床反应器。
• 固定化酶通常可以各种形状，如球形、碎 片、碟形、薄片、丸粒等填充于床层内。
• 它所使用的载体有多孔玻璃珠、珠状离子
交换树脂、聚丙烯酰胺凝胶、二乙胺乙基
葡聚糖凝胶、胶原蛋白薄膜片等。
• 近年来，球形微囊体也用于填充床。
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• 在填充床反应器内流体的流动型态接近于
平推流(又称活塞流)流型，所以填充床反应
BSTR和CSTR的共同特征：
• 结构简单、操作方便、适用面广 ( 可用于粘 性或不溶性底物的转化加工 ) ，在底物表现 出抑制作用时可获得较高的转化产率；
• 但是在产物表现出抑制作用时底物的转化 率就会降低。BSTR可用于溶液酶的催化反 应，它的操作也比CSTR简便。
平推流反应器（plug-flow reactor）
所以搅拌速度不能太高。
根据酶反应的动力学特性来选择
• 选择反应器，必须考虑酶反应的动力学特
性。
• 接近平推流特性的填充床反应器 (PFR/PBR) ，在固定化酶反应器中占有主 导地位，它适合于产物对酶活性具有抑制 作用的反应。
• PFR（平推流反应器）和CSTR相比，总效
率PFR优于CSTR，特别是当产物对反应有
抑制作用时，PFR的优越性更显突出。
• 若底物表现出对酶的活性有抑制作用时，
CSTR所受的影响要比PFR少一些。
• 酶反应器的催化反应速度，一般是CSTR型 随搅拌速度加快而增加， PFR 型随流速增 加而加快。 • PFR：平推流反应器
根据外界环境对酶的稳定性的影响来选择
• 在反应器的运转过程中，由于在高速搅拌 时，高速液流的冲击，常常会使固定化酶 从载体上脱落下来，或由于磨损，引起粒 度的减小而影响固定化酶的操作稳定性， 其中以CSTR最为严重。
三、固定化酶（细胞）的反应器 及应用
Immobilized Enzyme （ Cell ） Reactor techniques and Its Applications
三、固定化酶（细胞）的反应器
• 1. 固定化酶反应器的类型和特点 • 2. 固定化酶反应器的选择依据 • 3. 固定化酶反应器的性能评价 • 4. 固定化酶反应器的操作
转化，低压降。但是它消耗动力大，不易
直接模仿放大。
• CSTR/UFR 既适用于水溶性酶，也适用于
不溶性或粘性底物；如果长时间运转，会
使酶的稳定性降低，也容易被超滤膜吸附，
并产生浓差极化现象。
• RCR 的转化率高，可以采用高速液流克服 外扩散的限制；但是它的设备成本高。
• 若考虑反应器的价格，CSTR最便宜，它结
• 溶解性或浊液性底物，对任何类型的反应
器都适用；
• 颗粒状和胶状底物，往往会堵塞填充床， 需 要 采 用 高 流 速 搅 拌 的 CSTR 、 FBR 和 RCR 以减少底物颗粒的集结、沉积和堵塞， 使底物保持悬浮状态。
• 对于高流速搅拌的CSTR，如果搅拌速度过
高又会使固定化酶从载体上被剪切下来，
固定化酶的形状
• 通常呈颗粒状、片状、膜状或纤维状固定
化酶均可采用 PBR ，而颗粒状、粉末状及
片状固定化酶均适用于CSTR。
• 膜状、纤维状固定化酶不适用于CSTR。
• 其中，膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应 器。
• 粉状固定化酶或者易变形、易粘结的固定
化酶，由于它们易造成堵塞，并产生高压
力降，而无法实现高流速，此时，可采用
• 为解决这一问题可以改进反应器的设计
• 如把酶直接粘接在搅拌轴上，或者把固定
化酶放置在与轴相连的金属网篮内。 • 这些措施均可使酶免遭剪切，减少了外界 环境对酶的稳定性的不利影响。
根据操作要求及反应器费用来选择
• 有些酶反应需要不断调整 pH，有的需供氧， 有的需补充反应物或补充酶。 • 所有这些操作，在CSTR中可无需中断而连 续进行； • 在其他反应器中则比较困难，需要由特殊 设计来解决。
流化床反应器(FBR)。
• FBR---流化床反应器
底物的物理性质
• 底物的物理性质是影响选择反应器的重要
因素。
• 可溶性底物适用于各类反应器。
• 难溶底物或者呈胶体溶液底物，易堵塞柱
床，可选用FBR。
• 只要搅拌速度足够高，CSTR能维护颗粒状
底物和固定化酶在溶液中呈悬浮状态，所
以颗粒状底物溶液可适用于CSTR。
断处于悬浮翻动状态，流体流动产生的剪
切力以及固定化酶的碰撞会使固定化酶颗
粒受到破坏。
• 此外，流体动力学变化较大，参数复杂， 故放大反应较为困难。
循环反应器(RCR)
• RCR 这种反应器是让部分反应液流出，和
