第1页：第七章酶反应器封面
本章为《酶工程》第七章，主题为酶反应器，讨论酶和固定化酶在体外进行催化反应所用的容器及其附属设备。
第2页：第七章目录
- 什么是酶反应器
- 理想的酶反应器的要求
- 各种酶反应器的特点
- 酶反应器的选择和使用
- 酶反应器的设计
注：源文件目录页标题为「Contents of chapter 5」，与本章第七章不符，此处按章节实际内容记为第七章目录。
第3页：7.1 什么是酶反应器
- 酶反应器
- 酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必须在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。
酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置，为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化反应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。
第4页：酶催化反应过程示意图
本页为酶催化反应过程示意图，主要环节包括：空气除菌、原料预处理、生物催化剂制备、生物反应器、过程调控、产物分离提纯，最终得到产品，并涉及能量与热量的输入输出。
第5页：7.2 理想的酶反应器的要求
生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低。评价生物反应器的主要标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。
- （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），才能得到较大的产品转化率
- （2）能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件
- （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，传质阻力是反应器速度限制的主要因素
- （4）应具有最佳的无菌条件，否则杂菌污染会使反应器的生产能力下降
第6页：常见的酶反应器类型
按结构区分：
- 搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）
- 鼓泡式反应器（bubble column reactor, BCR）
- 填充床式反应器（packed column reactor, PCR）
- 流化床式反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）
- 膜反应器（Membrane Reactor, MR）
按操作方式区分：分批式反应（batch）、连续式反应。
第7页：7.3 各种酶反应器的特点（一）
各种酶反应器的特点| 反应器类型 | 适用的操作方式 | 适用的酶 | 特点 |
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| 搅拌罐式反应器 | 分批式、流加分批式、连续式 | 游离酶、固定化酶 | 反应比较完全，反应条件容易调节控制 |
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| 填充床式反应器 | 连续式 | 固定化酶 | 密度大，可以提高酶催化反应的速度，在工业生产中普遍使用 |
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| 流化床反应器 | 分批式、流加分批式、连续式 | 固定化酶 | 混合均匀，传质和传热效果好，温度和 pH 值调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应 |
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第8页：各种酶反应器的特点（续）
各种酶反应器的特点（续）| 反应器类型 | 适用的操作方式 | 适用的酶 | 特点 |
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| 鼓泡式反应器 | 分批式、流加分批式、连续式 | 游离酶、固定化酶 | 结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高，适合于有气体参与的反应 |
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| 膜反应器 | 连续式 | 游离酶、固定化酶 | 清洗比较困难 |
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| 喷射式反应器 | 连续式 | 游离酶 | 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，适用于某些耐高温酶的反应 |
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第9页：(1) 间歇式酶反应器
- 间歇式酶反应器
- 又称批量反应器（Batch Reactor, BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。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。
- 优点：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态
- 缺点：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时易失去活性，故工业生产中很少用于固定化酶，但常用于游离酶
第10页：(2) 连续式酶反应器
- 连续式酶反应器
- 又称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，反应达到平衡后再以恒定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：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：搅拌桨剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒
流程为底物溶液进口至反应液出口。
第11页：(3) 填充床反应器
- 填充床反应器
- 填充床反应器（Packed Reactor, PBR），又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内制成稳定的柱床，然后通入底物溶液，在一定反应条件下实现酶催化反应，以一定流速收集输出的转化液（含产物）。
- 优点：高效率、易操作、结构简单，是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器；适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应
- 缺点：传质系数和传热系数相对较低；当底物溶液含固体颗粒或黏度很大时不宜采用 PBR
第12页：(4) 流化床反应器
- 流化床反应器
- 流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。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，使固定化酶颗粒始终处于流化状态，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液，也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）；但因混合均匀，不适用于有产物抑制的酶反应。
第13页：(5) 鼓泡式反应器
- 鼓泡式反应器
- 鼓泡式反应器（bubble column reactor, BCR）是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合两种作用的一类反应器，也是一种无搅拌装置的反应器。
鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。用于固定化酶催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。
第14页：(6) 膜反应器
- 膜反应器
- 膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器，可用于游离酶也可用于固定化酶的催化反应。
用于固定化酶催化反应的膜反应器，是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中而制成的一种生物反应器。
第15页：连续搅拌罐—超滤膜反应器
- 连续搅拌罐—超滤膜反应器
- 简称 CSTR-UFR。在 CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器，可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞，以及小分子产物与大分子底物。
游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续进入反应器，酶在反应容器的溶液中与底物反应；反应后酶与反应产物一起进入膜分离器进行分离，小分子产物透过超滤膜排出，大分子酶分子被截留并可再循环使用。
第16页：7.4 酶反应器的选择和使用
影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑：
- 酶的形式（游离／固定化）
- 固定化酶的形状
- 底物的物理性质
- 酶反应动力学性质
- 酶的稳定性
- 操作要求
- 反应器制造、控制成本
第17页：酶反应器选型原则
通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用填充床反应器（PBR）；颗粒状、粉末状及片状固定化酶均可使用于连续式搅拌罐（CSTR）；膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。
应用游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。
- 可溶性底物适用于所有的反应器
- 难溶底物或底物溶液呈胶体状者易堵塞柱床，可选用 FBR
- 颗粒状底物溶液可适用于 CSTR
- 反应过程需要控制温度、调节 pH 时，选用 CSTR 更为方便
在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上脱落，或者由于磨损而使粒度变细，从而影响固定化酶的操作稳定性。
第18页：酶反应器使用中应注意的问题
- 酶的稳定性对酶反应器的功效很重要。操作过程中有时需要用酸或碱调节反应液 pH，若局部 pH 过高或过低会引起酶的失活，或使底物和产物发生水解反应，此时可用加快搅拌促使混合均匀
- 如果底物和产物在反应器中不够稳定，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失
- 防止微生物污染
酶反应器操作中生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或损失。造成固定化酶活性损失的原因：
- （1）酶本身的失活
- （2）酶从载体上脱落
- （3）载体的破碎或溶解
第19页：7.5 酶反应器的设计
- 1、确定酶反应器的类型：酶反应器的设计首先要根据酶、底物和产物的性质，按照选择原则选择并确定反应器的类型
- 2、确定反应器的制造材料：由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都在常温、常压、pH 近乎中性的环境中进行反应，所以对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可
- 3、进行热量衡算：酶催化反应一般在 30～70 ℃ 条件下进行，需据此进行热量衡算
注：源文件在本页末尾截断，设计步骤的后继条目未能提取，建议对照原图补充。
