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酶反应器

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酶工程 第六章 酶反应器

酶工程 第六章 酶反应器

空心酶管反应器
特点：酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管 时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。 多与自动分析仪等组装，用于定量分析。

中空纤维反应器
特点：由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维组成 内层：半透膜，可截留大分子物质而允许小分子物质通过 外层：多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵状支持层中 中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内 壁与海绵状介质上的酶起反应

4. 鼓泡式反应器 bubble column reactor, BCR
特点：利用从反应器底部通入 的气体产生的大量气泡，在上升 过程中起到提供反应底物和混和 两种作用。 三相流化床反应器：在使用固 定化酶进行催化反应时，反应系 统中存在固、液、气三相 适用：游离酶、固定化酶

4. 鼓泡式反应器 bubble column reactor, BCR
优点：① 传质、传热性能好，pH、温度控制及气体的 供给容易 ② 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体 ③ 能处理粉末状底物 ④ 压力降小 缺点：① 需保持一定流速，难于放大 ② 固定化酶处于流动状态，易破损 ③ 空隙体积大，酶浓度低

3. 流化床反应器 fluidized bed reactor, FBR

6. 喷射式反应器 projectional reactor，PR

特点：通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混 合，进行高温短时催化反应


组成：喷射器、维持罐
适用：耐高温游离酶
优点：结构简单，催化效率高
例：利用固定化酶生产高果糖浆
食糖是日常生活必需品，也是 食品、医药等工业原料。 世界食糖的需求每年以4％的速率增加，而产量每 年只增加2％-3％，供不应求。 目前各国都竞相生产高果糖浆(High Fructose Syrup， 甜度为蔗糖的173.5％)。在美国、日本等发达国家 2/3的食糖已为高果糖浆代替。 高果糖浆采用固定化葡萄糖异构酶和固定化含酶 菌体进行生产。

第8章 酶反应器-2010

第8章 酶反应器-2010

(2)搅拌罐(连续式酶) (2)搅拌罐(连续式酶)反应器 搅拌罐
又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌 罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液， 不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定 的流速连续流入底物溶液，同时，以相同 流速输出反应液（含产物）。 优点是：在理想状况下，混合良好，各部 分组成相同，并与输出成分一致。 缺点是：反应效率低（单位空间酶少)，回 收过程酶易损失;搅拌动力消耗大，搅拌浆 剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。
(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度）， 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度 或细胞浓度）， 较高的比活和酶浓度（ 才能得到较大的产品转化率。 才能得到较大的产品转化率。 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件 反应条件。 (2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。 应具有良好的传质和混合性能 传质和混合性能。 (3) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反 应介质中的传递。酶在反应器中滞留时间也可看作一种传递。 应介质中的传递。酶在反应器中滞留时间也可看作一种传递。 (4) 应具有最佳的无菌条件，否则杂菌污染使反应器的生产能 应具有最佳的无菌条件， 无菌条件 力下降。 力下降。
填充床反应器
缺点
（1）传质系数和传热系数相对较低。温度和pH难以控制。 温度和pH难以控制。 （2）固定化酶受到的压力大,颗粒容易破碎。当底物溶度含 固体颗粒或黏度很大时，更不宜采用PBR。 床层底部的酶颗粒所受压力大，容易引起固定化酶颗 粒的变形或破碎，因此常在反应器中间加托板分隔。 （3）清洗和更换部分固定化酶较麻烦 ）清洗和更换部分固定化酶较麻烦 （4）底物和产物会产生轴向浓度分布。

第六章 酶反应器

第六章 酶反应器

3．流化床式反应器 流化床式反应器(fluidized reactor，FBR)是一种装 流化床式反应器(fluidized bed reactor，FBR)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) 有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。 底物以一定速度由下向上流过， 底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状 态下进行反应。 如图所示： 态下进行反应。 如图所示：
Section 2 酶反应器的发展
一、含有辅助因子再生的酶反应器 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、能量供给体 的协助，而这些辅因子的价格较贵。 等）的协助，而这些辅因子的价格较贵。如采用简单的添加 方法，经济上很不合算。因此， 方法，经济上很不合算。因此，发展了含有辅因子再生的酶 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 例如：①利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 例如： 利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 化NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等 再生酶反应器等。 ②美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等。
2．填充床式反应器 填充床式反应器(packed reactor，PCR)是把颗 填充床式反应器(packed column reactor，PCR)是把颗 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床， 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床，床可直立 或平放) 底物按一定方向以恒定速度通过反应床。 或平放)内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。是一 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。 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。如图所示： 上多数采用此类反应器。如图所示：

