第5章 间歇式反应器05

生化反应器的分类
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
• • • • • 反应器设计的基本方程有三类： ①描述浓度变化的物料衡算式； ②描述温度变化的能量衡算式，或称为能量方程； ③描述压力变化的动量衡算式。 建立这三类方程的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和 动量守恒定律。
• 1. 变量
• 在反应器设计和分析中，建立物料衡算式时通常以反应组分的 浓度或某组分的转化率作为因变量；能量衡算式和动量衡算式 则分别以反应物系的温度、压力、流速、转速作因变量。 • 自变量，有时间自变量和空间自变量两种。对于定态过程，由 于因变量与时间无关，因此在建立衡算式时就不须考虑时间变 量，非定态过程则两种自变量均要考虑。考虑空间自变量时， 一般只限于一维——以反应器的轴向距离为空间自变量。
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第5章 间歇式操作反应器
• 5. 1 基本概验
• 生物反应器是生物反应过程中的主要设备，他为活细胞或酶提 供适宜的反应环境，以达到细胞增殖或形成产品的目的。 1）反应器选型：即根据生产工艺特征，反应特性及物料特 性等因素确定反应器的操作方式、结构类型，能量传递和流体 性等 素确定反应 的操作方式 结构类型 能量传递和流体 流动方式等； • 2）设计反应器的结构，确定各种结构参数：即确定反应器 的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式、大小及转速，换热方式 及换热面积等； • 3）确定工艺参数及其控制方式：工艺参数有温度、压力、 pH值、通气量、物料浓度、物料流量等； • 4）反应过程中，工艺参数的检测和控制。 • •
tr
（5－17）
LVR
tr
dCS (1 L )VRrS dt
L C 1 K m ln S 0 CS 1 L rmax
（5－21）
• 对于内扩散阻力可忽略的M－M方程：
• 积分:
L 1 L

X
1 dC CS0 r S
C
S
S
1 C tr L [(CS0 CS ) Km ln S0 1L rmax CS
（5－18）
（5－22）
LC S 0 1 L

