關于酶十章-酶反應器和傳感器第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六第一節酶反應器一、生物反應器概述生物反應過程：利用生物催化劑將原料轉化成有用物質的過程。四個組成部分：——原材料的預處理——生物催化劑的制備——生物反應器的選擇及反應條件的控制——產物的分離提純第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應過程:由生物工程所引出的生產過程第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器：在整個生物反應過程中處于中心的地位，連接原料和產物的橋梁，是實現生物技術產品產業化的關鍵設備。在反應器中，通過產物的合成，使廉價的原料升值。生物反應器的設計和操作，是生物工程中一個及其重要的問題，它對產品的成本和質量有很大影響。評價生物反應器主要是看它生產能力的大小以及產品質量的高低。第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六與一般的化學反應器相似：維持一定的溫度、pH、反應物（營養物質，包括溶解氧）濃度，并具有良好的傳質、傳熱和混合性能，以提供合適的環境條件，確保生物反應的順利進行。與一般的化學反應器不同：細胞生物反應器在運行中要杜絕外界各種微生物的進入，避免雜菌污染造成的損失。生物反應器的要求第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器生物反應器設計的主要目標是使產品的質量高，成本低。生物反應器處于生物過程的中心，它常是影響整個過程的經濟效益的一個重要方面。第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器歷史簡介生物反應器這一術語出現的時間不長，但人們利用生物反應器進行有用物質生產卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統發酵食品時使用的容器就是最初的生物反應器。20世紀40年代是生物反應器的開發、研制和應用獲得迅速發展的階段。傳統生物工業中使用的生物反應器稱為“發酵罐”（fermenter）第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器歷史簡介20世紀70年代，Atkinson提出了生化反應器（biochemicalreactor）一詞，其含義除包括原有發酵罐外，還包括酶反應器、處理廢水用反應器等。同一時期，Ollis提出了另一術語——生物反應器（biologicalreactor）.20世紀80年代，生物反應器（bioreactor)一詞在專業期刊與書籍中大量出現。第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器設計的目標和原則生物反應器的作用：為細胞代謝提供一個適宜的物理及化學環境，使細胞能更快更好地生長，并得到更多需要的生物量或代謝產物。判斷標準：判斷生物反應器好壞的唯一標準是該裝置能否適合工藝要求以取得最大的生產效率。設計目標：生物反應器設計的主要目標是使產品的質量高、成本低。節能的重要性：生物反應器處于生物過程的中心，是影響整個生物過程的經濟效益的一個重要方面，其中生物反應器的節能是設計的一個重要因素。第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器設計的目標和原則

生物反應器設計的重要方面：

①改善生物催化劑；

②好的過程控制；

③好的無菌條件；

④克服速度限制因素（物質、熱量、質量傳遞）等。第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器設計的目標和原則優良的生物反應器應具備：

(1)嚴密的結構；

(2)良好的液體混合性能；

(3)較高的傳質、傳熱性能；

(4)配套而又可靠的檢測和控制儀表。第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器設計的目標和原則根據生物反應過程中生產成本結構的不同，生物反應器中的生物反應過程可以分為三類： （1）轉化成本或原料成本為主

