶的时，固定化酶的颗粒不能太大，密度要与反应液的密颗粒不能太大，密度要与反应液的密度相当，而且要有较高的强度。度相当，而且要有较高的强度。有气体参与的酶催化反应，通常采用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
21、。平板状、直管状、螺旋管状固定化酶平板状、直管状、螺旋管状固定化酶一般采用一般采用膜反应器膜反应器。4.2.2 根据酶反应动力学性质选择反应器根据酶反应动力学性质选择反应器主要影响因素主要影响因素：酶与底物的混合程度酶与底物的混合程度 底物浓度对酶催化反应速度的影响底物浓度对酶催化反应速度的影响 反应产物对酶的反馈抑制作用反应产物对酶的反馈抑制作用 酶催化作用的温度条件酶催化作用的温度条件4.2.2.1 酶与底物的混合程度酶与底物的混合程度 搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器、流化床反应器流化床反应器均具有较好的混合效果均具有较好的混合效果 填充床式反应器填充床式反应器混合效果较差混合效果较差 采用
22、采用膜反应器膜反应器时，可以采用时，可以采用辅助搅拌辅助搅拌或其它方法来提高混合效果或其它方法来提高混合效果4.2.2.2 底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响 具有高浓度底物抑制作用的具有高浓度底物抑制作用的游离酶游离酶，可以采用可以采用游离酶膜反应器游离酶膜反应器进行催化反进行催化反应。应。具有高浓度底物抑制作用的具有高浓度底物抑制作用的固定化酶固定化酶，可以采用可以采用连续搅拌罐反应器连续搅拌罐反应器、填充床填充床式反应器式反应器、流化床式反应器流化床式反应器、膜反应膜反应器器等进行连续催化反应，等进行连续催化反应，但需要但需要控制底物浓度控制底物浓度在一定的范围。在一定
23、的范围。4.2.2.3 反应产物对酶的反馈抑制作用反应产物对酶的反馈抑制作用 最好选择最好选择膜反应器膜反应器 对于对于固定化酶固定化酶，也可以采用，也可以采用填充床式填充床式反应器反应器4.2.2.4 酶催化作用的温度条件酶催化作用的温度条件 对可以耐受对可以耐受100以上高温的酶催化以上高温的酶催化反应，最好是选择反应，最好是选择喷射式反应器喷射式反应器。4.2.3 根据底物和产物理化性质选择反应器根据底物和产物理化性质选择反应器主要影响因素主要影响因素：底物和产物的理化性质底物和产物的理化性质 分子量分子量 溶解性溶解性 黏度黏度需要需要小分子物质作为辅酶小分子物质作为辅酶参与，通常不参
24、与，通常不采用采用膜反应器。膜反应器。底物或产物的底物或产物的分子量较大分子量较大，一般不采用，一般不采用膜反应器。膜反应器。底物或者产物的底物或者产物的溶解度较低、黏度较高溶解度较低、黏度较高应当选择搅拌罐式反应器或者流化床反应当选择搅拌罐式反应器或者流化床反应器，而不采用填充床式反应器和膜反应器，而不采用填充床式反应器和膜反应器。应器。有有气体底物气体底物参与时，通常选用参与时，通常选用鼓泡式反应器。鼓泡式反应器。4.3 酶反应器的设计酶反应器的设计4.3.1、确定酶反应器的、确定酶反应器的类型类型4.3.2、确定酶反应器的、确定酶反应器的制造材料制造材料4.3.3、进行、进行热量热量衡算
25、衡算4.3.4、进行、进行物料物料衡算衡算 是酶反应器设计的第一步。是酶反应器设计的第一步。根据酶、底物和产物的性质选择并确根据酶、底物和产物的性质选择并确定酶反应器的类型。定酶反应器的类型。对制造材料要求比较低，一般采用对制造材料要求比较低，一般采用不不锈钢或玻璃锈钢或玻璃等材料即可，可根据投资等材料即可，可根据投资的大小来选择。的大小来选择。主要是根据热水的温度和使用量来进行计主要是根据热水的温度和使用量来进行计算。算。对于喷射式反应器，根据所使用的水蒸气对于喷射式反应器，根据所使用的水蒸气的热焓和用量来计算。的热焓和用量来计算。再根据所需传递的热量和反应器换热装置再根据所需传递的热量和反
