14、酶反应器设计与传质限制下的操作问题解析

酶反应器设计与传质限制下的操作问题解析

在酶反应器的设计和操作中，内部扩散限制（IDR）和外部扩散限制（EDR）是影响反应效率的重要因素。本文将通过多个实际问题，深入探讨在传质限制条件下酶反应器的设计与操作，以及如何解决相关问题。

1. IDR 下 hG 的表达式

在 IDR 情况下，hG 的表达式并非像 EDR 那样具有解析形式，而是一个数值关联式。考虑到相关方程，hG 可表示为：
[h_G = f(b_{0i}, X, F)]
当酶在反应器操作期间保持完全活性时，F 为常数，仅取决于酶的动力学参数、底物扩散系数以及催化剂颗粒的尺寸和几何形状。此时，对于给定的 F 值，hG 可简化为：
[h_G = f(b_{0i}, X)]
为了便于求解相关方程，可将该数值关联式拟合为数学表达式，尽管其可能没有明确的物理意义，但有助于解决实际问题。

2. 具体问题分析

2.1 二肽水解问题

• 问题描述 ：将二肽 Z - Gly - Leu - NH₂（GLA）用固定在直径为 2 mm 的球形多孔聚氨酯颗粒中的枯草芽孢杆菌中性蛋白酶进行水解。在 35°C 和 20°C 两种温度下，分别计算获得 75% 转化率所需的催化剂质量和最小反应体积。
• 操作步骤 ：
  1. 对于 35°C 情况：
     • 确定相关参数，如 (a_{sp,35°C})、(K_{M,35°C})、(D_{eff,35°C}) 等。
     • 根据方程计