酶反应器和酶传感器

酶反应器和酶传感器
1.1 生物传感器的基本概念与分类
生物传感器—将生物体的成份（酶、抗原、抗体、 DNA、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织） 固定化在一器件上作为敏感元件的传感器。
1.1.1根据输出信号的产生方式分类
(1)生物亲合型传感器
被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有 生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同 时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发 生变化。
(2)代谢型或催化型传感器
底物与分子识别元件上的敏感物质相作用并生 成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增 加转变为输出信号。
1.1.2 根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质 分类
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器 传感器、免疫传感器、基因传感器等。
1.1.3根据生物传感器的信号转换器分类
电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生 物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器 等．
1.2 生物传感器的一般结构与工作原理 1.2.1 生物传感器的基本组成
敏感元件（分子识别元件）、信号转换器件、 电子显示器件。
1.2.2 生物传感器的工作原理
（1） 将化学信号转变成电信号 （2） 将热能变化转换为电信号 （3） 将光效应转换为电信号 （4） 直接产生电信号
•只适合可溶性底物； •温度和pH难以控制； •底物和产物会产生轴向浓度分布； •传热系数相对较低。
1.3 流化床反应器 底物溶液以一定流速从反应物的底部通入，使较小 颗粒的固定化酶处于悬浮状态进行催化反应，反应液 从反应器的顶部连续流出。
(1)优点 •混合均匀、传质传热效果好； •温度和pH容易控制； •能处理黏度较高的反应物；
(1)优点
酶与底物溶液
•结构简单，体积小； •物料混合效果好； •温度高，反应速度快。

chapter6 酶反应器

chapter6 酶反应器

2．超滤膜酶反应器 ．
膜：超滤膜和透析膜。 超滤膜和透析膜。 形状：平板状、管状、螺旋状、中空纤维状。 形状：平板状、管状、螺旋状、中空纤维状。 优点： 酶反复使用，产率高，成本低； 优点：①酶反复使用，产率高，成本低； ②膜的选择性透过使产物透过膜，解除产物阻遏作用； 膜的选择性透过使产物透过膜，解除产物阻遏作用； 将不同的产物截留分离； ③将不同的产物截留分离； 适用于胶态或不溶性底物，以及产物的抑制作用， ④适用于胶态或不溶性底物，以及产物的抑制作用， 适用于价格较高的酶 缺点： 催化和传质效力随时间增长而下降：酶的渗漏， 缺点：①催化和传质效力随时间增长而下降：酶的渗漏，激 活剂的丢失，载体对酶的毒害，膜吸附； 活剂的丢失，载体对酶的毒害，膜吸附； 容器壁剪切和摩擦； ②容器壁剪切和摩擦； 浓差极化； ③浓差极化； ④瘀塞
第二节 酶反应器的设计与选型
一、酶反应器的设计
1．设计原理 ． (1)底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH 底物的酶促反应动力学以及温度、 底物的酶促反应动力学以及温度 压力、 (2)反应器的型式和反应器内流体流动状态及传热特 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。 需要的生产量及生产工艺流程。 需要的生产量及生产工艺流程 步骤： 建立数学模型， 步骤 ： 建立数学模型 ， 以数量表示设计变量和操作 变量，确定定量函数(目标函数或评价函数 目标函数或评价函数)。 变量，确定定量函数 目标函数或评价函数 。 考虑因素：物料平衡、热量平衡、 考虑因素 ： 物料平衡 、 热量平衡 、 反应动力学和流 动性。 动性。
Qp与酶浓度间关系：使用高浓度的酶可 与酶浓度间关系： 以减小酶反应器的体积和反应物在酶反 应器内的存留时间，从而提高Qp 但是， Qp。 应器内的存留时间，从而提高Qp。但是， 还要考虑质与热的传递， 还要考虑质与热的传递，即催化剂浓度 的最大值和产率的最高限度。 的最大值和产率的最高限度。