26、应器换热装置制造材料的传热系数，计算所需的传热面制造材料的传热系数，计算所需的传热面积，并根据使用要求确定换热器的传热方积，并根据使用要求确定换热器的传热方式，再确定换热装置的形状和尺寸。式，再确定换热装置的形状和尺寸。是酶反应器设计的重要任务是酶反应器设计的重要任务确定酶催化反应动力学参数确定酶催化反应动力学参数底物用量底物用量反应液总体积反应液总体积酶用量酶用量反应器数量反应器数量 是反应器设计的主要依据之一是反应器设计的主要依据之一 根据酶反应动力学特性，确定反应所根据酶反应动力学特性，确定反应所需的：需的：底物浓度底物浓度酶浓度酶浓度最适温度最适温度最适最适pH激活剂浓度激活剂浓度确定
27、酶催化反应动力学参数确定酶催化反应动力学参数计算底物用量计算底物用量产量产量：P（kg/年）年）=Pd（kg/d）300 分批反应器分批反应器 =Ph（kg/h）300 24 连续反应器连续反应器根据根据产品产量产品产量、产物转化率产物转化率和和收率收率，计，计算所需底物用量。算所需底物用量。产物转化率产物转化率：YP/S=mP/mSmP生成的产物量（生成的产物量（kg）mS 投入的底物量（投入的底物量（kg）反应副产物忽略不计，产物转化率：S 反应前后底物浓度的变化 S0反应前底物浓度（kg/m3）St 反应后底物浓度（kg/m3）产物转化率与产物转化率与反应条件反应条件、反应器性能反应器性
28、能和和操作工艺操作工艺有关。有关。收率（收率（R）：分离得到的产物量与反应）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。生成的产物量的比值。收率主要取决于收率主要取决于分离纯化技术及其工艺分离纯化技术及其工艺条件条件。底物用量底物用量（kg）：）：mS所需的底物用量（所需的底物用量（kg）mP反应产物的产量（反应产物的产量（kg）YP/S 产物转化率（产物转化率（%）R产物收率（产物收率（%）分批反应器分批反应器常采用常采用日产量日产量Pd，连续反应器，连续反应器一一般采用般采用时产量时产量Ph。计算反应液总体积计算反应液总体积Vt反应液总体积（反应液总体积（m3）mS底物用量（底物用量（kg
29、）S反应前底物浓度（反应前底物浓度（kg/m3）酶用量的计算酶用量的计算E所需的酶量（所需的酶量（U）E酶浓度（酶浓度（U/m3）Vt 反应液体积（反应液体积（m3）反应器数量的计算反应器数量的计算一般反应器的有效体积为反应器总体积一般反应器的有效体积为反应器总体积的的70%80%。N构成所需反应器数量（个）构成所需反应器数量（个）Vd每天的反应液总体积（每天的反应液总体积（m3/d）V0 单个反应器的有效体积（单个反应器的有效体积（m3）t 底物在反应器中的停留时间（底物在反应器中的停留时间（h）对于对于分批反应器分批反应器，可以根据每天获得的反应，可以根据每天获得的反应液的总体积、单个反应
30、器的有效体积和底物液的总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算所需反应器数在反应器内的停留时间，计算所需反应器数目。目。对于对于连续反应器连续反应器，可以根据每小时获得的反，可以根据每小时获得的反应液的总体积、反应器的有效体积和底物在应液的总体积、反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算反应器数目。反应器内的停留时间，计算反应器数目。N过程所需的反应器数量（个）过程所需的反应器数量（个）Vh每小时的反应液总体积（每小时的反应液总体积（m3/h）V0 单个反应器的有效体积（单个反应器的有效体积（m3）t 底物在反应器中的停留时间（底物在反应器中的停留时间（h）连续反应
