第八章酶反應(yīng)器to學(xué)生

1、第八章 生物反應(yīng)器2什么是酶反應(yīng)器什么是酶反應(yīng)器? ?酶和固定化酶在體外進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，都必需在一定的酶和固定化酶在體外進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，都必需在一定的反應(yīng)容器中進(jìn)行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催反應(yīng)容器中進(jìn)行，以便控制酶催化反應(yīng)的各種條件和催化反應(yīng)的速度?；磻?yīng)的速度。用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。用于酶進(jìn)行催化反應(yīng)的容器及其附屬設(shè)備稱為酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反酶反應(yīng)器是用于完成酶促反應(yīng)的核心裝置。它為酶催化反應(yīng)提供應(yīng)提供合適的場(chǎng)所和最佳的反應(yīng)條件合適的場(chǎng)所和最佳的反應(yīng)條件，以便在酶的催化下，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地

2、轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)使底物（原料）最大限度地轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物。它處于酶催化應(yīng)過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。過程的中心地位，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。3n生物反應(yīng)器具有中心的作用生物反應(yīng)器具有中心的作用，它是連接原料和產(chǎn)物的橋，它是連接原料和產(chǎn)物的橋梁，也是多種學(xué)科的交叉點(diǎn)。梁，也是多種學(xué)科的交叉點(diǎn)。n生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，就是生物工程中一個(gè)極其重，就是生物工程中一個(gè)極其重要的問題，它對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有著很大影響。要的問題，它對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有著很大影響。4生物反應(yīng)器的特點(diǎn)生物反應(yīng)器的特點(diǎn)n酶促反應(yīng)器：酶促反應(yīng)器：利用生物催化劑進(jìn)行一步或幾步催化反應(yīng)，利用生物

3、催化劑進(jìn)行一步或幾步催化反應(yīng)，游離或固定化酶（細(xì)胞），簡(jiǎn)單，與一般的化學(xué)反應(yīng)器游離或固定化酶（細(xì)胞），簡(jiǎn)單，與一般的化學(xué)反應(yīng)器無(wú)大的區(qū)別。無(wú)大的區(qū)別。n細(xì)胞生物反應(yīng)器：細(xì)胞生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)過程中，活細(xì)胞（微生物、生物反應(yīng)過程中，活細(xì)胞（微生物、動(dòng)植物細(xì)胞）的生長(zhǎng)、代謝或者同時(shí)復(fù)雜酶系統(tǒng)的生物動(dòng)植物細(xì)胞）的生長(zhǎng)、代謝或者同時(shí)復(fù)雜酶系統(tǒng)的生物催化轉(zhuǎn)化，發(fā)酵罐。生物反應(yīng)復(fù)雜，細(xì)胞中精確調(diào)控的催化轉(zhuǎn)化，發(fā)酵罐。生物反應(yīng)復(fù)雜，細(xì)胞中精確調(diào)控的酶系進(jìn)行的催化反應(yīng)。酶系進(jìn)行的催化反應(yīng)。n生物反應(yīng)器的作用：生物反應(yīng)器的作用：為生物催化反應(yīng)與細(xì)胞代謝提供一為生物催化反應(yīng)與細(xì)胞代謝提供一個(gè)適宜的物理及化學(xué)環(huán)境

4、，使反應(yīng)效率更高，細(xì)胞生長(zhǎng)個(gè)適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使反應(yīng)效率更高，細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝更快更好，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物更多。與代謝更快更好，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物更多。n發(fā)酵罐與酶促反應(yīng)器的主要區(qū)別：發(fā)酵罐與酶促反應(yīng)器的主要區(qū)別：生物反應(yīng)速率較慢，體積反應(yīng)速率不高，反應(yīng)器大。生物反應(yīng)速率較慢，體積反應(yīng)速率不高，反應(yīng)器大。對(duì)好氧過程，通風(fēng)和混合要求，動(dòng)力消耗較大，產(chǎn)物濃對(duì)好氧過程，通風(fēng)和混合要求，動(dòng)力消耗較大，產(chǎn)物濃度低。度低。杜絕雜菌污染杜絕雜菌污染5優(yōu)良的反應(yīng)器應(yīng)具備：優(yōu)良的反應(yīng)器應(yīng)具備：n嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)；嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)；n良好的液體混合性能良好的液體混合性能n高效的傳質(zhì)、傳熱性能；高效的傳質(zhì)、傳熱性能；n配套而又可靠的

