第四章 连续式操作反应器Microsoft PowerPoint 演示文稿 (2)

单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高 时，可以使用。如果既要转化率高，又要细胞生
产强度高，单罐连续发酵就满足不了这个条件。
如何设计才能使转化率和生产强度都高，用 多级串联连续就能解决这个问题，一般用两个罐
就可满足生产要求，第一个罐用作提高生产强度， 第二个罐用作提高转化率。
最佳稀率（Dopt)
作用。循环量大小影响反应时间，因此循
环量过大反应速率下降。
带循环的CPFR，循环量与进料量之比值
成循环比，反应速率最高时的循环比称最
佳循环比。
八、微生物细胞反应动力学在生产中的应用 1、酒精生产应用 酒母培养 连续发酵 2、污水处理 厌氧发酵 好氧发酵
酒精连续发酵
酒精连续发酵源于半连续发酵
X1 X X 2
细胞循环连续发酵讨论
循环与不循环相比： 在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产 能力。 在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转 化率（CS降低） 在生产能力和转化率一定时，可减小设备体 积。 如果细胞不浓缩， D =μ，对CSTR无意义。 生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞 浓度。
微生物细胞生产强度(PX)与稀释率的关系
Px DCX
菌体浓度（CX）、底物浓度（CS）、生产强 度（Px）与稀释率（D）的关系作图如下：
CX CS CX
DCX CS Dopt Dc
DCX D(h-1)
从上图看出： 1）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度 (生长速率）（DCX）,随着稀释率（D）增大 而增大，当达到一定的稀释率后，其细胞生 产强度随着稀释率增大而降低。 2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（CX）
对底物抑制的酶反应，由于在CPFR中维持了比
CSTR中更高的底物浓度，因而在CPFR中底物的抑
制作用更强烈，此时显然采用CSTR更为有利。若
为使反应器体积最小，可以采用一个CSTR与一个 CPFR的串联设计方案，底物在CSTR中的浓度可保
持在反应速率最大时的浓度。也可采用循环式
CPFR的设计。 对产物抑制酶反应，由于在CSTR中维持了比CPFR 中较高的产物浓度，因而在CSTR中产物的抑制作 用较大，此时显然应采用CPFR 更为有利于。
最佳稀释率是细胞生产强度 （生长速率）最 大时的稀释率。 生产强度对D求导，等于零，即求得稀释率最大值Dopt
KS D PX DC X DYX S (CS 0 ) max D dPX 0 dD
Dopt
KS max 1 K S CS 0
最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（CXopt）及最 大生产强度（PX)opt
CX 1 1 1 1 1 m (1 ) D1 D2 1 2 CX 2 1 D1 D2 C X 1 0.85C X 2 ; 2 D CX 1 2 1 (1 ) 1 (1 0.85) 0.151 CX 2 0.15 0.15 0.15 m 0.3
1
2
2
2
以上计算，表明用两个罐串联发酵（培 养）时间是单罐发酵时间的0.3倍，或说双
罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.3倍。反
之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间
是双罐串联发酵时间的3.33倍，或说单罐
发酵罐体积是双罐发酵罐体积的3.33倍。
两级串联培养，第一级控制最佳稀释率, 达到最大生长速率。第二级保证底物的转 化率。就是根据细胞生长动力学的科学设 计。
1 2 2 D2
两罐串联与单罐连续发酵时间的对比
假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐
的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2
两罐与单罐排出的底物浓度相等，即：
CS2=CS
1 单罐发酵时间用τ表示: D
两罐发酵时间用τm表示：
1 1 m D1 D2
第四章 连续式操作反应器
连续操作是保持酶和微生物细胞反应始终处在稳 定最优反应条件下的操作方式。 连续操作流体流动状态直接影响到反应速率和 反应结果。反应器内流体流动状态一般用返混程 度和浓度分布的概念来描述。 生物反应器有两种基本的理想流动没模型，即 返混程度极大的全混流式反应器和没有返混的平 推流反应器。
F CSo CXo μ1CX1V1 CS1
F CS1 CX1 μ2CX2V2 CS2
F CS2 CX2
连续稳定时，CX0=0
对第一个罐细胞平衡：
1C X 1V1 FC X 1
F 1 D1 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1
对第二个罐细胞平衡：
FC X 1 2C X 2V2 FC X 2 CX 1 CX 1 F 2 (1 ) D2 (1 ) V2 CX 2 CX 2 V1 V2 CX 2 CX 1 D1 D2
三、单罐连续培养(细胞循环)
R 循环比，即循环量与进 料量的比值。
F CS0 RF CS CX1 μCXV CS （1+R）F CS CX
对菌体平衡
F CS CX2 RF CS CX1
发酵罐培养系统菌体平衡
RFCX 1 CXV (1 R) FCX
细胞浓缩分离系统菌体平衡
(1 R) FCX RFCX 1 FCX 2
底物浓度（CS）与稀释率的关系：
D max
CS K s CS
Ks D CS max D
菌体相对基质得率系数Yx/s
Yx / s X S
菌体浓度与稀释率的关系
Ks D CX Yx / s (CS 0 CS ) Yx / s (CS 0 ) max D
VμCX CS
F CS CX