31、器还可以根据生产强度计算反连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。应器的数目。反应器的生产强度反应器的生产强度指反应器单位时间单指反应器单位时间单位体积反应液所产生的产物量。位体积反应液所产生的产物量。Qp反应器的生产强度（反应器的生产强度（kg/m3 h）Ph 每小时的产物量（每小时的产物量（kg/h）V0 单个反应器的有效体积（单个反应器的有效体积（m3）Vh 每小时的反应液体积（每小时的反应液体积（m3/h）P 反应液中的产物浓度（反应液中的产物浓度（kg/m3）N过程所需的反应器数量（个）过程所需的反应器数量（个）P反应液中的产物浓度（反应液中的产物浓度（kg/m3）t 底物在反
32、应器中的停留时间（底物在反应器中的停留时间（h）连续反应器的数目与反应器的生产强度连续反应器的数目与反应器的生产强度的关系如下：的关系如下：4.4 酶反应器的放大酶反应器的放大通常一个生物反应过程的开发，包括了三个不通常一个生物反应过程的开发，包括了三个不同规模的阶段：同规模的阶段：利用实验室规模的反应器进行工艺试验；利用实验室规模的反应器进行工艺试验；在中间规模的反应器中试验（中试），确在中间规模的反应器中试验（中试），确定最佳的操作条件；定最佳的操作条件；在大型生产设备中投入生产。在大型生产设备中投入生产。目前主要有：目前主要有：经验放大法经验放大法 几何相似放大几何相似放大 单位体积液体
33、中搅拌功率相同放大单位体积液体中搅拌功率相同放大 搅拌器叶尖速度相同放大搅拌器叶尖速度相同放大 混合时间相同放大混合时间相同放大 因次分析法因次分析法 时间常数法时间常数法 数学模拟法数学模拟法4.5 酶反应器的操作酶反应器的操作 酶反应器操作条件的确定及其调节控酶反应器操作条件的确定及其调节控制制 酶反应器应用的注意事项酶反应器应用的注意事项 温度温度 pH 底物浓度底物浓度 酶浓度酶浓度 反应液的混合与流动反应液的混合与流动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根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适温度。温度。将反应温度控制在适宜温
34、度范围内，在温度发将反应温度控制在适宜温度范围内，在温度发生变化时，及时进行调节。生变化时，及时进行调节。夹套、列管等换热装置。夹套、列管等换热装置。喷射式反应器，通过控制水蒸汽的压力。喷射式反应器，通过控制水蒸汽的压力。2、pH值的确定与调节控制值的确定与调节控制根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最根据酶的动力学特性，确定酶催化反应的最适适pH。分批式反应器，通常在加入酶液之前，用稀分批式反应器，通常在加入酶液之前，用稀酸或稀碱调节底物溶液到酶的最适酸或稀碱调节底物溶液到酶的最适pH。连续式反应器，一般将调节好连续式反应器，一般将调节好pH的底物溶液的底物溶液连续加到反应器中。连续加到反应
