15、酶反应器设计与操作：传质限制与催化剂失活

酶反应器设计与操作：传质限制与催化剂失活

在酶催化反应的世界里，传质限制和催化剂失活是影响反应器性能的两个关键因素。下面将深入探讨这两方面的内容，包括相关的数学模型、具体案例以及实际操作中的注意事项。

传质限制下的酶反应器

在酶反应器中，传质限制会对反应产生重要影响。以BSTR（间歇搅拌釜式反应器）为例，通过特定的方程可以描述其在传质限制下的性能。

在某个反应中，将相关参数代入方程可得：
[
\frac{dX}{dt} = hG(20 - (1 - X), 2, 11) - \frac{(1 - X)}{1 + 20 - (1 - X) \times 0.025}
]
在应用龙格 - 库塔方法求解该方程时，需要选择合适的积分步长 (h)。步长过大虽能减少计算时间，但会降低精度；步长过小则相反。在理想条件下（无内扩散阻力IDR），反应时间为13.5小时。经分析，选择 (h = 30) 分钟较为合适，此时约有27个积分区间。通过龙格 - 库塔方法求解上述方程，可得到底物转化率 (X) 随时间的变化曲线。结果表明，要达到 (X = 0.9) 的转化率，反应时间需要15小时，比理想BSTR的计算值高11%。

此外，还有多个实际案例展示了传质限制对不同类型反应器的影响：
1. CO₂去除装置 ：
- 一种由固定化碳酸酐酶的CPBR（填充床反应器）组成的装置，用于从血液中去除CO₂。在特定条件下，该装置的CO₂去除率为94.8%，出口CO₂浓度为 (0.088 mg \cdot L^{-1})。
- 另一种由聚丙烯膜CSTR（连续搅拌釜式反应器）组成的装置，在相同条