4. 生物反应器的操作模型

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CP CS 0 X S Pr t t
YP , Pr , CP是三个重要参数, 通常用作优化的目标函数
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
1、BSTR(间歇操作)的特点 (1)反应过程主要特点: 封闭系统进行的过程 非稳态过程 反应器内物料具有相同的停留时间 和反应时间 反应器的效率随反应的进行而降低
cX
分部积分可得反应时间的计算式
cS cX max tr A ln B ln cX 0 cS 0
YX / S K s YX / S cS 0 c X 0 A YX / S cS 0 c X 0 YX / S K s B YX / S cS 0 c X 0
K s CX1 K s CS1 即max tr (1 )ln ln K C X 0 K CS 0
2、反应时间的计算
物料衡算:反应组分的转化速率=-反应组分
的累积速率
dnS VR rS dt
1 dns 1 d VR cS rs VR dt VR dt
dc S rs dt
2、反应时间的计算 dc S rs dt
t=0,cS=cS0
dcs tr cs 0 r s
2.转化率
CS 0 CS XS CS 0
CP 平均选择性SSP aSP (CS 0 CS ) rP 瞬时选择性SSP rS
4.收率
CP YP X S S SP aSP CS 0
5.反应器生产率 目的产物在单位时间、单位反应器体积的产量,又称反 应器的生产能力(生产强度) (kg m-3 h-1)
L tr 1 L dCS CS 0 L CS 0 rS 1 L
CS

XS
0
dX S rS
tr CS0
VL VP

XS
0
dX S rs
反应速率以单位催化剂的质量来定义:rSW
VL tr CS0 W

XS
0
dX S rsw
cS0<<Km:η为常数
很难确定,而 CX2值很易确定,因此采用一种近似的计算方法,
即从指数开始到减速期末,总的反应时间用一个统一公式来计 算:
4.2.3.1 以达到一定细胞浓度确定tr
dc X rX c X dt
cS cS 0
max
cS 0 1 YX / S
1 YX / S
cX cX 0
(2)能量衡算式
单位时间 单位时间 单位时间 单位时 内输入的 = 内输出的 + 间内的 + 内的热量 热量 热量 反应热 累积
输入=输出+消耗+累积
4.1.3 操作参数
1.停留时间
分批操作:t=tr VR 连续操作 : F
3.选择性 指能够转化为目的产物 的底物的变化量与底物 变化的总量之比
反应器设计基本方程
• 物料衡算式 基质 产物 细胞 • 能量衡算式
要考虑的主要项目: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
(1)物料衡算式 组分进入 组分流出 体积单元内 体积单元 该体积单 = 该体积单 ± 组分的转化 + 内组分的 元的量 元的量 或生成量 累积量 细胞进入 细胞流出 体积单元内 体积单元 该体积单 = 该体积单 - 细胞的生长 + 内细胞的 元的量 元的量 量 累积量
若 C C exp( t ) X X0 max
(4-51)
并且式(4-51)中括号内各项在细胞培养时都为常 数,该式可积分为: Cs0 CS f 1 tr ln[1 ] qp ms 1 max ( m )CX 0 m YX / S maxYP / S max
所求 t r 为最终基质浓度为 Cs f 时所需的间歇培养 时间.
如果无代谢产物,则: Cs0 Cs f 1 tr ln[1 ] ms 1 max ( m )Cx0 YX / S max 如果维持能也可忽略,则有:
Y tr ln[1 (Cs0 Cs f )] max Cx0 1
m X /S
4.2.2.3 以产物的生成确定反应时间
酶失活的反应:
rmax k2CE k2CE0 exp(kd tr )
dc S rs dt
1 kd 1 tr ln{ 1 [Cs0 X s Km ln ]} kd k2CE0 1 X s
(2)固定化酶催化反应
dCs (1 L )VR rs LVR dt
第4章 生物反应器的操作模型
4.1操作模型概论 4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
4.3 连续操作的搅拌槽式反应器(CSTR)
4.4 连续操作的管式反应器(CPFR) 4.5 补料分批操作反应器(FBR) 4.6 反应-分离耦合操作模型 4.7 连续操作生物反应器的动态特性 总结
4.1 操作模型概论 生物反应器:指使用生物催化剂进行生物 反应的设备 4.1.1 分类与特征 生物催化剂:酶反应器和细胞生物反应器 操作方式:分批操作(间歇式操作)反应 器,连续操作反应器和补料分批操作(半间歇 半连续操作)反应器
0
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s

rmaxtr (Cs0 Cs ) Km ln
Cs0 Cs
Cs0 Km
Cs0 Km
Cs0 1 rmax tr Km ln Km ln 1 X s Cs
rmaxtr Cs0 X s Cs0 Cs
微生物反应器(发酵罐) 酶反应器
按输入机械功率来源



搅拌式 气升式 自吸式 喷射式
生化反应器的分类(续)

按结构分(高径比)