35、器中。有些酶的底物或产物是一种酸或碱，反应前有些酶的底物或产物是一种酸或碱，反应前后后pH变化大，必须在反应过程中进行必要的变化大，必须在反应过程中进行必要的调节。调节。pH的调节通常采用稀酸或稀碱溶液进行的调节通常采用稀酸或稀碱溶液进行，加入稀酸或稀碱溶液时，加入稀酸或稀碱溶液时要一边搅拌一边慢慢添加，以防止局要一边搅拌一边慢慢添加，以防止局部过酸或过碱部过酸或过碱必要时可以采用缓冲溶液配制底物溶必要时可以采用缓冲溶液配制底物溶液，以维持反应液的液，以维持反应液的pH。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底物浓度是决定酶催化速度的主要因素。底物浓度是决定酶催化速度的主要因素
36、。要确定一个适宜的底物浓度范围。要确定一个适宜的底物浓度范围。通常底物浓度在通常底物浓度在510Km。要防止高浓度底物的抑制作用。要防止高浓度底物的抑制作用。4、酶浓度的确定与调节控制、酶浓度的确定与调节控制综合考虑反应速度和成本，确定一个适综合考虑反应速度和成本，确定一个适宜的酶浓度。宜的酶浓度。对连续式固定化酶反应器应具备添加或对连续式固定化酶反应器应具备添加或更换酶的装置，而且要求这些装置的结更换酶的装置，而且要求这些装置的结构简单、操作容易。构简单、操作容易。保证酶与底物混合均匀，使酶分子与底物分保证酶与底物混合均匀，使酶分子与底物分子能够进行有效碰撞，进而互相结合进行催子能够进行有效
37、碰撞，进而互相结合进行催化反应。化反应。首先要在试验的基础上确定适宜的搅拌速度首先要在试验的基础上确定适宜的搅拌速度，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。，并根据情况的变化进行搅拌速度的调节。搅拌速度过慢，会影响混合的均匀性；搅拌速度过慢，会影响混合的均匀性；搅拌过快，产生的剪切力会使酶的结构受搅拌过快，产生的剪切力会使酶的结构受到影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏到影响，尤其是会使固定化酶的结构破坏甚至破碎。甚至破碎。必须确定适宜的流动速度和流动状态（流必须确定适宜的流动速度和流动状态（流体速度、流量、进液管的方向和排布等）体速度、流量、进液管的方向和排布等），并根据变化的情况进行适当的调节
38、。，并根据变化的情况进行适当的调节。流化床反应器，通过控制进液口的流体流流化床反应器，通过控制进液口的流体流速和流量以及进液管的方向和排布等方法速和流量以及进液管的方向和排布等方法，加以调节。，加以调节。填充床式反应器，必须选择好适宜流速。填充床式反应器，必须选择好适宜流速。膜反应器膜反应器，采用适当的速度搅拌，使粘附，采用适当的速度搅拌，使粘附在膜表面的固形物和大分子物质离开膜表在膜表面的固形物和大分子物质离开膜表面，还可以通过控制流动速度和流动状态面，还可以通过控制流动速度和流动状态，使反应液混合均匀，减少浓差极化现象，使反应液混合均匀，减少浓差极化现象的发生。的发生。喷射式反应器喷射式反
39、应器，可以控制蒸汽压力和喷射，可以控制蒸汽压力和喷射速度进行调节。速度进行调节。二、酶反应器操作的注意事项二、酶反应器操作的注意事项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在酶反应器的应用过程中，尽量保持操作的稳在酶反应器的应用过程中，尽量保持操作的稳定性，以定性，以避免反应条件的激烈波动避免反应条件的激烈波动。搅拌罐式反应器，尽量保持搅拌速度的稳定；搅拌罐式反应器，尽量保持搅拌速度的稳定；连续式反应器，尽量保持流速的稳定，流进的连续式反应器，尽量保持流速的稳定，流进的底物浓度和流出的产物浓度不要变化太大；底物浓度和流出的产物浓度不要变化太大；填充床式反应器，防止固定化酶的破碎、