第五节酶反应器PPT课件

第五节酶反应器PPT课件
反应器生产产品的质量（g），这也是在酶反应器设计时 需要注意的事项。
2. 酶反应器的使用
➢ （4）生产能力的控制 ➢ 在使用填充床式反应器的情况下，可以通过反应器的流速
控制来达到恒定的生产能力。 ➢ 在反应过程中，随时间的推移而出现的酶活性丧失可通过
提高温度、增加酶活性来补偿。现在普遍采用将若干使用 不同时间或处于不同阶段的柱反应器串联的方法与上述方 法之一相结合。
➢ 特点：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固 定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。
➢ 其流动方式使反应液的混合程度介于 CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。 FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗 粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供 气体或排放气体的酶反应（即固、液、 气三相反应）。但因FBR混合均匀，故 不适用于有产物抑制的酶反应。
常见的酶反应器类型
三. 各种酶反应器的特点
三. 各种酶反应器的特点
1. 间歇式酶反应器
➢ 又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式 搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投 入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化 酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
2. 酶反应器的使用
➢ （1）酶的稳定性
➢ 对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要 用酸或碱来调节反应液pH。如果局部的pH过高或过低， 就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这 时，可用加快搅拌已促使混合均匀。

第七章酶反应器酶反应器的特点与类型酶反应器的选择和使用

适用的酶：游离酶、固定化酶
2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶
2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式
3.优点：
结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控 制，能处理胶体状底物、不溶性底物。
方向以恒定速度通过反应床。
在其横截面上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及 产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流 反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。
优点：可使用高浓度的催化剂 。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器 长度逐渐增高 ）。 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。 床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。
（四）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器
2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型
为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个 装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。
能处理粉末状底物； 即使应用细颗来自的催化剂，压力降也不会很高。缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大； 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损； 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 改进：使底物进行循环，避免催化剂。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。
第七章酶反应器酶反应器的特 点与类型酶反应器的选择和使
用
第一节 酶反应器的特点与类型

7 酶反应器

第六章
酶反应器
生物与食品工程学院·食品酶学
第七章 酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以酶或固定化酶作为催 酶反应器 ：
化剂进行酶促反应所需的装置称为酶反应器，它处于酶催 化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。
作用： 作用：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。
按操作方式区分 分批式反应(batch ) 连续式反应(continuous ) 流加分批式反应 (feeding batch ) 结构+操作方式 结构 操作方式 连续搅拌罐反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批搅拌罐反应器 （Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
特点： 特点：可承受较高的操作压力，比表面
积大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
5、鼓泡塔型反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构： 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形 式的气体分散装置。 操作： 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。 通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部 以切线方向进入。 应用： 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。
7、新发展的酶反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
（2）两相或多相反应器 ）
问题由来： 问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶转化时， 在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大 等缺点。 特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时 特点： 的底物浓度，而且还可减少底物或产物对酶的抑制作 用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。 操作： 操作：两相反应通常是将酶或固定化酶置于水相中， 而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应 进展： 进展：液膜反应器等。

