11 第三章 微生物反应动力学.doc

第1页：酶反应器教学基本内容

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概念，建立 CSTR、CPFR 与 BSTR 的特点和操作方程，比较 CSTR 与 CPFR 性能并讨论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与 CSTR、CPFR、BSTR 的特点
2. CSTR、CPFR、BSTR 型酶反应器的操作方程

本章主要教学要求

1. 了解常见酶反应器，熟悉酶反应器的分类
2. 掌握理想型酶反应器的概念
3. 理解三类酶反应器操作方程的推导过程并能用于设计
4. 熟悉三类反应器性能，能够合理选择酶反应器

第2页：生物反应器的概念与酶反应器分类

生物反应器（bioreactor）

是指有效利用生物反应机能的系统（场所），既包括传统的发酵罐、酶反应器，也包括固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养反应器与光合生物反应器。

酶反应器的分类

• 根据所使用的酶：溶液酶反应器、固定化酶反应器
• 根据操作方式：分批式操作、连续式操作、流加式操作
• 根据几何形式：罐型、管型、膜型
• 根据流体流动特性：活塞式反应器、全混式反应器

第3页：理想型酶反应器的特点

CPFR（连续活塞式反应器）

连续稳态操作下物料浓度不随时间变化，径向均一、轴向存在差异，反应速率只在轴向有分布。

CSTR（连续全混式反应器）

连续稳态操作下反应器内物料浓度分布均匀，不随空间和时间而变化。

BSTR（分批全混式反应器）

反应器内物料浓度随时间变化，但在同一时刻物料浓度均匀分布。

第4页：CPFR 型酶反应器操作方程

F,Sin流入量-流出量=反应量FSF(SdS)rAdl(1)当酶促反应符合米氏方程规律时,rKmSrmaxS(2)将(2)式代入(1)式，得AdlKmSrmaxSFdS（3）边界条件：l0,SSin;lL,SSout积分得：VSininoutmmaxF(SS)KlnSoutr（4）令：V，为停留时间FSinSout，为转化率Sin则SinKmln(1)rmax（5）（5）式即为CPFR型酶反应器的操作方程。方程表明，转化率由停留时间F,S3.酶反应器操作方程：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。F,SoutF,S+dSdl

第5页：CSTR 型酶反应器操作方程

决定。停留时间越长，则转化率越高。3.3.2CSTR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，SinF，Sout对反应器内底物进行物料衡算：流入量－流出量＝反应量FSinFSoutrV当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率（1）rmaxSoutrKmSout将（2）式代入（1）式中，得（2）VF(SinSout)moutKSrmaxSout（3）化简，得：VSoutmaxFSinSoutrminout(SS)K（4）maxinrm1或：SK（5）（5）式即为CSTR型酶反应器操作方程。方程表明，转化率由停留时间决定。停留时间越长，则转化率越高。3.3.3BSTR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Sout

第6页：BSTR 型酶反应器操作方程

式操作，CSTR型为连续式操作。在BSTR型酶反应器中，反应器中底物浓度随时间不断降低，但在同一时刻，反应器内底物浓度均匀分布。以酶促反应符合米氏方程为例，t时刻酶促反应速率为dtKmStrdStrmaxSt边界条件：t0,StSo积分，得：Somax0tm(SS)KlnStrt或：SoKmln(1)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（1）停留时间：指反应物料从进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。对于分批式搅拌罐（BSTR），所有物料的停留时间都相等，且等于反应的时间。对CPFR，两者也是一致的。对于CSTR，是指“平均停留时间”。F对于连续式操作，V。又称空时。（2）转化率：S0对于分批式操作，S0St对于连续操作，SinSoutSin（3）生产能力Pr：

第7页：设计操作参数与停留时间比较

tPtr对于分批式操作，Poutr对于连续式操作，PP（4）选择性：SP0ta(SS)PtP对分批式操作，SSPinoutPouta(SS)P对连续式操作，S3.5PFR和CSTR型酶反应器性能比较（1）停留时间的比较CPFR型：SinKmln(1)rmaxCPFR（1）inmaxCSTRrm1CSTR型：SK（2）（1）、（ln(1)Km1SinCPFR2）两式相除，得CSTRKmSin（3）以CSTRCPFR~作图。5010250.70.80.91■Sin/km=0◆Sin/km=115▲Sin/km=10●Sin/km=100CSTRCPFR20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。

第8页：CSTR 与 CPFR 酶需求量的比较

105020ECPFR250.70.80.91（2）酶需求量的比较：CPFR型：SinKmln(1)rmaxk2ECSTR（1）inmax2CPFRkErm1CSTR型：SK（2）Sinln(1)KmKm1（1）、（2）式相除，得SinECSTRECPFR以ECSTR~作图。ECPFR15ECSTRSoutSoutlPFR型酶反应器VCSTR型酶反应器如图所示：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SSSinSin

第9页：浓度分布、返混与多级串联

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。lCPFR酶反应器VCSTR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。综上所述，PFR型酶反应器性能更好，这与之不存在返混有关；CSTR型酶反应器性能较差，这与之存在返混有关。当多个CSTR反应器串联时，一般随罐数增多，反应的转化率增高，当罐数增至无限多时，最终将与PFR型的转化率一致。但是应特别指出的是，将两个或三个反应器串联后，转化率增大最明显，随串联数不断增加，转化率的增大会越来越不显著。因此，在实际生产中，一般采用二级或三级串联。f，S0f，S1f，S2f，S3PoutPinPoutPin

第10页：固定化酶反应器的选择

32012011SSSSSS1S2,S2S3,,则S3S2(13)S1(12)(13)S0(11)(12)(13)串联后总转化率1(11)(12)(13)003SSS3.6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。