第一节 酶反应器
生物反应器概述
生物反应过程
要求
所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度(或细胞浓度),这样,才能得到较大的产品转化率
能用电脑自动检测和调控,从而获得最佳的反应条件
应具有良好的传质和混合性能
应具有最佳的无菌条件
分类
酶反应器
以游离酶或固定化酶、固定化细胞作为生物催化剂,进行酶促反应的装置,称为酶反应器。
细胞反应器
是利用增殖细胞内的酶系将培养基中的成分转化成产品的装置
培养对象的不同
微生物细胞反应器(发酵罐)
动物细胞反应器
植物细胞反应器
固定化酶反应器的类型及特点
间歇式酶反应器
底物与酶一次性投入反应器内,产物一次性取出,反应完成之后,固定化酶(细胞)用过滤法或超滤法回收,再转入下一批反应。
装置较简单,造价较低,传质阻力很小,反应能迅速达到稳态。
缺点操作麻烦,固定化酶经反复回收使用时,易失去活性,故在工业生产中,间歇式酶反应器很少用于固定化酶,但是常用于游离酶。
连续搅拌釜式反应器(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,反应达到平衡之后,再以恒定的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)。
在理想状况下,混合良好,各部位组成相同,并与输出成分一致。
搅拌浆剪切力大,易打碎磨损固定化酶颗粒。
填充床反应器(PBR)
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,在一定的反应条件下实现酶催化反应,以一定的流速,收集输出的转化液(含产物)。
在柱床中,液体流动型态接近于平推流(又称活塞流)型,因此,PBR(填充床反应器)可以近似地看成是一种平推流型反应器。
由于它具有高效率、易操作、结构简单等优点,因而,PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器
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。因为固体颗粒易堵塞柱床,黏度大的底物溶液难以在柱床中流动。
流化床反应器(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时,便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。
由于反应器内混合程度高,因此,传热、传质情况良好。FBR(流化床反应器)可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液,同时,亦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)。
连续搅拌罐——超滤膜反应器
在CSTR出口处设置一个超滤器。该超滤器中的半透性超滤膜只允许小分子产物通过,不允许大分子酶和底物通过。因此,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。
对固定化酶反应器的选择
固定化酶的形状
颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用PBR(填充床反应器),而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均适用于CSTR(连续搅拌釜式反应器),但是,膜状、纤维状固定化酶不适用于CSTR。
底物的物理性质
第二节 酶传感器
生物传感器概述
生物传感器是一种分析测试装置,具有专一、灵敏、快速、简便、准确的优点,用于测定混合物溶液中某种物质的浓度。
生物传感器是由感受器和换能器两部分组成
感受器能够选择性地使目的物质发生化学变化或物理变化,从而产生化学信号(如:离子浓度,气体浓度等)或物理信号(如:温度变化,发光等)。
分类
酶传感器的结构与工作原理