2020年高中生物学竞赛春季疫情辅导讲义
生物反应
2020.4南京
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 （1） 根据所使用的酶，分为
固定化酶反应器
分批式操作 （2） 根据操作方式，分为 连续式操作 流加式操作 罐型 （3） 根据几何形式，分为 管型 膜型
非理想型酶反应器
（4） 根据流体流动特性 活塞式反应器 理想型酶反应器
全混式反应器
3.2 理想型酶反应器
在管式反应器中，当流体以流速较小的层流流动时，管内流体速度呈抛物线形分布；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。
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。 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。
F, Sout
F, S+ dS
dl
F, S F, S
in
流入量-流出量=反应量
FS?F(S?dS)?rAdl 当酶促反应符合米氏方程规律时,r?rmaxSK (2)
m?S将(2)式代入(1)式，得
?FdS?rmaxSKAdl m?S边界条件：l?0,S?Sin;l?L,S?Sout 积分得：
(Sin?Sout)?KSmlnoutS?rVmax inF令：??VF，?为停留时间 (1)
（3）
（4） ??Sin?Sout，?为转化率 Sin则 Sin??Kmln(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
?决定。停留时间?越长，则转化率?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。
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 （1）
F，Sin F，Sout
Sout 当酶促反应符合米氏方程时，反应器内酶促反应速率
r?rmaxSout （2）
Km?Sout 将（2）式代入（1）式中，得 F(Sin?Sout)? 化简，得： (Sin?Sout)?KmSin?SoutV?rmax （4）
SoutFrmaxSoutV （3）
Km?Sout或：Sin??Km?1???rmax? （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。 3.3.3 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
r??dStrS?maxt dtKm?St边界条件：t?0,St?So 积分，得：
(S0?St)?KmlnSt?rmaxt So或：So??Kmln(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”。 对于连续式操作，??（2）转化率?：
V。?又称空时。 F
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