固定化酶反应器课件.ppt

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1、固定化酶反应器利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物催化反应器，称为生物反应器(bioreactor)。以催化剂进行生物反应的场所为酶反应器。根据酶催化剂类别的不同，酶反应器可分为游离酶反应器，即均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行的非均相酶反应器，即固定化酶反应器。固定化酶反应器又可分为固定化单一酶、复合酶、细胞器和细胞(微生物、动物和植物)等型式的反应器。固定化酶反应器1、分批搅拌罐反应器（Stirredtankbatchreactor,STR）反应器包括搅拌浆、固定的挡板。酶包埋于珠状或吸附于特定载体上，在该系统中，底物、酶具有相同的停留时间，有些情况下，如酶相

2、对不稳定，反应过程中需添加额外的酶；有底物抑制的情形下，可使用低的初始底物浓度，当底物浓度消耗完时，可添加底物，即为分批流加系统。使用珠状或颗粒状固定化酶的优点，反应结束后，固定化酶可容易分离去除、回收，反复使用，产物不受酶的污染。1、分批搅拌罐反应器（Stirredtankbatchreactor,STR）固定化酶分批搅拌罐反应器缺点：转化特定底物（如均质肉、纤维素、淀粉等）或一些不能渗透入珠状固定化酶的大分子物质效率不高，即使对一些低分子底物，底物到酶表面的扩散可能是速率限制步骤，因此包埋酶的反应过程比自由酶反应速率要慢。即使是酶以共价键结合或物理吸附于载体表面，由于是非均相系统

3、，反应速率比自由可溶酶要慢。还有一个缺点是固定化的成本及固定化过程中酶的失活。因此在STR中，使用可溶酶与固定化酶取决于酶可反复使用的节约、容易的下游提取过程与固定化成本、反应时间增加所引起的附加成本之间的平衡。分批搅拌罐反应器的优点与缺点STR的优点：（1）内容物的混合是充分均匀的，传质阻力较低。（2）结构简单、监控物理条件（如pH、温度）和化学条件（如底物、辅助因子）容易。（3）能处理胶体状底物，固定化酶更换容易，设备适合许多类型的转化。缺点：（1）反应效率较低，放大困难（在大容器中很难保证较高的混合效率），适合于小规模操作。（2）载体易被浆叶剪切力多破坏，搅拌动力消耗大。2、活

4、塞流反应器或填充床反应器（Plugflowreactor,PFR;orPackedbedreactor,PBR）把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床（填充床）内，底物按一定方向以恒定的速度通过反应床。它是一种单位体积催化剂负荷量最大，效率高的反应器。反应器水平或垂直放置，底物用泵从底部或顶部打入（向上流比下流好，因不易阻塞，液流更均匀）。固定化酶底物溶液产物活塞流反应器或填充床反应器产物浓度沿反应器长度是逐渐增高的，底物浓度沿反应器长度是逐渐减少的。理想状况下，底物液体流匀速通过反应柱，没有返混，在反应器的同一横切面上的物料，具有相同的停留时间，或液体流动速度完全相同。产物浓度沿反应

5、器长度是逐渐增高的，底物浓度沿反应器长度是逐渐减少的，在柱的末端，底物浓度最小，产物浓度最大。反应器特性：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，底物反之，可减少产物的抑制作用，适合于产物抑制的反应。但有如下缺点：（1）在实践操作中，液流速率取决于液体通过PBR的压降，压降取决于床高度、流速和底物的粘度，如果增加液流速度，有可能损伤固定化酶粒子，反过来限制流速，并增加反压，进一步损坏固定化酶粒子，限制了流速。因此使用时，底层固定化酶颗粒所承受的压力较大，易变形或破碎，有一个床高限制和流速限制，取决于填充于床的粒子可压缩

6、性（在实践中可在反应器中间添加托板分隔层以减少底层固定化酶所承受的压力）。（2）通常需用一保护层覆盖填充床。固定化酶粒子通常很小，以获得最大的表面积，着意味着粒子间的液流通道很小，容易堵塞，为防止堵塞，放一滤层于固定床的进液口处，防止胶状或特定物质的堵塞。（3）在柱中很难控制pH或温度。对于直径大于20cm的反应器，局部的热量放出将导致局部的温度变化。（4）不均匀地填充粒子，将导致不均匀的流速及不均匀的底物停留时间，所以使用均一大小的固定化酶颗粒是减少这一问题的重要方法。（5）清洗和更换部分固定化酶较麻烦。3、连续搅拌罐反应器（Continuousflowstirredtankrea

7、ctor,CSTR）底物可连续加入、产物可不断移走的反应器，可用反应器内部过滤器截流酶，也可通过反应器外部的分离器，将酶返回到罐内。为了提高转化率，有以下措施，（1）延长底物停留时间，采用低、慢的流速。（2）使用高活性水平的酶（高Vmax）。（3）使用高亲和力的酶（低Km’）底物连续搅拌罐反应器固定化酶产物过滤器CSTR与PBR的比较：（1）在CSTR中，所有酶暴露在相对低的底物浓度和相对高的产物浓度中，效率因子η下降，反应器中酶未被有效利用。在PBR中，