第六章连续操作反应器

dcx dt
D(cx0
cx ) rx
dcx dt
D(cx0
cx ) ( kd )cx
dcx dt
Dcx0
( kd
D)cx
cx0 0, 稳态, 则： ( kd D)cx 0 D kd 或 kd D
对底物衡算式为
在稳态条件下
max
cS KS
cS
cS
KS (D kd ) max kd
S
(cS 0
KsD max D
)
对有些CSTR的细胞连续培养，过程优化的目标函数为 单位时间单位体积的细胞产量Px最大，Px一般称为细 胞产率。
PX
DcX
DYX / S (cS 0
KsD ) max D
dPX 0 dD
Dopt max(1
Ks ) Ks cS0
此时反应器中细胞质量浓度为
d (cxVR ) dt
V0 (cx0
cx )
rxVR
d (cSVR ) dt
V0 (cS 0
cS
)
rSVR
d (cPVR ) dt
V0 (cP0
cP )
rPVR
连续培养在稳定态操作时一般体积不发生变化,即
dVR 0 dt
于是上述各式可变为
dcx dt
D(cx0
cx ) rx
dcS dt
6 连续式操作反应器
6.1 概述
6.1.1 连续操作的特点
连续操作在以下各点表现其优越性：
• 连续操作有利于过程的研究和分析； • 对连续反应可进行高效的过程控制； • 连续操作的产品质量稳定； • 连续操作的生产效率较高。
连续操作也存在一些缺点。
➢它对细胞生长时同步产生的代谢副产物的生成不能控制； ➢操作周期过长，容易受到杂菌污染； ➢需要使用费用较高的检测手段和控制设备等。
归纳起来．对Monod动力学的恒化器有下述关系:
max
cS KS
cS
cS
cS0
1 YX / S
cX
D
max
cS 0
1 YX / S
cX
KS
cS0
1 YX / S
cX
cS 0
m
ax
1 YX /
S
cX KSD max D
D1 YX / S
cX
由上式可求得为达到一定的细胞浓度cX所要求加入培养基中的底物浓度cS0 平均停留时间τm为：
6.1.2 理想流动反应器的模型方程
• 根据连续操作反应器中物料的流动情况， 可建立两种理想流动反应器模型，即全混 流反应器(CSTR)和平推流反应器(CPFR)。
• 前者是连续操作的机械搅拌槽式反应器的 理想模型。
• 后者的实际反应器型式有连续操作的管式 反应器、管式固定床反应器和气体搅拌的 塔式反应器等。
d (cSVR ) dt
V0 (cS 0
cS
)
rSVR
0
m
1 VR D V0
cS0 cS rS
(cS 0 cS )YX / S (KS cS ) maxcS cX
6．2．2．3 底物抑制时的操作特性
Dc
max
cS 0
KS
1
cS 0 K SI
cS0
6．2．2．4 产物生成与抑制时的操作特性
6．2．2 细胞反应时的单级CSTR
6．2．2．1 单级CSTR的通用衡算模型
对单级CSTR的连续培养，假定培养液混合均匀，则通用衡算方程为 细胞：累积＝流入+生长-流出(=流入-流出+生长) 底物：累积＝流入-消耗-流出(=流入-流出-消耗) 产物：累积＝流入+生成-流出(=流入-流出+生成) 因此有以下衡算方程组：
D(cS 0 cS ) rS
dwenku.baidu.comP dt
D(cP0
cP ) rP
6．2．2．2 简单反应时CSTR的操作特性
dcx dt
( D)cx
当稳态时
dcx 0 dt
( D)cx 0
D
max
cS KS
cS
cS
KsD max D
cX YX / S (cS 0 cS )
cX
YX
/
对培养过程中的产物生成、可由对产物的质量平衡进行衡算，即
V0cP0
rPVR
V0cP
VR
dcP dt
一般情况下，cp0＝0，在稳定态时，
rP
V0 VR
cP
DcP
cP
rP D
1 D
YP
/
X
c
X
qPcX D
或cP
YP /S (cS 0
cS )
YP /S
cS 0
KS D maxD
6．2．2．5 考虑维持代谢或死亡的操作特性
cX
YX / S D D kd mYX / S
cS
0
KS (D kd ) max kd
6．2．2．6 固定化细胞培养时的操作特性
6．2．3 带细胞循环的单级CSTR
cX ,opt YX /S cS0 KS KS cS0 KS
2
( pX )max DoptcX ,opt YX /Smax cS0 KS KS
DCri
max
cS 0 KS cS0
如果cs0>>KS,则： Dc≈Dopt ≈μmax cX,opt ≈YX/SCS0 (Px)max ≈ DcYX/SCS0
假定CSTR中进行等温均相反应，反应器有效体积恒定不变，基 本设计方程为
流入速率＝流出速率十反应消耗速率十累积量 对底物s的物料衡算式为
6.2 连续操作搅拌槽式反应器（CSTR）
6.1.1 酶反应时的单级SCTR
如果为固定化酶反应，由于有液固两相和内扩散的影响存在，底物的物 料平衡式为: