第六章酶反应器
第一节 酶反应器的特点与类型
? 以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为酶反
应器。
? 酶反应器基本上是游离酶、固定化酶或固定化细
胞催化反应的容器 (附加上混合取样和检测设备 )。
反应器的作用是以尽可能低的成本，按一定的速
度由规定的反应物制备特定产物。酶反应器不同
于化学反应器，它是在低温、低压下发挥作用，
反应时的耗能和产能也比较少。
? 酶反应器也不同于发酵反应器，因为它不表现自
催化方式，即细胞的连续再生。
一、游离酶反应器
1．搅拌罐式反应器
它由容器、搅拌器及保温装置组成。
2．超滤膜酶反应器
? 此反应器可以作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有
抑制作用时．采用此装置较合适。但是，酶的长期操作稳定
性差，而且酶易在起滤膜上吸附损失，或在膜表面浓缩极化
二、固定化酶反应器
I．搅拌罐型反应器
– 有分批反应器 (Batch Stirred Tank Reactor BSTR)相连
续流搅拌罐反应器 (Continuos Flow Stirred Tank Reactor，
CSTR)(图 7— 2)。这类反应器的特点是内容物的混合是充
分均匀的。
2．固定床型反应器
– 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床 (也称填充
床，床可直立或平放 )内，底物按一定方向以恒定速度
通过反应床 (图 7—2)。它是一种单位体积催化剂负荷
量多，效率高的反应器。当前工业上多数采用此类反
应器。
– 与全混流反应器 (CSTR)相反，有另一类理想的、没有
返混的反应器，称为活塞流反应器 (PFR)。在其横截面
上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的
浓度是逐渐变化的，但同一横切面上浓度是一致的。
– 因此，称为活塞流反应器 (Plug Flow Reactor PFR)。
高 (长 )径比较大的管式反应器，接近于活塞流反应器。
? 固定床反应器可使用高浓度的催化剂，反
应产生的产物和抑制剂可从反应器中不断
地流出。由于产物浓度沿反应器长度是逐
渐增高的，因此与 CSTR相比．可减少产物
的抑制作用。但是它存在下列缺点：
(1)温度和 pH难以控制。
(2)底物和产物会产生轴向浓度分布。
(3)清洗和更换部分固定化酶较麻烦。
3．流化床型反应器
? 流化床反应器 (简称 FBR,Fluidized Bed Reactor)
是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器 (形状可为
柱形、锥形等 )它有下列优点：
(1)具有良好的传质及传热的性能。 pH、温度控制及气体的供给
比较容易。
(2)不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体。
(3)能处理粉末状底物。
(4)即使应用细粒子的催化剂，压力降也不会很高。
– 但也有缺点如下：
(1)需保持一定的流速，运转成本高，难于放大。
(2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损。
(3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。
(4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。
4．膜型反应器
由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的
反应器均称为模型反应器。用固定化酶膜组装
成的平板状或螺旋状反应器、转盘型反应器、
空心酶管和个空纤维膜反应器等都属于此类反
应器。图 7—3 为各种反应器结构的示意图。
5．鼓抱塔型反应器
在生物反应中，有不少的反应要涉及到有气体的
吸收或产生，此类反应最好采用鼓泡塔型反应器。
或三相流化床反应器，其示意图如图 7— 4。
三、酶反应器的发展
1,含有辅助因子再生的酶反应器
2,两相或多相反应器
3,固定化多酶反应器
第二节 酶反应器的设计与选型
一、酶反应器的设计
– 对于酶反应器来说，就是要设计出一个既能
充分发挥生物反应的优点，又可克服一些限
制因素，以最低的生产成本，获得最高的产
量和质量的酶反应器。
1．酶反应器的设计原理
– 为了设计反应器以及决定反应操作条件，理
论上必须了解下列事项：
(1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、
pH等操作参数对此特性的影响。
(2)反应器的型式和反应器内流体流动状态及
传热特性。
(3)需要的生产量及生产工艺流程。
2．与设计有关的参数
(1)酶反应器生产强度 Qp：酶反应器的生产
强度 Qp表示每小时每升反应体积所生产的产品
的克数。即：
(2)产品转化率 Yp/s及酶的催化率 Rp/e：产品转
化率 Yp/s是指每克底物中有多少克转化为产
物。即：
(3)产物浓度 P及底物停留时间 t：产物浓度 P是一
个影响到分离提纯，也就是回收成本高低的关
键问题。在连续工艺中，降低稀释率或增加酶
浓度可使产物浓度升高，但会使 Qs减小。
二、酶反应器的选择
在选择酶反应器的时候，必须考虑各种因
素。一般应考虑以下几个方面：
(1)酶的形状、大小及机械强度；
(2)底物的性质；
(3)反应操作的要求：
(4)反应动力学及传质传热特性；
(5)酶的稳定性、再生及更换；
(6)反应器的制造成本及运行成本及应用的可塑性等。
第三节 酶反应器的操作
酶反应器的操作中，应该注意如下几个方面：
(1)控制酶反应器中流动状态；
(2)维持酶反应器的恒定生产能力；
(3)保持酶反应器的稳定，使其能长期运转使用；
(4)防止酶反应器的污染。