生长比速率与稀释率的关系 发酵罐浓度视为均一 开始接入微生物细胞（连续进料后不再加入)，当 连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡： 生长量=排出量 VμCX=FCX F V D- 稀释率（h-1） 即：μ=D
F D 令： V
稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过 程生长比速率可以人为控制。 连续发酵的必要条件 D＜μmax 当D＞μmax，发酵就发生“冲出”现象。 * * * * * * 连续发酵μ随着D的变化而变化，自动趋 向稳态，即μ=D
C X ,opt YX S CS 0 K S K S (CS 0 K S 最大生产强度: （PX )opt D0 pt C X .opt K S CS 0 KS YX S max CS 0 CS 0 CS 0
2
二、两级串联连续发酵（培养）
F CS0 RF CS CX1 μCXV CS
（1+R）F CS CX
F CS CX2 RF CS CX1
RFCX 1 CXV (1 R) FCX
(1 R) FCX RFCX 1 FCX 2
C X 1V FC X 2
CX 2 F CX 2 D V CX CX CX 2 1 CX D
运行两周后，回收的酵母在pH2下浸泡1小时后再
用。酒精度，第一个罐6.1，第二个罐8.4，
pH4.7~4.8，100Kg废糖蜜出28~29L酒精。
酒精连续发酵
第二节微生物细胞连续操作反应器
一、单级连续发酵（培养）（CSTR)
如左图所示： V –发酵罐（生物反应器） F 有效容积（L） CSo F –培养基体积流量 CXo （L/h）； CS0 –底物初始浓度 （g/L）； CS__—发酵罐内底物浓度 （g/L）； CX—发酵罐内菌体浓度 （g/L）； CX0- 初始接种菌体浓度（g/L）；
Vr R V0 R 循环比； Vr RV0
对系统物料衡算：
V0 RV0 V1 V0CS 0 RV0CSf V1CS1
反应时间：
VR P V0 RV0
带循环的CPFR与不带循环的相比，对底 物的抑制的酶反应起到稀释作用，可提高
反应速率。对细胞反应起到了连续接种的
第一节 酶反应连续操作反应器 （1 ）全混合式反应器（CSTR）
对底物的物料衡算式有：
V 0 cS 0 V 0 c S r S V R
0
dc
dt
S
V
R
V ——物料流量 c 、 ——进料、反应器中的底物浓度 c
S0
R
S
V
——反应器有效体积
dc 在连续稳态时， S 0 ，并由上式可得：
dt
V V
m
R 0
c
cS S0
r
S
均相酶反应，符合M-M方程反应：
r
max
m
(cS 0 cS ) K m
c
S0
cS
S
c
（2）平推流式反应器（CPFR)
V c V (c dc ) r dV
0 S 0 S S S
R
dc
dt
S
dV
R
dc 连续稳态操作时，
（3）影响酶反应速率的因素 1、酶浓度
rS max K2CE 0
2、温度 3、PH
（4）CSTR与SPFR选择与结合 酶反应过程，首先以单底物、无抑制的均 相酶反应动力学为例对CSTR和CPFR作比较与 选择。
VR ,CSTR VR ,CPFR
Km X S XS ( ) cs 0 1 X S Km 1 XS ln cs 0 1 X S
dt
S
0 ,于是
V 0 dcS r S dV R
• 对整个反应器有，有
cSf dcS V R 1 dV R 0 cS 0 r S V
CS 0 dC VR S P CSt V0 rS
对符合M-M方程的反应，积分：
CS 0 rmax P CS 0 CS K m ln CS CS 0 CS XS CS 0 1 rmax P CSo X S K m ln 1 X S
达到同一转化率时，CSTR所需体积要比
CPFR所需体积大，或需要更多的酶。并且
转化率愈高，两者比值愈大。这表明，转
化率愈高，返混对反应影响程度愈大。
随着Km/Cs0值从零到最大，反应速率与底
物浓度的关系由零级升为一级，两种反应
器的体积比随之增大。这表明，随着反应
级数提高，返混的影响亦在增大。
和底物浓度（CS）变化很小。当增大到一定
程度，其变化迅速增加。
3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲 出，罐内菌体浓度为零，底物浓度等于初 始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（DC）。 4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率 （D0pt），即细胞生产强度最高。 5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越 高（转化率高）。
四、带循环的CPFR
V0 V 1 CS0 C S1 V0 CSf
Vr CSf
V0 进料量,L/h； Vr 循环量，L/h； V1 进料量与循环量流量之和，L/h； C S 0 进料底物浓度，g/L； C Sf 出口底物浓度，g/L； C S1 进料与循环料混合后的底物浓度，g / L
1个25KL硫酸罐，15个100KL发酵罐，1个
10KL糖蜜溶解罐，1个100KL醪液备用罐。3
台离心分离机。
设备总容积：1770KL
例2
70年代用糖蜜连续酒精发酵，用2个发
酵罐，罐径5m，高8.6m，总容积170m3，将6T废糖 蜜稀释22KL，将pH调到5，灭菌。送到发酵罐，稳 态后在第一、二个罐共停留时间10.5小时，第二 个罐流出的醪液分离的酵母流入第一个罐，连续
由以上积分式可知，平推流式反应器 （CPFR)与间歇操作全混合反应（BSTR）， 其反应时间相同，不同之处是，一个是反应 浓度随着反应时间而变化，一个是随着反应 器的位移而变化。
连续操作反应器的特点：
CSTR：反应器浓度均一，浓度不随时间变 化，流出的物料浓度与反应器内物料浓度 相同。
CPFR：物料浓度在横截面上浓度均一，随着 在反应器内位移而发生变化。
1933年国外就用糖蜜原料进行酒精半连续发酵，采用 的技术是对酵母回收利用，在利用的过程酸处理。 操作要点：发酵终了醪液送入酵母分离机，分离相当醪液
7%的酵母乳，将酵母乳送到酵母处理槽加硫酸至pH3，
酸化6小时，然后与糖蜜稀释液一起混合进发酵罐。该
技术传到巴西，所有的酒精工厂都利用。
举例： 例1： 日产120KL无水酒精，4个30KL酵母罐，