05-第五章 间歇式操作反应器

（3）最小湍流漩涡长度
4.3.3.2 气流搅拌的剪切力
4.4 生物反应器中的氧传递
4.4.1汽液相间氧的传递与反应 氧的特性：氧是一种难溶气体，25℃和1大气压时，空气中 的氧在纯水中的平衡浓度仅8.5g/m3，由于盐析作用，<8g/m3，
仅是葡萄糖的1/6000。
氧是构成细胞及其代谢产物的组分,通过体内糖、脂肪等 生物氧化获得生命活动所需的能量。
对液相反应．如反应器有效体积不随时间发生变化，则有
dc S rS dt
tr
cS
c S0
dcS rS
XS c S c s0 cs0
若设反应组分s的转化率为Xs，即
t r cS 0
XS
0
dX S rS
表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取 决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小
1 均相酶反应过程
如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合M-M方程
cS cS rp k 2c E 0 rP ,max cS K M cS K M
(5)
t r cS 0
XS
0
rmax
cS 0 dX S cS rmax cS K M

XS
4 最优反应时间的确定
VR c P FP tr tb dc P VR ( t r t b ) cP dt r dFP 2 dt r (t r t b ) dc P cP dt r t r ,opt t b
例如对均相酶反应，假定其动力学符合M—M方程，如果不考 虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0：
Δp s 推动力 Δp1 Δp 2 nO2 阻力 R1 R2 Rs 传递系数 推动力 K1 Δp1 K 2 Δp 2 K s Δp s
四．氧传递速率方程
当气液界面不存在表面活性物质时，界面阻力 (R2)可忽略，主要传递阻力存在于气膜和液膜。 氧传递达到稳态时：
分类有利于对反应器进行模拟与放大。
根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、
膜式等。
若根据反应器所需能量的输入方式不同来分，
则有通过机械搅拌输入能量的机械搅拌反应器、
利用气体喷射动能的气流搅拌反应器和利用泵对
液体的喷射作用而使液体强制循环的反应器。
几种酶反应器
几种细胞反应器
生物反应器分析（优化和放大）与设计
二．非牛顿型流体
1 拟塑性流体（假塑性流体） 流动特性表达式：＝K n (0<n<1)
式中：K－稠度系数；n－流动特性指数
特点：K越大，流体越粘稠；n值越小，流体的非牛顿 特性越明显。
n 1 a K
2 涨塑性流体(膨胀型) 流动特性表达式：＝K n (n>1)； n值越大，流体的非牛顿特性越明显。
反 应 器 结 构
反 应 器 体 积
生物反应器设计的主要目标是寻求反应目的产物的高 生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。 生物反应器设计的基本内容包括：
①选择合适的反应器型式与操作方式。即根据生物催化剂和生 物反应动力学特征，以及物料的特性和生产工艺特点，选 择合理的结构类型、流动方式和相关的传递过程条件； ②确定最佳的操作条件与控制方式，如温度、压力、PH、通气 量、物料流量等工艺参数； ③计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。

当cS0>>Km时，即反应呈零级反应特征时:
rmax t r cS0 XS cS0 cS
K M (k 2 k 1 ) / k 1 K S (k 1 ) / k 1 K M K S k 2 / k 1

对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模 型．则有：
反 应 器 操 作 方 式

反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积

反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡 算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。
VREACTOR
V间歇反应釜 V0C A 0
生产任务 F 推动力/ 阻力 r
x Af
0
V0CA 0 (X Af CA 0 ) dx A VCSTR rA rAf
0
KM 1 c S
dX S
1 rmax t r cS0 X S K M ln 1 XS cS 0 rmax t r (cS0 cS ) K M ln cS

当cS0<<Km时，即反应呈一级反应特征时:
c S0 1 rmax t r K M ln K M ln 1 XS cS
来自百度文库 细胞反应过程
dc X rX c X dt
cS cS 0
1 YX / S
(c X c X 0 )
1 cS0 (c X c X 0 ) YX / S max 1 K S cS0 (c X c X 0 ) YX / S
YX / ScS0 (cX cX 0 ) max YX / SKS YX / ScS0 (cX cX0 )
4.2 间歇式操作反应器的设计
4.2.1 间歇式操作的特点
非稳态过程 所有物料具有相同的停留时间和反应时间 随着反应的进行，反应器的效率将降低
优点
①较适合多品种、小批量的生产过程。有不少生 物制品是小批量生产的，因此使用同一台反应 装置，可进行多品种的生产。 ②较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数生 物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使用 具有间歇操作特征的大容量生物反应器。 ③分批进行的过程染菌率较低。
maxt r
cX
c X0
YX / SK S YX / ScS0 (c X c X0 ) 1 dc X YX / ScS0 (c X c X0 ) cX
YX / ScS0 (c X c X 0 ) cX max t r A ln B ln c X0 YX / ScS0 A YX / S K S YX / ScS0 c X 0 YX / ScS0 c X 0 YX / S K S B YX / ScS0 c X 0
n 1 a K
3 宾汉(Bingham)塑型流体
流动特性表达式: ＝ 0＋ 式中: 0－屈服应力； －刚度系数 特点：当< 0 时，流体不发生流动。
4 凯松(Casson)流体
流动特性表达式：0.5＝ 00.5＋Kc Kc－凯松粘度
0.5
总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与 热量传递、混合特性及菌体生长等产生影响，这给 工艺过程控制与设备放大带来困难。
rmax K 2cE K 2cE0 exp(k d t r )
kd 1 1 tr ln 1 c X c K ln S S E M 0 k d K 2c E 0 1 X S
举例5-1
2 固定化酶反应过程 假定反应过程发生在固定化酶颗粒内，反应速率不受外扩 散限制，但受内扩散限制。
第四章 生物反应器的操作模型
4.1 操作模型概论
分类与特征
按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶 反应器；细胞生物反应器 根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇 反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器 根据生物催化剂在反应器的分布力式：生物团块 反应器；生物膜反应器
根据相态来分：有均相反应器；非均相反应器。 理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型 （即全混流和平推流）。 实际的连续流动反应器的流动和混合状态处于它 们之间，为非理想流动，对生物反应器进行这种
L tr 1 L c S0 L 1 L

