1、1,固定化酶反應器的基本設計方程,固定化酶反應器: 攪拌罐式,、固定床、膜式反應器、流化床式，鼓泡塔式等。 固定化酶反應器的選型和設計考慮的因素很多； 催化劑的形狀與大小 催化劑的機械強度及密度 反應操作上的要求（如pH是否可以控制） 對付雜菌污染的措施 反應動力學方程的類型 底物（溶液）的性質 催化劑再生、更新的難易程度 傳質特性 反應器制造費用和運轉成本。,(四),2,(四)固定化酶反應器的基本設計方程,、連續(xù)攪拌罐固定化酶反應器,空時eV/qv,空隙率,液體體積除以液固體積,h: 固定化酶的有效因子;有擴散影響時的實際反應速率與無擴散影響的反應速率之比,若酶的反應動力學符合米氏方程,可得

2、:,3,2、固定床反應器的設計方程 固定床的填充層由流動相和固定相即填料相構成，流體在顆粒之間的空隙中流過。理想情況下，固定床為平推流反應器。但實際情況下，因為軸向和徑向的擴散效應及流體流動可能不是層流而是湍流或渦流，從而造成流動狀態(tài)很復雜,這里只考慮理想狀態(tài)：,固定床反應器的基本設計方程,若動力學符合米氏方程：,3、兩種理想的連續(xù)固定化酶反應器-（連續(xù)攪拌罐式）和PFR(固定床式)的效率比較,連續(xù)反應器的效率可通過的t值來比較 t越小，反應器的效率越高可見，若固定化酶的裝填量和空隙率相等，則PFR的比CSTR的小的多，也就是說PFR的效率要高,CSTR,PFR,5,理想反應器CSTR和PFR

3、的中底物和產物的濃度分布比較,當酶反應的動力學符合米氏方程時，酶反應速率與底物的濃度成正相關，即底物濃度越大，反應速率越大,因此這時采用PFR要好于CSTR，因為在PFR中底物的平均濃度大于在CSTR中的平均濃度。 當酶反應動力學具有底物抑制時，在底物抑制區(qū)，底物濃度越大，反應速率越小，這時采用CSTR好于PFR。 同理，當酶反應動力學具有產物抑制時， PFR好于CSTR。,6,如果兩種反應器的e和t相同，且固定化酶的本征速率服從米氏方程。h=1時：,4、達到同樣反應效率時，兩種理想反應器所需酶量的比較。,反應器內的總酶量：,如果兩種反應器的e和t相同，且固定化酶的本征速率服從米氏方程。h=1

4、時：顯然， CSTR要比PFR需要的酶多得多，也就是說，這兩種反應器效率相同時（t相等），要想達到相同的轉化率c，要么提高酶在固定化顆粒中的濃度，要么增加固定化酶顆粒的填充率。二者所需總酶量之比與反應級數(shù)有關，一級反應（ ）時最大，零級反應（ ）時最小。,7,兩種理想反應器用酶量的比較,1.0,0.1,0.01,空時相同時，兩種理想反應器的總酶量之比與轉化率的關系曲線,反應極數(shù),X,8,第四節(jié) 酶反應器的操作,酶工程的主要任務：充分發(fā)揮酶的催化功能。 一、酶反應器操作條件的確定及其調控 溫度 pH 底物濃度 酶濃度 反應液的混合與流動,9,1、 反應溫度的確定與調節(jié)控制 反應溫度的確定：根據(jù)酶

5、的動力學特性，確定最適溫度，在實驗室（小試）中確定。與酶的種類，酶的形式等有關。 溫度的調控： A、一般酶反應器中均設計、安裝有夾套或列管等換熱裝置，通入一定溫度（熱量平衡求出）的水，通過熱交換作用，保持反應溫度在一定的范圍內。 B、噴射式反應器，通過控制水蒸氣的壓力，控制溫度。,10,2 、pH值的確定與調節(jié)控制 pH值的確定：根據(jù)酶的動力學特性，確定最適pH值。 pH值的調控： A、分批式反應器：通常在加入酶液前，用稀酸或稀堿調節(jié) B、連續(xù)式反應器：將調好pH值的底物溶液連續(xù)加到反應器中。 C、對于反應前后pH值變化大的，必須在反應過程中調節(jié)pH值。 pH值的調控所用試劑：通常用稀酸或稀堿