S
1
0
rS
dX
S
• 对于1级反应则η与CS无关，而对于其它动力学（包括0级反应、 M－M方程）η与CS有关。
• （3）细胞反应。 • 间歇操作的细胞反应过程的动力学比较复杂，细胞生长过程包 括延迟期、指数生长期、减速期、静止期等，各个阶段有不同 的动力学，很难用一个统一的动力学方程来表示全过程，使得 反应时间tr的范围亦难以十分明确。
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• 2. 控制体积
• 控制体积是指建立衡算式的空间范围，即在多大的空间范围内 进行衡算。其选择原则是以能把反应速率视作定值的最大空间 范围作为控制体积。例如，假定反应区内浓度均匀和温度均一 的反应器，就可取整个反应区体积作为控制体积，因为此时反 应区内任何位置的化学反应速率都是一样的。如果不是这样， 则只能取一微元体积作为控制体积了。 • 所谓微元体是指一微分体积，它应能反映出可能发生的全部过 程和现象 它的体积要比分子 细胞大得多 但最大应以在微 程和现象，它的体积要比分子、细胞大得多，但最大应以在微 元体内各处参数均匀为限。因此，重点研究的是微元体内大量 的分子和大量细胞的反应行为以及微元体间的物质、能量传递 的宏观规律，而不是研究个别分子和个别细胞的行为。
• 4. 根据反应器的结构特征分类。可分成釜式、塔式、管式、膜 式等。它们之间的主要差别反映在其外型（长径比）和内部结 构上的不同。 • 5. 根据反应器所需的能量输入方式进行分类，其中有通过机械 搅拌输入能量的机械搅拌式生化反应器；有利用气体喷射动能 的气升式生化反应器和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环 的生化反应器等。 • 6. 按反应体系的相态来分类，则可分为均相反应器与非均相反 应器两大类 确定其是均相还是非均相 主要看是否存在有传 应器两大类。确定其是均相还是非均相，主要看是否存在有传 递因素的影响。根据固相生物催化剂在反应器中的分布方式， 生化反应器可分为生物团块（包括细胞、絮凝物、菌丝体）反 应器和生物膜反应器两大类。如果按固相催化剂的运动状态来 分类，又可分为填充床、流化床、生物转盘等多种型式反应器。
• （1）均相酶催化反应。 当为单底物无底物和产物抑制的反应时，反应速度可用M－M方 程， C S 0 dC 积分之，得到 S
上式也可用转化率表示：
tr
1 1 ) (CS 0 X S K m ln rmax 1 X S
（5－11） （2－101）（5－15）
对于酶存在一级不可逆失活时：
tr
• B. 连续操作反应器叫作连续反应器。其特点是原料连 续输入反应器，反应产物则连续地从反应器中流出。 反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变，故连 续操作反应器多属于稳态操作。连续操作反应器一般 具有产品质量稳定、生产效率高的优点，适合于大批 量生产。但是连续操作一般易发生杂菌污染，细胞易 退化变异。 半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中的一种 种 • C. 半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中的 为连续输入或输出，而其余则为分批加入或输出的操 作，相应的反应器称为半间歇式反应器或半连续反应 器。半间歇操作是一种同时兼有间歇操作和连续操作 某些特点的操作。对细胞反应，此种半间歇半连续操 作又常称补料分批培养，或称流加操作技术。在此种 操作过程中，由于加料，反应液体积逐渐增大，到一 定时间应将反应液从反应器中放出。如果只取出部分 反应液，剩下的反应液继续进行补料培养，反复多次 进行放料和补料操作，此种方法又称重复补料操作或
• A。指数期：
dC dt
x
max C x 1
tr1
max
ln
C x1 C x0
• B。减速期： 减速期
C dCx Cx max S Cx dt KS CS
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• 5.2.2 反应器有效体积的确定
• 间歇操作反应器的一个操作周期的总时间t为反应时间tr与辅助 时间tb的和，即：t=tr+tb • 反应器在单位时间内所应处理的物料体积为V0，则该反应器的 有效体积VR为： • VR=V0t=V0(tr+tb) • 【例5.1】在 】在一间歇操作的反应器内进行一均相的无抑制的酶 间歇操作的反应器内进行 均相的无抑制的酶 催化反应，已经测得该酶催化反应的动力学参数为k+2= 1min-1， Km= 2mol/L，加人酶的初始浓度CE0＝1mol/L。加入反应底物 的初始浓度为 2mol／L。 • 试求 要求每lh生产某产品1000mol，反应底物的转化率为0.80， 并且每一操作周期内所需要的辅助时间为10min。此时所需要 的反应器有效体积VR为多少？ •
CS
rmax k 2C E 0 exp(k d t r )
积分方程：
CS
rS
C0 S
Байду номын сангаас
dCS rmaxCS K m C S [(CS 0 CS ) K m ln CS 0 ] CS
(5-12)
或
1 k C （2－106） 1 d [(CS0 CS ) Km ln S0 ]} tr ln{ k2CE0 kd CS
1. 生物反应器设计的主要内容包括：
• 3. 生化反应器的开发趋势 • 生物反应器的开发可归纳为以下四方面。 • 1 ）开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂。 开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的 定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术； • 2）建立描述生化反应过程的各种数学模型。 在建 立数学模型时以反应器为研究对象，将其中的生物反 应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合 等分过程，分别进行研究，然后联立求解动力学方程、 物料及能量衡算式，从而得到关于生物反应过程规律 的解析表达式，获得较精确的揭示反应过程本质的数 学模型，以便用于过程的自控、优化及反应器的设计 与放大； •
• 5.1 生化反应器设计概论 • 5.1.1 生化反应器的分类
• 1. 根据所使用的生物催化剂的不同，可将其分为酶 催化反应器和细胞生化反应器。 • 2. 根据反应器的操作方式，可分为间歇操作、连续 操作和半间歇操作等多种方式。 • A. 间歇操作又称为分批操作，采用此操作方式的反 应器又称为间歇反应器。间歇操作反应器的基本特 征是：主要反应物料一次加入一次卸出；反应器物 系的组成仅随时间而变化。因此它属于一非稳态过 程。间歇式反应器适合于多品种、小批量、反应速 率较慢的反应过程，又可以经常进行灭菌操作，因 此它在生化反应器中占有重要位置。
• 2. 生化反应器的特点
• 与一般化学反应器比较，具有以下一些特点： • 1）微生物和酶都容易受到杂菌污染，因此，防止 染菌是反应器设计时必须考虑的一个重要问题，例 如，要尽量少用法兰，多采用焊接连接、反应器的 接口用蒸汽封口（例如，取样口即使在不取样时也 一直通蒸汽使反应器内保持一定正压，避免大气漏 入等； 入等 • 2）对于采用固定化酶的反应器应尽量减少对固体 产生切变应力，以减少固定化酶的粉碎，故搅拌器 的转速不能过高，页可以把酶直接固定在搅拌器上 或者把固定化酶的颗粒装在与搅拌桨相连的筛网中； • 3）很多酶催化反应的底物是胶状物，有一些进行 生化反应的细胞可能增长成絮状物，他们都容易使 反应器堵塞或压降变得很大，对于这类情况可考虑 采用流化床反应器。
• 5.2.1 反应时间的计算
• 微分方程：
• 积累＝进入－流出＋产生－消耗
0
• 反应物：
0
rS dCS , CS dt
t 0
CS 0
采用转化率：XS=(CS0-CS)/CS0
rS
• 产物：
CS 0 dX S , XS dt
dC P , CP dt
t 0
t 0