5、檢測(cè)和控制儀表。配套而又可靠的檢測(cè)和控制儀表。n判斷的標(biāo)準(zhǔn)：判斷的標(biāo)準(zhǔn)：能否適合催化工藝要求，最大能否適合催化工藝要求，最大生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率。6生物反應(yīng)器的分類生物反應(yīng)器的分類n按幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征劃分：按幾何形狀或結(jié)構(gòu)特征劃分：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等釜（罐）式、管式、塔式、膜式等管式、膜式用于連續(xù)操作。管式、膜式用于連續(xù)操作。直徑較大、縱向較短的管式成為塔式反應(yīng)直徑較大、縱向較短的管式成為塔式反應(yīng)器。器。n按催化劑類型或培養(yǎng)對(duì)象劃分：按催化劑類型或培養(yǎng)對(duì)象劃分：酶促反應(yīng)器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細(xì)胞酶促反應(yīng)器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器。反應(yīng)器、動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器

6、。7n游離酶反應(yīng)器游離酶反應(yīng)器：考慮使用目的、反應(yīng)形式、：考慮使用目的、反應(yīng)形式、底物濃度、反應(yīng)速率、物質(zhì)傳遞、反應(yīng)器制底物濃度、反應(yīng)速率、物質(zhì)傳遞、反應(yīng)器制造和運(yùn)轉(zhuǎn)成本及操作難易等因素，采用一般造和運(yùn)轉(zhuǎn)成本及操作難易等因素，采用一般化學(xué)反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)器，n固定化酶促反應(yīng)器：固定化酶促反應(yīng)器：還要考慮固定化酶的形還要考慮固定化酶的形狀（顆粒、纖維、膜）、大小、機(jī)械強(qiáng)度、狀（顆粒、纖維、膜）、大小、機(jī)械強(qiáng)度、密度和再生難易，操作上的要求（如密度和再生難易，操作上的要求（如pHpH、供、供養(yǎng)、雜菌污染），反應(yīng)動(dòng)力學(xué)形式，和物質(zhì)養(yǎng)、雜菌污染），反應(yīng)動(dòng)力學(xué)形式，和物質(zhì)傳遞特性，內(nèi)外擴(kuò)散、底物性質(zhì)、催

7、化劑的傳遞特性，內(nèi)外擴(kuò)散、底物性質(zhì)、催化劑的表面與反應(yīng)器的體積的比值等。表面與反應(yīng)器的體積的比值等。n如：如：顆粒狀固定化酶，機(jī)械強(qiáng)度（凝膠包埋、顆粒狀固定化酶，機(jī)械強(qiáng)度（凝膠包埋、微囊酶）、機(jī)械攪拌的剪切、耐壓縮性（安微囊酶）、機(jī)械攪拌的剪切、耐壓縮性（安裝篩板）裝篩板）8n按供氧劃分：按供氧劃分：好氧反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器好氧反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器厭氧反應(yīng)及產(chǎn)品：乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇、乳酸、厭氧反應(yīng)及產(chǎn)品：乙醇、丙酮、丁醇、丙二醇、乳酸、沼氣。沼氣。低溶解度氧，不斷進(jìn)行通氣和攪拌，保持培養(yǎng)液懸浮，低溶解度氧，不斷進(jìn)行通氣和攪拌，保持培養(yǎng)液懸浮，促進(jìn)發(fā)酵熱散發(fā)。促進(jìn)發(fā)酵熱散發(fā)。n根據(jù)反應(yīng)器所需的