40、挤压填充床式反应器，防止固定化酶的破碎、挤压而产生的阻塞现象发生；而产生的阻塞现象发生；膜反应器，要防止浓差极化而产生的膜膜反应器，要防止浓差极化而产生的膜孔阻塞现象。孔阻塞现象。反应过程，尽量保持反应温度、反应液反应过程，尽量保持反应温度、反应液pH值等的稳定，不要波动太大，以保值等的稳定，不要波动太大，以保持反应器恒定的生产能力。持反应器恒定的生产能力。2、保持反应器中流体的流动方式和状态、保持反应器中流体的流动方式和状态尽量保持液体和气体的流动方式和状尽量保持液体和气体的流动方式和状态。态。流动方式和状态的改变，会影响底物流动方式和状态的改变，会影响底物、产物与酶的接触状态，从而影响催、
41、产物与酶的接触状态，从而影响催化反应的速度。化反应的速度。特别注意防止酶的变性失活。特别注意防止酶的变性失活。影响因素主要有温度、影响因素主要有温度、pH、重金属离子以及、重金属离子以及剪切力等。剪切力等。除了某些耐高温的酶以外，通常酶的催化除了某些耐高温的酶以外，通常酶的催化反应在反应在60以下进行；以下进行；除了某些特别耐酸碱的酶以外，通常酶在除了某些特别耐酸碱的酶以外，通常酶在pH4-9的条件下进行；的条件下进行；重金属离子例如铅离子（重金属离子例如铅离子（Pb2+）、汞离子）、汞离子（Hg2+）等会与酶分子结合而引起酶的不）等会与酶分子结合而引起酶的不可逆变性。可逆变性。4、防止微生物
42、的污染、防止微生物的污染在应用酶反应器进行催化反应过程中，由于在应用酶反应器进行催化反应过程中，由于酶的作用底物或反应产物往往只有一二种，酶的作用底物或反应产物往往只有一二种，一般情况下不具备微生物生长、繁殖的基本一般情况下不具备微生物生长、繁殖的基本条件，在进行操作时，一般不必在严格的无条件，在进行操作时，一般不必在严格的无菌条件下进行操作，然而并不意味着不必防菌条件下进行操作，然而并不意味着不必防止微生物污染。止微生物污染。不同酶的催化反应，由于底物、产物和催化不同酶的催化反应，由于底物、产物和催化条件各不相同，在催化过程中受到微生物污条件各不相同，在催化过程中受到微生物污染的可能性有很大
43、差别。染的可能性有很大差别。一些酶催化的底物或产物对微生物的生长、一些酶催化的底物或产物对微生物的生长、繁殖有繁殖有抑制作用抑制作用，受微生物污染的情况较少，受微生物污染的情况较少有些酶催化反应有些酶催化反应温度较高温度较高，微生物无法生长，微生物无法生长有些酶催化反应的有些酶催化反应的pH较高或较低较高或较低，对微生物，对微生物有抑制作用。有抑制作用。有些酶可以在有些酶可以在非水介质非水介质中进行催化反应，微中进行催化反应，微生物难于生长繁殖，污染的可能性甚微。生物难于生长繁殖，污染的可能性甚微。而有些酶催化反应的底物或产物是微生物生而有些酶催化反应的底物或产物是微生物生长、繁殖的长、繁殖的
44、营养物质营养物质，在反应过程中或者在，在反应过程中或者在反应结束后，在适合微生物生长繁殖的条件反应结束后，在适合微生物生长繁殖的条件下，必须注意防止微生物的污染。下，必须注意防止微生物的污染。酶反应器的操作必须符合必要的卫生条酶反应器的操作必须符合必要的卫生条件，尤其是在生产药用或食用产品时，件，尤其是在生产药用或食用产品时，卫生条件要求较高，应尽量避免微生物卫生条件要求较高，应尽量避免微生物的污染。的污染。在酶反应器的操作过程中，防止微生物污染在酶反应器的操作过程中，防止微生物污染的的主要措施主要措施有：有：保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要保证生产环境的清洁、卫生，要求符合必要的卫生条