一、酶反应器中流动状态的控制
二、酶反应器的恒定生产能力的控制
三、酶反应器的稳定性
四、酶反应器的微生物污染
本章结束
祝您学习愉快！
第一节 酶反应器的特点与类型
? 以酶作为催化剂进行反应所需的设备称为酶反
应器。
? 酶反应器基本上是游离酶、固定化酶或固定化细
胞催化反应的容器 (附加上混合取样和检测设备 )。
反应器的作用是以尽可能低的成本，按一定的速
度由规定的反应物制备特定产物。酶反应器不同
于化学反应器，它是在低温、低压下发挥作用，
反应时的耗能和产能也比较少。
? 酶反应器也不同于发酵反应器，因为它不表现自
催化方式，即细胞的连续再生。
一、游离酶反应器
1．搅拌罐式反应器
它由容器、搅拌器及保温装置组成。
2．超滤膜酶反应器
? 此反应器可以作用于胶态或不溶性底物，特别是产物对酶有
抑制作用时．采用此装置较合适。但是，酶的长期操作稳定
性差，而且酶易在起滤膜上吸附损失，或在膜表面浓缩极化
二、固定化酶反应器
I．搅拌罐型反应器
– 有分批反应器 (Batch Stirred Tank Reactor BSTR)相连
续流搅拌罐反应器 (Continuos Flow Stirred Tank Reactor，
CSTR)(图 7— 2)。这类反应器的特点是内容物的混合是充
分均匀的。
2．固定床型反应器
– 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床 (也称填充
床，床可直立或平放 )内，底物按一定方向以恒定速度
通过反应床 (图 7—2)。它是一种单位体积催化剂负荷
量多，效率高的反应器。当前工业上多数采用此类反
应器。
– 与全混流反应器 (CSTR)相反，有另一类理想的、没有
返混的反应器，称为活塞流反应器 (PFR)。在其横截面
上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的
浓度是逐渐变化的，但同一横切面上浓度是一致的。
– 因此，称为活塞流反应器 (Plug Flow Reactor PFR)。
高 (长 )径比较大的管式反应器，接近于活塞流反应器。
? 固定床反应器可使用高浓度的催化剂，反
应产生的产物和抑制剂可从反应器中不断
地流出。由于产物浓度沿反应器长度是逐
渐增高的，因此与 CSTR相比．可减少产物
的抑制作用。但是它存在下列缺点：
(1)温度和 pH难以控制。
(2)底物和产物会产生轴向浓度分布。
(3)清洗和更换部分固定化酶较麻烦。
3．流化床型反应器
? 流化床反应器 (简称 FBR,Fluidized Bed Reactor)
是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器 (形状可为
柱形、锥形等 )它有下列优点：
(1)具有良好的传质及传热的性能。 pH、温度控制及气体的供给
比较容易。
(2)不易堵塞，可适用于处理粘度高的液体。
(3)能处理粉末状底物。
(4)即使应用细粒子的催化剂，压力降也不会很高。
– 但也有缺点如下：
(1)需保持一定的流速，运转成本高，难于放大。
(2)由于颗粒酶处于流动状态，易导致粒子的机械破损。
(3)由于流化床的空隙体积大，酶的浓度不高。
(4)由于底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。
4．膜型反应器
由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的
反应器均称为模型反应器。用固定化酶膜组装
成的平板状或螺旋状反应器、转盘型反应器、
空心酶管和个空纤维膜反应器等都属于此类反
应器。图 7—3 为各种反应器结构的示意图。
5．鼓抱塔型反应器
在生物反应中，有不少的反应要涉及到有气体的
吸收或产生，此类反应最好采用鼓泡塔型反应器。
或三相流化床反应器，其示意图如图 7— 4。
三、酶反应器的发展
1,含有辅助因子再生的酶反应器
2,两相或多相反应器
3,固定化多酶反应器
第二节 酶反应器的设计与选型
一、酶反应器的设计
– 对于酶反应器来说，就是要设计出一个既能
充分发挥生物反应的优点，又可克服一些限
制因素，以最低的生产成本，获得最高的产
量和质量的酶反应器。
1．酶反应器的设计原理
– 为了设计反应器以及决定反应操作条件，理
论上必须了解下列事项：
(1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、
pH等操作参数对此特性的影响。
(2)反应器的型式和反应器内流体流动状态及
传热特性。
(3)需要的生产量及生产工艺流程。
2．与设计有关的参数
(1)酶反应器生产强度 Qp：酶反应器的生产
强度 Qp表示每小时每升反应体积所生产的产品
的克数。即：
(2)产品转化率 Yp/s及酶的催化率 Rp/e：产品转
化率 Yp/s是指每克底物中有多少克转化为产
物。即：
(3)产物浓度 P及底物停留时间 t：产物浓度 P是一
个影响到分离提纯，也就是回收成本高低的关
键问题。在连续工艺中，降低稀释率或增加酶
浓度可使产物浓度升高，但会使 Qs减小。
二、酶反应器的选择
在选择酶反应器的时候，必须考虑各种因
素。一般应考虑以下几个方面：
(1)酶的形状、大小及机械强度；
(2)底物的性质；
(3)反应操作的要求：
(4)反应动力学及传质传热特性；
(5)酶的稳定性、再生及更换；
(6)反应器的制造成本及运行成本及应用的可塑性等。
第三节 酶反应器的操作
酶反应器的操作中，应该注意如下几个方面：
(1)控制酶反应器中流动状态；
(2)维持酶反应器的恒定生产能力；
(3)保持酶反应器的稳定，使其能长期运转使用；
(4)防止酶反应器的污染。
一、酶反应器中流动状态的控制
二、酶反应器的恒定生产能力的控制
三、酶反应器的稳定性
四、酶反应器的微生物污染
本章结束
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