8、混合方式與能量輸入方式劃分：根據(jù)反應(yīng)器所需的混合方式與能量輸入方式劃分：機(jī)械攪拌輸入能量的攪拌型反應(yīng)器、機(jī)械攪拌輸入能量的攪拌型反應(yīng)器、利用氣體噴射動(dòng)能的氣升式反應(yīng)器、利用氣體噴射動(dòng)能的氣升式反應(yīng)器、利用泵對(duì)液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式反應(yīng)利用泵對(duì)液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式反應(yīng)器。器。n根據(jù)反應(yīng)器的操作方式劃分：根據(jù)反應(yīng)器的操作方式劃分：間歇式、連續(xù)式、半間歇式生物反應(yīng)器。間歇式、連續(xù)式、半間歇式生物反應(yīng)器。9p間歇式反應(yīng)器：間歇式反應(yīng)器：反應(yīng)物料一次性加入，反應(yīng)過程中，沒有底物的加入和產(chǎn)反應(yīng)物料一次性加入，反應(yīng)過程中，沒有底物的加入和產(chǎn)物的取出，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成隨反應(yīng)時(shí)間

9、的變化而變化，物的取出，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成隨反應(yīng)時(shí)間的變化而變化，非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程。n連續(xù)式反應(yīng)器：連續(xù)式反應(yīng)器：不斷補(bǔ)充底物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物不斷被稀釋而不斷補(bǔ)充底物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化或代謝產(chǎn)物不斷被稀釋而排除，催化過程連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，反應(yīng)期內(nèi)任何部位的物系排除，催化過程連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，反應(yīng)期內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時(shí)間變化而改變，組成均不隨時(shí)間變化而改變，穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程?？朔说孜锘驙I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被耗盡或產(chǎn)物代謝物積累抑制等缺克服了底物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被耗盡或產(chǎn)物代謝物積累抑制等缺點(diǎn)。但是連續(xù)反應(yīng)過程的操作和質(zhì)量控制有更高的要求。點(diǎn)。但是連續(xù)反應(yīng)過程的操作和質(zhì)量控制有更高的要求。n半連續(xù)反應(yīng)

10、器：半連續(xù)反應(yīng)器：將原料與部分產(chǎn)物連續(xù)輸入或輸出，其余分批加入和輸出。將原料與部分產(chǎn)物連續(xù)輸入或輸出，其余分批加入和輸出。具有上述兩種反應(yīng)器的特點(diǎn)。具有上述兩種反應(yīng)器的特點(diǎn)。10n根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的物料狀態(tài)劃分：根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的物料狀態(tài)劃分：液深層培養(yǎng)生物反應(yīng)器液深層培養(yǎng)生物反應(yīng)器固態(tài)培養(yǎng)生物反應(yīng)器。固態(tài)培養(yǎng)生物反應(yīng)器。n根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器。生物膜反應(yīng)器。n生物團(tuán)塊反應(yīng)器按催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為：生物團(tuán)塊反應(yīng)器按催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為：填充床、填充床、流化床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤。生物轉(zhuǎn)盤。11根據(jù)反應(yīng)物系在反

11、應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀態(tài)劃分態(tài)劃分：n全混流式：全混流式：反應(yīng)器內(nèi)濃度分布均勻。反應(yīng)器內(nèi)濃度分布均勻。n活塞流式：活塞流式：反應(yīng)液在反應(yīng)器徑向嚴(yán)格均一的速反應(yīng)液在反應(yīng)器徑向嚴(yán)格均一的速度分布，反應(yīng)速度僅隨空間位置不同而變化。度分布，反應(yīng)速度僅隨空間位置不同而變化。12生物反應(yīng)器的研究?jī)?nèi)容生物反應(yīng)器的研究?jī)?nèi)容n高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)嚴(yán)設(shè)備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、良好的液體混合性能和較高的三傳速率、密、良好的液體混合性能和較高的三傳速率、能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的檢能耗低、易于放大，具有配套而又可靠的檢測(cè)及控制儀表。測(cè)及控制儀