cS
c S0 XS
dc S rS dX S rS dX S rS

0
VL c S0 VP

XS
0
如反应速本以单位催化剂的质量来定义，并表示为rSW，则有
VL t r cS0 W

XS
0
dX S rSW
通常当酶反应为一级反应，即cS<<K m时．内扩散有效因子η 与转化率Xs的大小无关，等于常数。此时有：
三.氧的传递过程
(1)气相扩散到气-液界面阻力R1; (2)通过气液界面的阻力R2; (3)通过滞流区的阻力R3; (4)液相传递阻力R4; (5)细胞团外液膜阻力R5; (6)液体与细胞团界面阻力R6; (7)细胞之间的扩散阻力R7; (8)进入细胞的阻力R8
在克服各阻力进行氧传递时，要损失推动力。氧传递过程 的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各 步单位面积上氧的传递速率相等
在微生物反应过程中，随着细胞浓度和形态的变化、发酵液 里营养物质的消耗和代谢产物的积累，以及补料操作等等， 都会使发酵液流动模型中的参数发生明显的变化，表现出明 显的时变性。
4.3.2 影响流变性质的因素 下图是金色链霉菌发酵液的稠度系数K和流动特性指数n 随发酵时间的变化情况。
当发酵液中的颗粒呈球形或接近球形，且其浓度较低时，悬 浮液一般为牛顿流体，其粘度可根据Einstein公式计算： s=L(1+2.5)
缺点
① 间歇操作反应器的缺点是．这种操作需要一 定的辅助操作时间，生产效率较低； ② 细胞或酶的反应环境随时间改变，产物生成 速率与反应时间有关； ③ 下游产物分离必须分批进行等。
4.2.2 反应时间的计算
反应组分的转化速率＝一反应组分的累积速率
dnS VR rS dt
1 dnS 1 d (VR cS ) rS VR dt VR dt
生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式
生物反应器设计、 优化与放大
生物反应动力学
（ 微本 观征 动动 力力 学学 ） （ 总宏 包观 动动 力力 学学 ）
反 应 器 型 式
反 应 器 结 构
反 应 器 体 积
反 应 器 操 作 方 式
传递特性、流动与混合特性
生物反应速度
2 基本设计方程

反 应 器 型 式
式中：s－悬浮液粘度；
L－悬浮液中纯液相粘度；
－颗粒的体积分率。
当颗粒所占的体积分率较大时，可按下式计算。
s=L(1+2.5+7.352)
4.3.3 流体的剪切作用
4.3.3.1 机械搅拌的剪切力
u L 2nd ISF x Dd
对于处于较高雷诺数(ReM>>625)的反应器系统．这时可得df／d＝0.625
设反应器中的空隙串(液相体积／反应器有效体积)为L，则
固定化酶颗粒所占的体积分数为(1- L)。 在单位时间内、反应器中底物的消耗量为(1- L)VRrS，累 积项则为反应器内液相中底物随时间的变化率为 LVRdcS/dt
dcS (1 L )VR rS L VR dt
c S0 (1 L ) 1 rmax t r K M ln K M ln L cS 1 XS
当固定化酶的颗粒很小，内扩散的影响可以忽略时，
有效因子η ＝1，则反应时间可由下式计算，即
(1 L ) 1 rmax t r cS0 X S K M ln L 1 XS
4.2.3 有效体积的计算
t tr tb Pr V0 c S0 X S VR V0 ( t r t b )
举例5-2
4.3 反应过程的流体力学
4.3.1 反应介质的流变特性
一．牛顿型流体 du dy
表观黏度
a
式中:τ－F/A流体剪切应力，N/m2 －/ 流体的粘度,Pa· s －du/dy 流体速度梯度,s-1切变率 气体、低分子液体常为牛顿型流体
一．几个基本概念 ①溶解氧浓度COL：单位体积液体中可溶解氧的量 ②比耗氧速率(呼吸强度) qO2：单位质量的细胞(干重) 在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/kg· s) ③摄氧率r：单位体积培养液在单位时间内所消耗氧的 量(mol O2/m3· s) r = qO2· CX 其中： CX －细胞浓度 二．影响细胞耗氧速率的因素 营养物质的种类和浓度、培养温度、pH、有害代谢物的 积累、挥发性中间代谢物的损失等等。