第六章酶反应器

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酶膜反应器的应用(yìngyòng)及研究 新进展
6.1 （1）生物大分子的分解
酶反
应器 的类
主要集中在淀粉(diànfěn)、纤维素、蛋白质的
型及 特点
水解。
利用膜的筛分，将生物大分子与分子质量小
的水解产物相分离，可消除产物抑制作用。
水解果胶以降低果汁的黏度；
降低牛奶和乳清中乳糖的含量（乳糖不耐 症）。
➢离子交换：溶液中阳离子与阴离子与称为离子交换剂的固相上离子的交换过 程。
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1、搅拌罐式反应器
6.1 酶反 应器 的类 型 (lèix íng) 及特 点
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2、填充(tiánchōng)床式反应器
Packed Bed Reactor, PBR，又称固定床反应器，
6.1
酶反 是固定化酶常用(chánɡ yònɡ)的一种反应器。
型 (lèix
❖ 缺点：反应效率低，搅拌动力消耗；由于搅拌剪
íng) 切力，固定化载体易被破坏、游离酶易发生泡沫
及特
点 化活性下降，反复回收固定化酶过程中易造成酶
的失活损失。
❖发展与改进：在反应器出口装上滤器, 或制成磁 性固定化酶，将酶颗粒装在尼龙网制成的扁平筐 内，作为搅拌桨叶或挡板。
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❖ 传质：物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，称为质
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传统酶反应器 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR） 填充(tiánchōng)床式反应器(packed bed
reactor, PBR ) 流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor,
FBR) 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR ) 喷射式反应器（projection reactor, PR） 新型酶反应器 酶膜反应器(Membrane Reactor, MR)