（2）回收成本為主

（3）底物的高轉化率為目標過程要求：設計的生物反應器有高的生產能力和高的回收率過程要求：生物反應器有高濃度的產物及低含量雜質過程要求：生物反應器具有高的生產能力第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器設計的目標和原則根據不同類型的生物轉化過程就應該選擇不同形式的生物反應器，以不同的操作方式，最大限度地滿足生物轉化的要求。第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六過程工程方面的廣泛的文獻資料的利用；考慮過程需求后，選擇合適的反應器系統；有效的實驗室和中試規模的實驗；將實驗數據合理外推到工業化規模的工廠；發展設計程序和成本模型；將從初始設想到工廠生產之間的間隔期減到最低程度。生物反應器設計的目標和原則包括對過程開發的以下方面的探索和優化：設計方法學第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器設計的目標和原則生物反應器設計和操作的限制因素主要是傳質和傳熱。傳質和傳熱是設計生物反應器和控制操作條件最主要考慮的問題。傳質問題在底物不溶的反應過程中是顯而易見，在高耗氧的生物反應過程中則尤為突出。新的反應器不斷出現，相應地提高了傳質效率。傳熱問題在放熱的生物反應過程中非常重要，為了保持生物反應器能在常溫下進行，如何移走熱量是進行大型的生物反應器設計時必須重視的一個環節。傳質和傳熱第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類酶反應器中的生物反應比較簡單，與一般的化學反應器無大的區別。細胞生物反應器中的生物反應比較復雜，通過細胞中精確調控的酶系進行催化的，經過一系列的生物反應將培養基的成分轉化為新的細胞個體以及各種代謝產物。為了使細胞能有效地維持催化活性，必須避免受到外界各種雜菌的污染。反應是由酶催化的，在反應過程中本身沒有變化。采用活細胞（包括微生物、動植物、細胞）為生物催化劑，在反應的同時，細胞本身也得到了增殖。酶反應器細胞生物反應器1.生物催化劑的不同生物反應器第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類間歇式生物反應器：基本特征是反應物料一次性加入和取出，反應器內物系的組成僅隨時間而變化。在該類反應器內進行的反應過程是一非穩態過程。間歇式生物反應器在生物反應器中占有重要位置，適合于多品種、小批量、反應速率較慢的反應過程。間歇式2.反應器的操作方式生物反應器連續式半連續式間歇式第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六以酶為催化劑的間歇式生物反應器：在反應開始到結束的整個反應過程中，沒有底物和產物的加入和取出，但底物和產物的濃度是隨反應時間的變化而變化。生物反應器的分類第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類連續式生物反應器：采用連續操作，可以一定的流量不斷加入新的培養基，同時以相同的流量不斷取出反應液，這樣就可以不斷地補充細胞需要的營養物質，而代謝產物則不斷被稀釋而排出，使生化反應連續穩定地進行下去。連續式生物反應器中的反應大多屬于穩態過程，反應器內任何部位的物系組成均不隨時間而變化。間歇式生物反應器連續式半連續式連續式第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類連續式生物反應器克服了在間歇式生物反應器中，由于營養基質耗盡或有害代謝產物積累所造成的反應只能在有限的時間內進行的缺點。連續式生物反應器具有產品質量穩定、生產效率高等優點。對其操作及質量控制提出了更高的要求。第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類半連續式生物反應器：采用將原料與部分產物連續輸入或輸出，其余則分批加入或輸出的半連續操作。半連續生物反應器同時具有間歇式生物反應器和連續式生物反應器的一些特點。間歇式生物反應器連續式半連續式半連續式第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類主要差別反映在外型和內部結構上的不同膜式3.反應器的結構特征生物反應器釜式管式塔式第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類通過機械攪拌輸入能量循環式4.能量的輸入方式生物反應器機械攪拌式氣升式利用氣體噴射動能利用泵對液體的噴射作用而使液體循環第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類生物膜反應器5.生物催化劑在反映器中的分布方式生物反應器生物團塊反應器填充床流化床生物轉盤第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六生物反應器的分類活塞流型生物反應器

6.反應物系在反應器內的流動和混合狀態生物反應器全混流型生物反應器第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六二、酶反應器的類型和特點酶反應器基本上是游離酶、固定化酶或固定化細胞催化反應的容器（附加上混合、取樣和檢測設備）。作用：以盡可能底的成本，按一定的速度由規定的反應物制備特定產物。按幾何形狀：罐狀、管狀、膜或片型按進料和出料方式：分批式、半分批式、連續反應器按功能：膜反應器、液固反應器、氣液固三相反應器第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六酶反應器酶反應器游離酶固定化酶用于酶催化反應的裝置第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六固定化酶反應器固定化酶反應器間歇式連續式其他連續流動攪拌罐式反應器連續填充床反應器連續流動攪拌罐—超濾膜反應器淤漿反應器、滴流床反應器不同類型反應器的結合根據進料和出料的方式不同劃分第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六固定化酶反應器固定化酶的形狀固定化酶反應動力學操作要求反應器的費用底物的物理性質反應器選擇因素理想的固定化酶反應器第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六（一）游離酶反應器1、攪拌罐式反應器2、超濾膜反應器第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六連續式攪拌罐式反應器間歇式攪拌罐式反應器攪拌罐-超濾器聯合反應器列管式填充床式反應器流化床式反應器環流式反應器多級連續式攪拌罐式反應器螺旋卷式生物膜反應器多級串聯半連續式操作反應器填充床式反應器帶循環的填充床式反應器第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六（二）固定化酶反應器1、間歇式酶反應器又稱分批反應器(BatchStirredTankRaeactor,BSTR)，間歇式攪拌反應器，攪拌式反應罐。第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六2、連續攪拌釜式反應器又稱連續式攪拌罐(ContinuousStirredTankReactor)。第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六3、填充床反應器(PackedBedReactor,PBR)又稱固定床反應器第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六4、流化床反應器(FluidizedBedReactor,FBR)第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六5、連續攪拌罐—超濾膜反應器(CSTR-UFR)第36頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六6、其他類型反應器（1）循環反應器（