12、表。n評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器的好壞：評(píng)價(jià)生物反應(yīng)器的好壞：適合工藝，最大生適合工藝，最大生產(chǎn)效率。產(chǎn)效率。n研究和設(shè)計(jì)內(nèi)容：研究和設(shè)計(jì)內(nèi)容：按工藝選型；按反應(yīng)過程按工藝選型；按反應(yīng)過程物料衡算、傳質(zhì)傳熱計(jì)算；考慮無(wú)菌條件；物料衡算、傳質(zhì)傳熱計(jì)算；考慮無(wú)菌條件；設(shè)計(jì)必要的過程控制。設(shè)計(jì)必要的過程控制。13n生物反應(yīng)器中混合與傳熱：生物反應(yīng)器中混合與傳熱：n混合：混合：影響反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量傳遞，影響催化反應(yīng)影響反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量傳遞，影響催化反應(yīng)效果。效果。n混合方式：混合方式：氣流攪拌混合氣流攪拌混合機(jī)械攪拌混合：機(jī)械攪拌混合：n混合機(jī)制混合機(jī)制主體對(duì)流擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散、分子擴(kuò)散。主體對(duì)流擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散、分子擴(kuò)

13、散。作用范圍：主體作用范圍：主體 渦流渦流 分子分子宏觀流動(dòng)宏觀流動(dòng)( (粗略混合粗略混合) )微觀流動(dòng)微觀流動(dòng)微觀混合微觀混合(完全混合完全混合)14n理想的反應(yīng)器模型：理想的反應(yīng)器模型：n數(shù)學(xué)模型法：用模型的分析和計(jì)算代替實(shí)際數(shù)學(xué)模型法：用模型的分析和計(jì)算代替實(shí)際反應(yīng)器的分析和計(jì)算。反應(yīng)器的分析和計(jì)算。n平推流模型（平推流模型（無(wú)返混無(wú)返混）-活塞流（活塞流（CPFRCPFR）n全返混模型（全返混模型（全返混全返混）-全混式（全混式（CSTRCSTR） n軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型（軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型（介于無(wú)返混介于無(wú)返混和全返混之間和全返混之間）。）。CPFRCSTR15幾種常見

14、的反應(yīng)器幾種常見的反應(yīng)器n機(jī)械攪拌式生物反機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器應(yīng)器n結(jié)構(gòu)和功能16p機(jī)械攪拌反應(yīng)器的混合和攪拌機(jī)械攪拌反應(yīng)器的混合和攪拌軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)攪拌器的形式與攪拌流型：攪拌器的形式與攪拌流型：槳型：槳型：螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式.n螺旋槳：螺旋槳：軸向流動(dòng)為主，流體形成軸向的螺旋狀軸向流動(dòng)為主，流體形成軸向的螺旋狀運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：直徑小、轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)生的循環(huán)量大，直徑小、轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)生的循環(huán)量大，混合效果較好，但對(duì)氣泡非分散效果較差?；旌闲Ч^好，但對(duì)氣泡非分散效果較差。17希望以徑向液流為主，同時(shí)兼顧軸向翻動(dòng)。通用式發(fā)酵罐大希望