酶反应器的认知与操作—酶反应器概述


（（2）底物的物理性态 反应器的底物存在的物态, 不外乎三种；溶 液态、不溶的悬浊液态或乳浊液态、胶体态； 在物性上主要是考虑粘稠度不同, 会影响反 成器的效率。可溶性底物, 显然可以选择任 何类型的反应器；底物颗粒较粗的悬浊性底 物, 或是胶态站稠的底物, 因为底物液容易 使床层堵塞, 则不适于选用填充床反应器, 一般选用CSTR, FBR或是循环流反应器 (RCR)为宜、
表9.3-1工业上常用的三类酶反应器选择因素比较
酶反应器的特点
（1）酶反应器的特点
酶反应器是酶（生物催化剂）催化反应装 置, 酶不仅有高效专一的特性, 还有反应 条件温和、容易受各种不利因素影响造成 催化活性下降等特性, 这是在酶反应器设 计和操作时都必须重视的。具体地说, 酶 反应器与一般化学反应器相比, 有以下特 点；
（1）酶反应器对材质的要求一般不高 酶反应器一船都在常压或保持适当的正压 下运转，不需要特别耐压的构件；在接近 中性或pH大于4.小于10的条件下操作，不 需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的温 度（很少超过90℃）下反应、不需要特别 耐高温的材料。
（3）酶促反应动力学 从酶促反应速度来看, 一般的说, 搅拌型 反 应器的反应速度随搅拌速度加快而增大； 流 加型反应器的反应速度, 随流速加大而增 大 。从三种典型反应器的操作方程比较可知, 当 [S]》Km时, 三者趋同；割[S]《Km, 时, 为 了达到相同的转化率, 若选用CSTR就必 须增加用酶量, 或是在用酶量相同的条件下, 就要加大反应器的体积,
整个反应结束后一次收取产物。
（2）按反应器几何构型和结构特征 罐式反应器: 主要特征是，外形为圆柱体， 高度和直径之比（简称高径比，常用 H／D 表示）大约在l～3。 管式反应器: 与罐式相比，相对细长，长和 直径比（L／D）大于30。 塔式反应器: 外形不限于圆柱形，竖立高和 直径之比大于10。 膜式反应器: 主要特点是，反应器内部 有 各种不同类型的薄板或滤膜构成的膜件。
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3 酶反应器
教学基本内容：
介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶反应器的概念，连续全混流酶 反应器（CSTR）的特点和操作方程的建立；连续活塞流酶反应器（BCFR）的特点 和操作方程的建立；分批式全混流酶反应器（BSTR）的特点和操作方程的建立。 CSTR 型酶反应器和 CPFR 型酶反应器性能的比较。固定化酶反应器的选择。
难点： 1.理想的酶反应器的概念。 2.CSTR 型酶反应器和 CPFR 型酶反应器的操作方程。 3.返混的概念。
本章主要教学要求： 1. 了解常见的酶反应器，熟悉酶反应器的分类。 2. 掌握理想型酶反应器的概念。 3. 理解 CSTR、CPFR 和 BSTR 型酶反应器操作方程的推导过程。能够熟练
CPFR 型：Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ CPFR
CSTR
型：Sin χ
+
Km
χ 1− χ
=
rmaxτ CSTR
χ Sin + χ （1）、（2）两式相除，得 τ CSTR = K m 1 + χ
τ CPFR χ Sin − ln(1 − χ ) Km
以 τ CSTR ~ χ 作图。 τ CPFR
分批全混式反应器（简称 BSTR）（batch stirred tank reactor）的特点：反应 器内物料浓度随时间而变化，但在同一时刻，物料浓度均匀分布。
3.3 酶反应器操作方程： 3.3.1 CPFR 型酶反应器
CPFR 型酶反应器中，物料浓度沿轴向存在差异，因此酶促反应速率沿轴向 变化。因此取微元单位，进行物料衡算。
25
τ CSTR τ CPFR 20
15
10
■ Sin/km=0 ◆ Sin/km=1 ▲ Sin/km=10 ● Sin/km=100
5
（1） （2）
（3）
0
0.7
0.8
0.9
1
χ
由图中可以看出，为达到相同的转化率，CSTR 所需停留时间较长。
（2）酶需求量的比较： CPFR 型：Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ = k2 ECSTRτ
力降，在大生产中难以实现高的效率。
固定化酶的机械强度也是应考虑的问题。有些固定化酶(如凝胶包埋法或微
胶囊法制备的固定化酶)机械强度较差。因此在搅拌罐中，搅拌浆的剪切作用会 使催化剂遭到破坏；在塔式反应器中，随塔身增高，由于凝胶颗粒自身的重量，
会使凝胶发生压缩变形，压损增大，为此应在塔内安装筛板，将凝胶适当的间隔
运用操作方程进行酶反应器的设计。 4. 熟悉 CSTR、CPFR 和 BSTR 型酶反应器的性能，能够合理选择酶反应器。
3 酶反应器
生物反应器的概念提出： 20 世纪 70 年代，Arkinson 提出生化反应器（biochemical reactor）一词。 同时，0llis 提出另一术语—生物反应器（biological reactor）。 80 年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现 。 生物反应器（bioreactor）是指有效利用生物反应机能的系统（场所）。既包
Pout
Pout
Pin
l
CPFR 酶反应器
Pin
V
CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的产物浓度较低，出口端浓度较高；在 CSTR 型酶反应器中，产物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，产物浓度较高。
可见，PFR 型酶反应器中底物浓度较高，而产物浓度较低。因此，如果酶促 反应速率与底物浓度成正比，那么，CPFR 中反应速率较高，生产能力较高。而 当发生底物抑制时，PFR 型酶反应器转化率的降低要比 CSTR 型剧烈得多；而产 物抑制对 CSTR 型酶反应器影响更显著。