45、件。的卫生条件。反应器在使用前，都要进行清洗和适当的消反应器在使用前，都要进行清洗和适当的消毒处理。毒处理。在反应器的操作过程中，要严格管理，经常在反应器的操作过程中，要严格管理，经常检测，避免微生物污染。检测，避免微生物污染。必要时，在反应液中适当添加对酶催化反必要时，在反应液中适当添加对酶催化反应和产品质量无不良影响而又可以杀灭或应和产品质量无不良影响而又可以杀灭或抑制微生物生长的物质，以防止微生物的抑制微生物生长的物质，以防止微生物的污染。污染。在不影响酶催化活性的前提下，选择在较在不影响酶催化活性的前提下，选择在较高的温度（高的温度（45以上），较高或较低的以上），较高或较低的pH条件
46、下进行操作，以防止微生物污染。条件下进行操作，以防止微生物污染。生物酶反应器生物酶反应器系列描述系列描述:采用机械上搅拌机构，玻璃罐体（全容积采用机械上搅拌机构，玻璃罐体（全容积10L以上采用以上采用316L不锈钢罐体不锈钢罐体+玻璃视镜），带不锈钢滤网的底部出料阀，操作方便。控制系统可采用玻璃视镜），带不锈钢滤网的底部出料阀，操作方便。控制系统可采用BIOTECH-2020模块控制器，自由组合，简单方便；也可采用单回路控制器控制模块控制器，自由组合，简单方便；也可采用单回路控制器控制温度、转速，转子流量计控制空气流量。配备一台温度、转速，转子流量计控制空气流量。配备一台“带时间控制的蠕动泵带
47、时间控制的蠕动泵”。可。可控制时间区间：控制时间区间：099秒或秒或099分。可增加分。可增加pH、DO等控制模块。等控制模块。1.基本系统基本系统1)全容积：全容积：2/3/5/7/10/20升（或用户指定体积）升（或用户指定体积）2)拌速度：拌速度：0-10005rpm3)温度控制：温度控制：(冷却水冷却水+5)-50.00.2（电加热（电加热,PID开关控制）开关控制）4)通气流量：通气流量：0-罐体全容积罐体全容积/min(转子流量计，转子流量计，)5)补料：补料：(一台蠕动泵时间比例开关控制一台蠕动泵时间比例开关控制)6)消毒方式：灭菌锅消毒方式：灭菌锅7)电源：电源：220AC/1
48、kw2.可扩展可扩展1）pH控制：控制：2.00-12.000.05pH（梅特勒电极（梅特勒电极,酸碱双向，酸碱双向，PID开关控制。开关控制。）2）溶解氧：）溶解氧：0-1503%,显示精度显示精度0.1%（梅特勒电极，（梅特勒电极，）3）泡沫：（电极检测）泡沫：（电极检测,一台蠕动泵时间比例开关控制）一台蠕动泵时间比例开关控制）4）空气流量、罐压、液位检测控制）空气流量、罐压、液位检测控制5）排气）排气O2、CO2检测检测6）可增加两路补料）可增加两路补料7）可增加电子天平称重系统）可增加电子天平称重系统 http:/ 目前工业上大规模应用的酶，仅限于水目前工业上大规模应用的酶，仅限于水解
49、酶和异构酶两大类中的某些酶，而且解酶和异构酶两大类中的某些酶，而且大多是单酶系统。大多是单酶系统。为了适应酶的开发利用的需要，酶反应为了适应酶的开发利用的需要，酶反应器的研制也在提高层次。目前，全世界器的研制也在提高层次。目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。术将在各行各业得到更为广泛的应用。从第二代酶反应器的研制来看，主要包从第二代酶反应器的研制来看，主要包括以下三种类型：括以下三种类型：含辅因子的酶反应器；含辅因子的酶反应器；多相或两相反应器；多相或两相反应器；固定化多酶反应器。固定化多酶反应器。其中多相反应器在近几年来进展较快，其中多相反应器在近几年来进展较快，例如可利用脂肪酶的特点来合成具有重例如可利用脂肪酶的特点来合成具有重要医疗价值的大环内酯和光学聚酯。要医疗价值的大环内酯和光学聚酯。