15、以徑向液流為主，同時(shí)兼顧軸向翻動(dòng)。通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器。多采用渦輪式攪拌器。n渦輪槳渦輪槳: :徑向流動(dòng)為主，徑向離心力，攪拌器中央帶徑向流動(dòng)為主，徑向離心力，攪拌器中央帶有圓盤，有圓盤，特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)流體的剪切力劇烈、葉片寬產(chǎn)生對(duì)流體的剪切力劇烈、葉片寬產(chǎn)生大的流體循環(huán)量，平葉、彎葉、箭葉。大的流體循環(huán)量，平葉、彎葉、箭葉。18n機(jī)械攪拌酶反應(yīng)器：機(jī)械攪拌酶反應(yīng)器：n間歇式間歇式BSTRBSTR、連續(xù)攪拌式、連續(xù)攪拌式CSTRCSTR：n敞口式敞口式CSTRCSTR便于更換固定化酶，易于控制，便于更換固定化酶，易于控制，能處理膠態(tài)和不溶性底物。能處理膠態(tài)和不溶性底物。19 連續(xù)流

16、攪拌桶反應(yīng)器連續(xù)流攪拌桶反應(yīng)器n連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器20鼓泡式和氣升式生物反應(yīng)器鼓泡式和氣升式生物反應(yīng)器n特點(diǎn)：特點(diǎn)：無(wú)機(jī)械攪拌、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氧無(wú)機(jī)械攪拌、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氧傳遞效率高、能耗低、安裝維修方傳遞效率高、能耗低、安裝維修方便等。便等。n鼓泡式反應(yīng)器：鼓泡式反應(yīng)器：空氣攪拌高位反應(yīng)空氣攪拌高位反應(yīng)器，器，n高徑比大的鼓泡為塔式反應(yīng)器，又高徑比大的鼓泡為塔式反應(yīng)器，又稱高位篩板式反應(yīng)器，稱高位篩板式反應(yīng)器， n多孔篩板的作用多孔篩板的作用21鼓泡式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌反應(yīng)器對(duì)比鼓泡式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌反應(yīng)器對(duì)比n鼓泡式優(yōu)點(diǎn)：鼓泡式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、動(dòng)力消耗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、動(dòng)力消耗小、沒有軸封不

17、造成染菌、對(duì)細(xì)胞剪切力小、小、沒有軸封不造成染菌、對(duì)細(xì)胞剪切力小、操作成本低、噪音小。操作成本低、噪音小。n鼓泡式缺點(diǎn)：鼓泡式缺點(diǎn)：反應(yīng)器很高、室外安裝、較大反應(yīng)器很高、室外安裝、較大壓力的壓縮空氣。壓力的壓縮空氣。n適用于適用于液體粘度低、固含量少、需氧量低的液體粘度低、固含量少、需氧量低的催化工程。低能耗下較高的氧傳遞效率。催化工程。低能耗下較高的氧傳遞效率。22環(huán)流反應(yīng)器環(huán)流反應(yīng)器n塔式反應(yīng)器，氣升環(huán)流塔式反應(yīng)器，氣升環(huán)流式和噴射環(huán)流式式和噴射環(huán)流式n氣升式環(huán)流反應(yīng)器：氣升式環(huán)流反應(yīng)器：內(nèi)內(nèi)環(huán)流式、外環(huán)流式環(huán)流式、外環(huán)流式.n特點(diǎn)：特點(diǎn)：氣體的上升力帶氣體的上升力帶動(dòng)流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)動(dòng)

18、流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)形成良好的混合，流動(dòng)形成良好的混合，供氧和傳熱較好。供氧和傳熱較好。23自吸式生物反應(yīng)器自吸式生物反應(yīng)器n類型：類型：機(jī)械攪拌自吸式、噴機(jī)械攪拌自吸式、噴射自吸式、溢流噴射自吸射自吸式、溢流噴射自吸式式.n不需要壓縮空氣壓縮機(jī)，利不需要壓縮空氣壓縮機(jī)，利用攪拌器旋轉(zhuǎn)等方式產(chǎn)生的用攪拌器旋轉(zhuǎn)等方式產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。抽吸力吸入空氣。n關(guān)鍵部件：關(guān)鍵部件：帶有中央吸氣口帶有中央吸氣口的攪拌器，攪拌器為空心葉的攪拌器，攪拌器為空心葉輪，攪拌器旋轉(zhuǎn)甩出液體，輪，攪拌器旋轉(zhuǎn)甩出液體，葉輪中心形成負(fù)壓。葉輪中心形成負(fù)壓。24優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械攪拌的抽吸作用自行引入空氣，氣液接機(jī)械攪拌