6、，必要時可用緩沖溶液。,11,3、 底物濃度的確定與調節(jié)控制 底物濃度的確定（米氏方程）：在底物濃度較低的情況下，酶催化反應速度與底物濃度成正比。通常底物濃度應達到510Km。 底物濃度的調節(jié)控制： A、分批式反應器： 一般程序：先加一定濃度的底物溶液，調好pH，升溫到最適反應溫度，然后再加入酶。 逐步流加底物的方法（底物抑制或底物對酶活有害） B、連續(xù)式反應器：一定濃度的底物溶液連續(xù)加進反應器進行反應，反應液連續(xù)排出。,12,4、 酶濃度的確定與調節(jié) 酶濃度的確定：綜合考慮反應速度和成本，確定一個適宜的酶濃度。 酶濃度的調節(jié)：酶在使用過程中必有部分失活，為保持一定的酶濃度，連續(xù)式固定化酶反應

7、器應具備添加或更換酶的裝置。,13,5 攪拌速度的確定與調節(jié) 攪拌的作用 酶與底物充分混合，接觸。 減少傳質(固定化酶：外擴散的限制)的影響 溫度,pH等分布均勻。 固定化酶的穩(wěn)定性（剪切力破壞） 攪拌速度的確定：要在實驗的基礎上確定適宜的攪拌速度，并根據(jù)情況的變化進行攪拌速度的調節(jié)。 攪拌速度的調節(jié)：在攪拌罐式反應器和游離酶膜式反應器中，都設計安裝有攪拌裝置，通過適當?shù)臄嚢鑼崿F(xiàn)均勻的混合。,14,6 流體流動速度的確定與調節(jié)控制 連續(xù)式反應器，流體流動速度決定了反應時間 填充床酶反應器，溶液的流動實現(xiàn)酶與底物的混合和催化，流動速度是個關鍵。 流化床式反應器：通過控制進液口的流體流速和流量以及

8、進液管的方向和排布等方法，調節(jié)流動速度，以保證混合均勻，并且不會影響酶的催化。 噴射式反應器：通過控制蒸汽壓力和噴射速度進行調節(jié)，控制混合均勻及反應時間。,15,填充床反應器：底物溶液的流動速度更重要。 決定酶與底物的接觸時間，也就是反應時間 流速慢，底物在反應器的保留時間長，反應越完全。產物的轉化率高，但過長會降低生產效率低，反之，底物就會反應不完全。 溫度的分布 流速慢，溫度在反應器里分布不均勻，影響催化效果不均勻，產物分布也會不均勻，降低反應效率。 注意壓力降的加大速度。在填充床反應器中，床高及通過反應床的液流流速是決定壓降的主要因素。,16,二. 酶反應器的恒定生產能力的控制 1. 通

9、過控制反應器的流速可以對填充床反應器的恒定生產能力進行控制。 2. 通過增加溫度也可以維持產量恒定。在反應過程中，隨時間而出現(xiàn)的酶活性損失將為較高溫度下酶活性增加所補償。 反應器可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)。串聯(lián)操作要酶能充分利用，但操作中的壓降和壓縮問題較大。并聯(lián)有最好的操作適應性。每個反應器基本上可以單獨操作。每個單元能很方便地加入或離開運轉系統(tǒng)。 實際生產中的狀態(tài)主要是取決于：各種相互關聯(lián)的運轉參數(shù)的含量，固定化載體成本。底物通過反應器的流速。固定化細胞或固定化酶的活性和穩(wěn)定性。,17,二、酶反應器操作的注意事項 1、保持酶反應器的操作穩(wěn)定性 攪拌速度不要時快時慢. 在連續(xù)式反應器的操作中，要保

10、持流速的穩(wěn)定，并保持流進的底物濃度和流出的產物濃度不要變化太大。 反應溫度、pH盡量保持穩(wěn)定，以保持反應器的恒定生產能力,最終產品質量的穩(wěn)定性。,18,2、防止酶的變性失活 引起酶變性失活的因素主要有溫度、pH、重金屬離子以及剪切力等。 溫度:溫度過高會加速酶的變性失活，縮短酶的半衰期和使用時間。酶反應器的操作溫度不宜過高，通常在等于或者低于酶催化最適溫度的條件下進行。 pH過高過低都對催化不利，甚至引起酶的失活。所以要嚴格控制，操作過程中，加稀酸或稀堿時要緩慢而且要一邊攪拌，防止局部的過酸或過堿而引起酶的變性失活。,19,重金屬離子：與酶結合而引起酶的不可逆變性。操作中要避免重金屬離子的進入，對于原料或反應器系統(tǒng)中帶進的重金屬離子造成的不利影響，可加入適量的EDTA等金屬螯合劑，去除重金屬離子。 剪切力的破壞。 為防止酶的變性失活，在操作過程中，可以添加某些保護劑