釜式(槽式) 管式
机械搅拌式生化反应器
Diagram of Divers Enzymatic Reactors & Operations
Batch operation
cs
t r cs 0
Xs
0
dX s rs
cs 0 cs Xs cs 0
对于单底物酶促反应BSTR的反应器
t r cs 0
Xs
0
dX s rs
BSTR图解法求反应时间t,对细胞生成过程
1 rs
CS
CS0
(1)均相酶反应过程
t r cs 0
Xs
Xs
0
dX s rs
rs rmax
对代谢产物作衡算,
当CS K S , max dC p dt q pCx q pC X 0 exp( max t )
当 q p 为常数时,则有:
max 1 tr ln[1 (C p f CP 0 )] max CX 0 q p
4-3 在一间歇发酵罐内,厌氧条件下利用Zymomonas mobilis进行葡萄糖转化为乙醇的反应,细胞对基质的得 率YX/S=0.06,产物对细胞得率YP/X=7.7,细胞维持系 数ms=2.2h-1,与代谢产物生成比速率qp有关的常数mp =1.1h-1,Z.mobilis的最大比生长速率μmax=0.3h-1。在 50L培养基中接种5g菌种,培养基中葡萄糖浓度为12g/L。 试确定下述情况下所需间歇培养的时间:
cs K m cs
Cs0 X s dX s Km t r Cs 0 (1 )dX s 0 0 rmax Cs rmax Cs K m Cs 1 rmax tr Cs X s K m ln 1 X s Cs0 或 rmax tr (Cs0 Cs ) Km ln Cs
KS 其中, K 1 CS0 CX0 YX / S
4.2.3.2以底物的消耗程度确定反应时间
如果对反应基质做衡算,则有:
qp dCs ( m m ms )C X dt YX / S YP / S
当 max,且 VR 维持恒定时则有:
dCs max q p ( m m ms )C X dt YX / S YP / S
连续操作
分批操作
补料分批操作
一、生化反应器的种类
按不同的分类方式,分成不同的类型
按操作方式 按流体流动 按几何构型及结购特征
罐式(高径比1-3) 间歇式、连续 式、半连续式 理想反应器、 非理想反应器 管式(高径比>30) 塔式(竖立,高径比>10) 膜式(内有膜件)
按相态
均相 非均相
按催化剂类型
c X c X 0
1
K s cS 0
YX / S
c X c X 0
YX / S cS 0 c X c X 0 max YX / S K s YX / S cS 0 c X c X 0
YX / S K s YX / S cS 0 cX cX 0 1 max tr dcX cX 0 YX / S cS 0 cX cX 0 cX
解:由题意可知,此为存在酶失活情况下的间歇反应酶转化时 间的问题,可利用
1 kd 1 tr ln{ 1 [Cs0 X s Km ln ]} kd k2CE0 1 X s
(3)细胞反应过程
由于间歇操作的细胞反应过程的动力学很难用一个统一的
动力学方程来表示全过程,并且由于细胞生长过程又包括延迟 期、指数生长期、减速期、静止期等,使得反应时间tr的范围 亦难以明确。比较容易确定的是指数生长期和减速期所需要的 时间。如果指数期开始时,细胞的浓度为CX0,指数期末细胞浓 度为CX1,减速期末细胞浓度为CX2,则所需要的反应时间tr应 包括指数生长期所需时间和减速期所需时间之和。由于 CX1值
第4章 生物反应器的操作模型
基本要求:
掌握BSTR、CSTR、CPFR生化反应器的基本设计方程、及其 操作特点以及操作模型得到的主要结果 操作模型得到的主要结果 (1)BSTR:tr、VR的有关计算 (2)单级CSTR:D,Dopt,DC和CX,Cs,DCx以及 的计算 m 的关系 和 CX,Cs 的计算 (3)带循环的CSTR:D, DC与R, (4)CPFR:带循环CPFR模型的特点及 Ropt 和 P的确定 (5) CSTR 与CPFR的比较与组合 (6)FBC:恒速流加与指数流加的主要特征 (7)反应-分离耦合操作的主要特征 (8)研究CSTR动态特性的意义
Continuous
Packed bed
Cycle immobilized bed
Baidu Nhomakorabea
Piping Fluid flow immobilized bed bed
Stir vessel—superfilter integration set
Multi-cascade semioperation
4.1.2 基础方程 生物反应器设计目标:寻求目的产物的高 生成速率和高浓度,从而达到优质高产低 成本的目的。 选择合适的反应器型式与操作方式 确定最佳的操作条件与控制方式 计算所需的反应器体积,设计各种结 构参数等 核心内容:确定反应器有效体积
(2)间歇式操作反应器的应用特点: 适合多品种、小批量的生产过程 适合反应速率较慢的生物反应 分批进行的过程染菌率较低 需要一定的辅助操作时间,生产效率 低;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;下游产 物分离必须分批进行
(3)间歇式操作反应器的设计
理想间歇反应器(BSTR):反应器内物 料的浓度达到分子尺度的均匀,且不存 在浓度和温度分布。 间歇式反应器的操作时间:进行反应所需 要的时间和辅助时间(进料、灭菌、卸料、 清洗等) 间歇操作反应器设计的重点:确定反应时 间(过程反应速率)和辅助时间(生产经 验);有效体积由总操作时间与单位时间 内反应物的处理量共同确定。
rmax tr
1 L
L
1 Kmln Kmln CS 1 X S
CS0
如果固定化酶颗粒很小,反应为动力学控制,η =1,则可表示为
1 L 1 rmax tr CS0 X S Kmln L 1 X S
例4-1 某酶催化反应,该反应符从M-M方程。已知 其rmax=9mmol/(L· h),Km=8.9mmol/L, Cs0=12mmol/L,酶失活半衰期为4.4h,试求若反应 在一间歇操作反应器中进行,当底物转化率为0.90 时,所需要的反应时间是多少?
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