19、的抽吸作用自行引入空氣，氣液接觸良好、氣泡分散細(xì)、溶氧系數(shù)高、省去了壓縮機(jī)。觸良好、氣泡分散細(xì)、溶氧系數(shù)高、省去了壓縮機(jī)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：進(jìn)罐進(jìn)罐空氣為負(fù)壓、空氣為負(fù)壓、吸程不高、吸程不高、采用低阻力采用低阻力高效空氣除高效空氣除菌裝置。菌裝置。25固定床、流化床生物反應(yīng)器固定床、流化床生物反應(yīng)器n用于固定化酶、細(xì)胞用于固定化酶、細(xì)胞n固定床反應(yīng)器：固定床反應(yīng)器：塔式、塔式、管式，平推流反應(yīng)器管式，平推流反應(yīng)器n固定化酶：固定化酶：球形、蝶形、球形、蝶形、薄片、小珠狀薄片、小珠狀26n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：催化劑裝填：催化劑裝填密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、適用于易費(fèi)用低、適用于易磨損的固定化酶

20、、磨損的固定化酶、較高的產(chǎn)率（產(chǎn)物較高的產(chǎn)率（產(chǎn)物抑制體系）。抑制體系）。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：傳質(zhì)傳熱相傳質(zhì)傳熱相對(duì)較低，固定床顆對(duì)較低，固定床顆粒影響壓降和內(nèi)擴(kuò)粒影響壓降和內(nèi)擴(kuò)散阻力（顆粒盡可散阻力（顆粒盡可能均勻）、固體物能均勻）、固體物料不宜、料不宜、27n流化床反應(yīng)器：流化床反應(yīng)器：fludized bed reactor, FBRn特點(diǎn)：特點(diǎn)：流體與固體顆粒充流體與固體顆粒充分接觸，混合程度高、傳分接觸，混合程度高、傳熱傳質(zhì)好、適宜于粘性大熱傳質(zhì)好、適宜于粘性大和含固體物料。不適宜于和含固體物料。不適宜于產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。n新型流化床顆粒：新型流化床顆粒：固定化酶內(nèi)添加砂粒、

21、或固定化酶內(nèi)添加砂粒、或磁性物質(zhì)等，提高固相和液相的的密度差，磁性物質(zhì)等，提高固相和液相的的密度差，提高傳質(zhì)速率。提高傳質(zhì)速率。28膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器n膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)，膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)，membrane membrane bioreactor,MBRbioreactor,MBR, ,工程強(qiáng)化技術(shù)，依靠工程強(qiáng)化技術(shù)，依靠膜的功能改變反應(yīng)進(jìn)程，提高反應(yīng)效率。膜的功能改變反應(yīng)進(jìn)程，提高反應(yīng)效率。n膜的膜的4 4種主要功能：種主要功能：n載體功能：固定化載體，生物活性的功能膜載體功能：固定化載體，生物活性的功能膜n分離功能：膜的多孔性、膜與組分物理化學(xué)作用分

22、離功能：膜的多孔性、膜與組分物理化學(xué)作用的不同，選擇性透過不同物質(zhì)。的不同，選擇性透過不同物質(zhì)。n分隔功能：膜的兩個(gè)表面將系統(tǒng)分隔成相關(guān)聯(lián)的分隔功能：膜的兩個(gè)表面將系統(tǒng)分隔成相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)部分，可透過相關(guān)物質(zhì)。兩個(gè)部分，可透過相關(guān)物質(zhì)。n復(fù)合功能：依靠復(fù)合技術(shù)制備出幾層不同功能膜復(fù)合功能：依靠復(fù)合技術(shù)制備出幾層不同功能膜組成的復(fù)合膜。組成的復(fù)合膜。29 各種酶反應(yīng)器及其特點(diǎn)各種酶反應(yīng)器及其特點(diǎn)反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的操作方式適用的酶適用的酶特點(diǎn)特點(diǎn)攪拌罐式反應(yīng)器攪拌罐式反應(yīng)器分批式分批式, ,流加分批式流加分批式連續(xù)式連續(xù)式, ,游離酶游離酶固定化酶固定化酶反應(yīng)比較完全，反應(yīng)條反