真实反应器中速度分布 CPFR 反应器中速度分布
在搅拌罐式反应器中，尽管有搅拌器不停地搅拌，物料浓度仍然存在差异， 这种差异使酶促反应速率的计算变得非常复杂，因此设想了全混式反应器。
连续全混式反应器（简称 CSTR）（continuous-flow stirred tank reactor）的特 点：连续稳态操作条件下，反应器内物料浓度分布均匀，不随空间和时间而变化。
τ 决定。停留时间τ 越长，则转化率 χ 越高。
3.3.2 CSTR 型酶反应器 在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度处处相等，因此酶促反应速率处处相等。
F，Sin
F，Sout
Sout
对反应器内底物进行物料衡算： 流入量－流出量＝反应量 FSin − FSout = rV 当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率
f，S0
f，S1
f，S2
f，S3
χ1
=
S0 − S1 S0
,χ2
=
S1 − S2 S1
, χ3
=
S2 − S3 S2
,
则 S3 = S2 (1 − χ3 ) = S1 (1 − χ 2 )(1 − χ3 ) = S0 (1 − χ1 )(1 − χ 2 )(1 − χ3 )
串联后总转化率 χ
=
S0 − S3 S0
形分布；当流体以流速较大的湍流流动时，速度分布较为均匀，但边界层中速度 减缓，径向和轴向存在一定程度的混合。流体流动速度分布不均或混合，将导致 物料浓度分布不同，从而导致酶促反应速率计算的复杂性。因此，设想了连续活 塞式酶反应器（简称 CPFR）（continuous plug flow reactor）。CPFR 型酶反应器的 特点：连续稳态操作条件下，物料浓度不随时间而变化，径向上物料浓度均一分 布，轴向上物料浓度存在差异。因此酶促反应速率只在轴向存在不同分布。
括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、 动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。 3.1 酶反应器的分类：
典型的酶反应器有连续搅拌式反应器、多级搅拌床、流化床、填充床、管式 反应器。如图所示。
搅拌罐
多级搅拌床
管式反应器
流化床
填充床
与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。 溶液酶反应器
以酶促反应符合米氏方程为例，t 时刻酶促反应速率为
r = − dSt = rmax St dt K m + St
边界条件： t = 0, St = So 积分，得：
(S0
−
St
)
−
K
m
ln
St So
= rmaxt
或： So χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxt
上式与 PFR 型酶反应器在形式上相同。注意其含义之区别。 3.4 酶反应器设计和操作参数
3.1 酶反应器的分类 3.2 理想型酶反应器 3.3 酶反应器操作方程 3.4 酶反应器设计和操作参数 3.5 PFR 和 CSTR 型酶反应器性能比较 3.6 固定化酶反应器的选择
授课重点： 1. 理想型酶反应器的概念。CSTR 型酶反应器、CPFR 型酶反应器、BSTR 型酶 反应器的特点。 2. CSTR 型酶反应器、CPFR 型酶反应器、BSTR 型酶反应器的操作方程。
(Sin
−
S out
)
−
K
m
ln
S out S in
= rmax
V F
令：τ = V ，τ为停留时间 F
χ = Sin − Sout ，χ为转化率 S in
（4）
则 Sin χ − K m ln(1 − χ ) = rmaxτ
（5）
（5）式即为 CPFR 型酶反应器的操作方程。方程表明，转化率 χ 由停留时间
开。
酶的失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂再生，
更换或补充，这就需要相应的构件。
反应器的 pH 调节、温度控制也是要考虑的因素。
另外，还要考虑底物的性质。如底物为细粒状或胶状，选流化床式反应器较
好。
（1）
r = rmax Sout K m + Sout
将（2）式代入（1）式中，得
F (Sin
− Sout )
=
rmax Sout K m + Sout
V
化简，得：
(Sin
− Sout ) +
Km
Sin − Sout S out
=
rmax
V F
或： Sin χ
+
χ Km 1− χ
= rmaxτ
（2） （3） （4） （5）
0ห้องสมุดไป่ตู้8
0.9
1
χ
如图所示：为以相同的停留时间达到相同的转化率，CSTR 型反应器所需酶 量要大大高于 PFR 型反应器。
（3）反应器中的底物、产物浓度分布
S
S
Sin
Sin
Sout
l PFR 型酶反应器
Sout
V CSTR 型酶反应器
在 PFR 型反应器中，进口端的底物具有较高浓度，出口端浓度较低；在 CSTR 型酶反应器中，底物浓度均匀分布，并与出口处浓度相等。由此可见，CSTR 型 酶反应器中，底物浓度较低。
= 1 − (1 − χ1 )(1 − χ 2 )(1 − χ3 )
3.6 固定化酶反应器的选择 一般来说，活塞流型反应器在固定化酶反应器中占主导地位。
存在底物抑制时，搅拌式反应器性能优于填充床式。
固定化酶有颗粒状、膜状、管状、纤维状。其中以颗粒状为多，这是由于其
比表面积大。若颗粒较小，可选用流化床。若仍采用填充床，就会导致较高的压
（5）式即为 CSTR 型酶反应器操作方程。方程表明，转化率 χ 由停留时间τ
决定。停留时间τ 越长，则转化率 χ 越高。
3.3.3 BSTR 型酶反应器 BSTR 型酶反应器与 CSTR 型反应器的区别在于操作方式，BSTR 型为分批