新加入的底物流入液混合，再进入反应床
进行循环。其特点是可以提高液体的流速
和减少底物向固定化酶表面传递的阻力，
间歇式搅拌罐反应器(BSTR)
• 间歇式搅拌罐反应器也称为分批搅拌反应
器
• 这类反应器的结构简单，主要设有夹套或 盘管装置，以便加热或冷却罐内物料，控 制反应温度。这类反应器主要用于游离酶 (enzyme reactor)反应。
• 将酶与底物一起加入反应器内，控制反应
条件，待达到预期转化率后，随即放料。
• PFR 最突出的优越性在于它有较高的转化
效率，尤其是当产物抑制酶反应时，其转
化效率明显优于BSTR和CSTR。
• PFR 的缺点是用小颗粒固定化酶时，可能
产生压密现象；如果底物是不溶性的或粘 性的，这类反应器不适用。
流化床反应器
• FBR 的优点是物质交换与热交换特性较好，
不引起堵塞，可用于不溶性或粘性底物的
改良的CSTR
• 是将载有酶的圆片聚合物固定在搅拌轴上
或者放置在与搅拌轴一起转动的金属网筐
内，这样既能保证反应液搅拌均匀，又不 致损坏固定化酶。
填充床反应器(PBR)
• PBR（Packed bed reactor）这种反应器
的使用最普遍，到目前为止，已发表的固
定化酶反应器的研究工作主要集中在填充
CSTR/UF
• 此外这种反应器还可以使相对分子质量小 的产物和相对分子质量大的底物分开，使 底物彻底转化。
其他反应器
• 除上述反应器外，还有淤浆反应器、滴流
床反应器、气栓式流动反应器、转盘式反
应器、筛板反应器及不同类型反应器的结
合等。
• 1. 固定化酶反应器的类型和特点 • 2. 固定化酶反应器的选择依据 • 3. 固定化酶反应器的性能评价 • 4. 固定化酶反应器的操作
构简单，又具有良好的操作性，适应性强。
• 此外还应考虑固定化酶本身的费用以及在
各种反应器中的稳定性。
• 综上所述，在反应器的选择上并无固定模
式可循，必须根据上述各项条件综合权衡，
才能做出正确的决定。
3. 固定化酶反应器的性能评价
影响酶反应器性能的因素很多，一般可以从
以下几个方面考虑：
• 固定化酶的形状 • 底物的物理性质 • 固定化酶的稳定性 • 酶反应动力学特性
至会使固定化酶的结构受到损坏。
FBR
• 为了保证一定的流动速度，并使催化反应
更为完全，必要时流出的反应液可以部分
循环进入反应器。
FBR
• 流化床式反应器具有混合均匀，传质和传
热效果好，温度和pH的调节控制比较容易，
不易堵塞，对粘度较大的反应液也可进行
催化反应等特点。
FBR
• 然而，在这种反应器中，由于固定化酶不
可以达到较高的转化率。当反应底物是不
溶性物质时，不可以采用循环反应器。
RCR
连续流动搅拌罐一超滤膜反应器
CSTR/UF 是由连续流动搅拌罐反应器和超
滤装置组合而成的反应器。它在连续搅拌
反应罐的出口处装有一半透性的超滤膜，
这种膜只允许产物和未曾反应的底物通过，
相对分子质量大的酶被截留，可以使酶反
复使用。
• 连续流动搅拌罐反应器在结构上与间歇式
反应器基本相同，只不过是连续进料、连
续出料。
• 由于它具有搅拌系统，反应器内的各组成
成分能得到充分混合，分布均一，并与流 出液的组成相一致。
• 其缺点是，由于搅拌浆产生的剪切力较大，
容易引起固定化酶的破坏。
• 近来有一种改良的连续流动搅拌罐反应器 （CSTR）。
体的反应更为重要。
PBR或PFR
packed bed reactor， PBR plug-flow reactor， PFR
• 在填充床式反应器使用过程中，底层的固
定化酶颗粒所受到的压力较大，容易引起
固定化酶颗粒的变形或破碎，为了减少底
层固定化酶颗粒所受到的压力，可以在反
应器中间用托板分隔。
• 填充床式反应器的优点是设备简单，操作
FBR
• FBR 可用于处理粘性强和含有固体颗粒的
底物，也可用于需要供应气体或排放气体
的反应。对于停留时间较短的反应也可用
FBR。
流化床 反应器
FBR
• 在实际应用过程中，要注意控制好底物溶
液和反应液的流动速度。流动速度过低时，
难于保持固定化酶颗粒的悬浮翻动状态；
流动速度过高时，则催化反应不完全，甚
方便，单位体积反应床的固定化酶密度大。
在工业生产中普通使用。
流化床反应器(FBR)
• 在流化床反应器（ FBR ）内，底物溶液以
足够大的流速向上通过固定化酶床层，使
固体颗粒处于流化状态，达到混合的目的。
流速应以能使酶颗粒不下沉，又不致使颗
粒溢出反应床为宜。在 FBR 中，由于混合
程度高，故传热、传质情况良好。
• 在这种情况下，一般不回收游离酶。当前 在食品和饮料工业中常用这种反应器。