23、應(yīng)比較完全，反應(yīng)條件容易調(diào)節(jié)控制。件容易調(diào)節(jié)控制。填充床式反應(yīng)器填充床式反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式固定化酶固定化酶密度大，可以提高酶催密度大，可以提高酶催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)化反應(yīng)的速度。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。生產(chǎn)中普遍使用。流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器分批式分批式流加分批式流加分批式連續(xù)式連續(xù)式固定化酶固定化酶流化床反應(yīng)器具有混合流化床反應(yīng)器具有混合均勻，傳質(zhì)和傳熱效果均勻，傳質(zhì)和傳熱效果好，溫度和好，溫度和pHpH值的調(diào)節(jié)值的調(diào)節(jié)控制比較容易，不易堵控制比較容易，不易堵塞，對(duì)粘度較大反應(yīng)液塞，對(duì)粘度較大反應(yīng)液也可進(jìn)行催化反應(yīng)。也可進(jìn)行催化反應(yīng)。30反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型適用的操作方式適用的操作方式適用的

24、酶適用的酶 特點(diǎn)特點(diǎn)鼓泡式反應(yīng)器鼓泡式反應(yīng)器分批式分批式流加分批式流加分批式連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操鼓泡式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，剪切力小，混合效果作容易，剪切力小，混合效果好，傳質(zhì)、傳熱效率高好，傳質(zhì)、傳熱效率高, ,適合于適合于有氣體參與的反應(yīng)。有氣體參與的反應(yīng)。膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶固定化酶固定化酶清洗比較困難清洗比較困難 噴射式反應(yīng)器噴射式反應(yīng)器連續(xù)式連續(xù)式游離酶游離酶通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與通入高壓噴射蒸汽，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催底物的混合，進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶化反應(yīng)，適用于某些耐高溫酶

25、的反應(yīng)的反應(yīng)31酶反應(yīng)器的選擇酶反應(yīng)器的選擇n考慮：酶形式、酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、底物考慮：酶形式、酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)等和產(chǎn)物的理化性質(zhì)等n反應(yīng)器盡可能具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、易反應(yīng)器盡可能具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、易于維護(hù)和清洗、于維護(hù)和清洗、n可適用于多種酶的催化反應(yīng)、制成成本和運(yùn)可適用于多種酶的催化反應(yīng)、制成成本和運(yùn)行成本較低等特點(diǎn)。行成本較低等特點(diǎn)。32根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器n酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶催化反應(yīng)的速度及其是研究酶催化反應(yīng)的速度及其應(yīng)因素，應(yīng)因素，n影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的因素影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的因素：酶與底物的結(jié)合程度、

26、酶與底物的結(jié)合程度、底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響、底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響、產(chǎn)物對(duì)酶的反饋抑制作用產(chǎn)物對(duì)酶的反饋抑制作用反應(yīng)溫度條件等。反應(yīng)溫度條件等。33依據(jù)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器依據(jù)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)選擇反應(yīng)器n酶與底物分子有效碰撞和結(jié)合酶與底物分子有效碰撞和結(jié)合反應(yīng)系統(tǒng)混反應(yīng)系統(tǒng)混合均勻合均勻攪拌罐式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器。攪拌罐式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器。n高濃度底物對(duì)酶抑制高濃度底物對(duì)酶抑制流加分批罐式反應(yīng)器、流加分批罐式反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器等填充床式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器等n產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)膜反應(yīng)器、填充床式反應(yīng)器。器。n耐高溫酶耐高溫酶噴射式反

