第八章 酶反应器

用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。

第一节 酶反应器的类型按照结构不同可分为：

搅拌罐式反应器 (stirred tank reactor,STR)

鼓泡式反应器 (bubble column reactor,BCR)

填充床式反应器 (packed column reactor,PCR)

流化床式反应器 (fluidized bed reactor,FBR)

膜反应器 (membrane reactor)

喷射式反应器

一、搅拌罐式反应器由反应罐、搅拌器和保温装置组成。

1、分批搅拌罐式反应器

发酵罐优点：设备简单，操作容易，酶与底物混合均匀， 传质阻力小，反应较完全，反应条件易于调节控制。

缺点：用于游离酶，酶难以回收。

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。

2、连续搅拌罐式反应器只适用于固定化酶的催化反应。

底物溶液进口

反应液出口

优点：设备简单，操作方便，反应条件易于调节控制，底物与固定化酶接触较好，传质阻力低，反应器利用率较高。需注意控制好搅拌速度。

底物溶液进口

反应产物出口

固定化酶

二、填充床式反应器

把催化剂填充在填充床（固定床）中的反应器叫做填充床型反应器。

这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器，它具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、容易放大、剪切力小、催化效率高等优点，特别适合于存在底物抑制的催化反应。

但也存在下列缺点：①温度和 pH值难控制；②底物和产物会产生轴向分布易引起相应的酶失活程度也呈轴向分布；③更换部分催化剂相当麻烦；④柱内压降相当大，底物必须加压后才能进人。⑤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。

三、流化床反应器

固定化酶

反应产物出口

底物溶液进口

适用于固定化酶进行连续催化。但固定化酶颗粒不应过大，同时应具有较高的强度。在操作时需注意控制好底物溶液和反应液的流动速度。

优点：混合均匀，传质和传热效果好，温度和 pH值易于调节控制，不易堵塞，对黏度较大的反应液也可进行催化，能处理粉状底物、压降较小，也很适合于需要排气供气的反应。缺点：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，流体动力学变化较大，参数复杂，放大较为困难。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，如用于水解牛乳中的蛋白质。 

反应液出口

排气口

进气口

底物溶液进口

空气分布器

可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。

可以用于连续反应，也可用于分批反应。

结构简单、操作方便，剪切力小，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。

四、鼓泡式反应器

五、膜反应器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。可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。

中空纤维反应器

优：集反应与分离于一体，利于连续化生产。缺：经过长时间使用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，造成膜透过性降低，而且清洗困难。

包括了用固定化酶膜组装的平板状或螺旋卷型反应器、转盘反应器和空心酶管、中空纤维膜反应器等。平板状和螺旋卷型反应器具有压降小放大容易等优点，但反应器内单位体积催化剂的有效面积较小。空心酶管反应器主要与自动分析仪等组装，用于定量分析。转盘反应器又可细分为立式和卧式两种，主要多于废水处理装置，其中卧式反应器由于液体的上部接触空气可以吸氧，适用于需氧反应。中空纤维反应器则是由数根醋酸纤维素制成的中空纤维构成，其内层紧密光滑，具有一定的分子量截留值，可截留大分子物质，而允许不同的小分子量物质通过；外层则是多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵支持层中。这种反应器不仅能承受 68个标准大气压以上的压力而且还具有高的聪装填密度，具有很好的工业应片前景。

游离酶膜反应器

优点：酶可以回收循环使用，可以降低甚至消除产物引起的抑制作用（产物连续排出）。缺点：酶和杂质易于吸附在膜上，从而影响分离速度和分离效果。

六、喷射式反应器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。

适用于耐高温游离酶的连续催化反应。

一、根据酶的应用形式选择反应器

（一）游离酶反应器的选择1、搅拌罐式反应器最常用

2、有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器

3、价格较高的酶，为了能够回收，可采用游离酶膜反应器

4、耐高温的酶，可采用喷射式反应器

第二节 酶反应器的选择

（二）固定化酶反应器的选择根据固定化酶的形状、颗粒大小和稳定性进行选择。为了提高催化效率，通常采用连续反应器。搅拌罐式反应器不适用于机械强度较差的固定化酶。

采用填充床反应器时应注意控制好反应器的高度。

采用流化床反应器时，固定化酶的颗粒不能太大，密度要与反应液的密度相当，而且要有较高的强度。

有气体参与的酶催化反应，通常采用鼓泡式反应器。平板状、直管状、螺旋管状固定化酶一般采用膜反应器。

二、根据酶反应动力学性质选择反应器

底物、酶、产物以及酶催化作用的温度条件

酶与底物结合——搅拌罐式反应器、流化床式反应器高浓度底物抑制——流加分批搅拌罐式反应器、游离酶膜反应器、流化床式反应器、填充床式反应器、膜反应器。反馈抑制——膜反应器、填充床式反应器耐高温——喷射式反应器