27、應(yīng)器。噴射式反應(yīng)器。34根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器根據(jù)底物或產(chǎn)物的理化性質(zhì)選擇反應(yīng)器n底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)直接影響酶催化反應(yīng)速率底物和產(chǎn)物的理化性質(zhì)直接影響酶催化反應(yīng)速率n底物或產(chǎn)物的分子質(zhì)量、溶解性、粘度等性質(zhì)對(duì)反底物或產(chǎn)物的分子質(zhì)量、溶解性、粘度等性質(zhì)對(duì)反應(yīng)器的選擇有重要影響。應(yīng)器的選擇有重要影響。p（1 1）反應(yīng)底物或產(chǎn)物分子質(zhì)量較大時(shí)）反應(yīng)底物或產(chǎn)物分子質(zhì)量較大時(shí)，不宜采用膜，不宜采用膜反應(yīng)器。反應(yīng)器。p（2 2）底物或產(chǎn)物溶解度低、粘度高時(shí)）底物或產(chǎn)物溶解度低、粘度高時(shí)，選擇攪拌罐，選擇攪拌罐式反應(yīng)器，不采用填充床式反應(yīng)器和膜式反應(yīng)器。式反應(yīng)器，不采用填充床式反應(yīng)器和膜式反應(yīng)

28、器。p（3 3）底物為氣體時(shí)，選擇鼓泡式反應(yīng)器。）底物為氣體時(shí)，選擇鼓泡式反應(yīng)器。p（4 4）小分子物質(zhì)作為輔酶的催化反應(yīng)，不選膜反應(yīng)）小分子物質(zhì)作為輔酶的催化反應(yīng)，不選膜反應(yīng)器，以免輔酶的流失。器，以免輔酶的流失。35生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大n設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)：強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱等操作，良好：強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱等操作，良好過程控制、無(wú)菌條件、將催化活性控制在最佳過程控制、無(wú)菌條件、將催化活性控制在最佳條件、降低總的操作成本。條件、降低總的操作成本。n設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)目標(biāo)：催化反應(yīng)效率提高、最大限度降低催化反應(yīng)效率提高、最大限度降低成本、最少成本最大限度增加單位體積產(chǎn)率、成本

29、、最少成本最大限度增加單位體積產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，創(chuàng)造更大提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，創(chuàng)造更大效益。效益。p酶反應(yīng)器：酶反應(yīng)器：不需要通氣與劇烈的攪拌，不考慮不需要通氣與劇烈的攪拌，不考慮生物體生長(zhǎng)代謝，主要考慮反應(yīng)器的選型。生物體生長(zhǎng)代謝，主要考慮反應(yīng)器的選型。p細(xì)胞生長(zhǎng)代謝的生物反應(yīng)器：細(xì)胞生長(zhǎng)代謝的生物反應(yīng)器：復(fù)雜，嚴(yán)格的要復(fù)雜，嚴(yán)格的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大。求進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大。36p若生物催化劑的濃度和比活力都很高，若生物催化劑的濃度和比活力都很高，傳質(zhì)和傳熱，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限傳質(zhì)和傳熱，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。制因素。反應(yīng)器的操作因素，限制因素。反應(yīng)器的操作因素，限制因素。p生物催化劑濃度較低或比活力較低時(shí)，生物催化劑濃度較低或比活力較低時(shí)，生物催化劑的因素是生物反應(yīng)器生產(chǎn)能生物催化劑的因素是生物反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。力的限制因素。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的限制因素生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的限制因素37生物反應(yīng)器研究的主要內(nèi)容生物反應(yīng)器研究的主要內(nèi)容n反應(yīng)器選型反應(yīng)器選型: :根據(jù)工藝特征、反應(yīng)特性、物料根據(jù)工藝特征、反應(yīng)特性、物料特性確定