三、根据底物或产物的理化性质选择反应器分子量、溶解度、黏度

底物或产物分子量较大时，一般不采用膜反应器。底物或产物溶解度低、黏度较高时，应选择搅拌罐式反应器或流化床式反应器，而不应采用填充床式反应器和膜反应器。底物为气体时，通常采用鼓泡式反应器需要小分子物质作为辅酶的酶催化反应，通常不用膜反应器反应器应能适用于多种酶的催化反应，能够满足催化反应的各种条件，并可进行调节反应器应结构简单，操作方便，易于维护和清洗反应器应制造成本及运行成本低

第三节 酶反应器的设计

一、确定酶反应器的类型

二、确定酶反应器的制造材料

三、进行热量衡算根据热水的温度和使用量计算。

四、进行物料衡算

（一）酶反应动力学参数的确定

底物浓度、酶浓度、最适温度、最适pH 值、激活剂浓度

（二）计算底物用量

P （ kg/ 年） =Pd （ kg /d ） × 300 分批反应器

=Ph （ kg/h ） × 300 ×24 连续反应器产物转化率： YP/S = P /S

P—— 生成的产物量（ k g ， g ）

S —— 投入的底物量（ k g ， g ）

根据产品产量、产物转化率和收得率，计算所需底物用量。

反应副产物忽略不计，产物转化率：

YP/S =△[S] [S0] － [St ]=

[S0]

△[S]—— 反应前后底物浓度的变化 [S0]—— 反应前底物浓度（ g/L ）[St ]—— 反应后底物浓度（ g/L ）

产物转化率与反应条件、反应器性能和操作工艺有关。

[S0]

收得率（ R ）：分离得到的产物量与反应生成的产物量的比值。

R=分离得到的产物量

反应生成的产物量的

收得率主要取决于分离纯化技术及其工艺条件。

底物用量：

S=P

YP/S R（ kg ）

S—— 所需的底物用量（ k g ， g ）P—— 反应产物的产量（ k g ， g ） YP/S —— 产物转化率（% ） R—— 产物收得率（ % ）分批反应器常采用日产量 Pd，连续反应器一般采用时产量 Ph

（三）计算反应液总体积

Vt=S

[S]（ L ）

Vt—— 反应液总体积（ L ）S—— 底物用量（ L ）[S]—— 反应前底物浓度（ g/L ）

（四）计算酶用量

E=[E].Vt （ U ）

E—— 所需的酶量（ U ） [E]—— 酶浓度（ U/L ） Vt —— 反应液体积（ L ）

（五）计算反应器数目

一般反应器的有效体积为反应器总体积的70%~80%。

N=Vd

V0

t

24×

N—— 反应器数目（个）Vd—— 每天获得的反应液总体积（ L/d ）V0 —— 单个反应器的有效体积（ L ）

t —— 底物在反应器中的停留时间（ h ）

对于分批反应器，可以根据每天获得的反应液的总体积、单个反应器的有效体积和底物在反应器内的停留时间，计算所需反应器数目。

（个）

对于连续反应器，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反应器内的停留时间，计算反应器数目。

N=Vh

V0

× t （个）

N—— 反应器数目（个）Vh—— 每小时获得的反应液总体积（ L/d ）V0 —— 单个反应器的有效体积（ L ）

t —— 底物在反应器中的停留时间（ h ）

连续反应器还可以根据生产强度计算反应器的数目。反应器的生产强度指反应器每小时每升反应液所产生的产物克数。

Qp=Ph

V0

=V0

Vh.[P]

（ g/L. h ）

Qp——反应器的生产强度（  g/L. h ）Ph ——每小时获得的产物量（  g/h ）V0 ——每个反应器的有效体积（  L ）Vh ——每小时获得的反应液体积（  L /h ）[P] ——产物浓度（ g/L）

N= （个）Qp × t

[P]

N—— 反应器数目（个）[P]—— 反应液总中所含的产物浓度（ g/L ）t —— 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的关系如下：

第四节 酶反应器的操作

一、酶反应器操作条件的确定及其调控1、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温度。

夹套、列管等换热装置。水或蒸汽

2、 pH值的确定与调节控制

3、底物浓度的确定与调节控制

通常底物浓度在 5~10Km

4、酶浓度的确定与调节控制

综合考虑速度、成本，确定一个适宜的酶浓度。

连续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构简单、操作容易。

5、搅拌速度的确定与调节控制

6、流动速度的确定与调节控制

控制流动速度和流动状态（流体速度、流量、、进液管的方向和排布），并根据变化的情况进行适当的调节。

酶与底物混合、酶、生产效率

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

搅拌速度、流速、反应温度、反应液 pH值

2、防止酶变性失活

温度、 pH值、重金属离子、剪切力

3、防止微生物污染

一般不必在严格的无菌条件下进行操作，但必须符合必要的卫生条件。

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