[工学]第五章间歇式操作反应器

的 底物在BSTR 底物在BSTR 反应消耗速率 内积累的速率
Batch operation
dNS VR rS dt
dNS dCS 或 r 1 S VR dt dt 式中
NS——底物的质量，g或mol VR——BSTR的有效体积， VR=常数
2019/1/29
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第5章 >> >>5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
一、BSTR的反应时间
对上式积分， B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ， 反应时间为: C dC S tr C rS
生化工程电子教案
化学与生命科学学院
第5章
间歇式操作反应器
生化反应器设计概论 间歇式操作反应器的设计（BSTR） 反应过程的流体力学 氧的传递特性 机械搅拌反应器的结构与计算 反应过程的传热特性
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按操作方式分类 ■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过
程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。
1、生化反应器？——利用生物催化剂进行生化反应的设备。
回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：反应器可采取的操作方式？
2、研究反应器的目的？
◆研究生化反应器的基本反应规律
◆研究生化反应器的基本传递规律 ◆研究生化反应器的设计内容及方法
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
=
Output cells /unit volume
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+
Grown cells /unit volume
+
Died cells /unit volume
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+
Accumulated cells /unit volume
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
2、Energy balance (Heat balance ) In a definite time: Input heat /unit time
=
Output heat /unit time
+
Reaction heat /unit time
+
Accumulated heat /unit time
成的改变，工艺参数调整是常有的事。现代化大型化工厂 工艺参数的调整，是通过计算机集散控制完成的。计算机 收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序， 计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
■连续反应器：底物等连续输入反应器 产物连续从反应器输出，反
应器的任何部位的各组分均不随反应时间变化（稳定态）。
■半间歇反应器：半连续反应器 在一次反应的过程中，底 物分次补入的操作。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
1、物料衡算式
体系内累 进入体系 离开体系 体系内消 积组分量 的组分量 耗组分量 组分量
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第5章 >> >>5.2间歇式操作反应器设计（BSTR）
一、BSTR的反应时间（操作时间=反应时间tr+辅助时间tb）
BSTR特征： 在反应的过程中，无物料的输入和输出； 物料的各组分的浓度在反应体系内是均一的； 物料的各组分的浓度仅随反应时间变化。 BSTR的底物的物料衡算式为:
第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程 反应器计算的基本方程包括：
描述浓度变化的物料衡算式；
描述温度变化的能量衡算式；
描述压力变化的动量衡算式；
描述反应速率变化的动力学方程式。
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
2、能量衡算式
单位时间 单位时间 单位时间 单位时间 输入体系 输出体系 内的反应 体系内积 的热量 的热量 热 累的热量
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重要概念：
Batch operation
Continuous Packed bed
返混——将不同停留时间的物料之间的混合 全混流——完全返混 活塞流——（完全无返混）在反应器内反应液象活塞样流动。
活塞流反应器内的物料停留时间一致。
理想流动模型（全混、活塞流）与非理想流动模型——
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 确定最佳操作条件与控制方式 操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压 力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，
也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组
对底物，有
进入体 离开体 体系内 体系内 体系内累积 底物质量 系的底 系的底 生成的 消耗的 物质量 物质量 底物量 底物量
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
对产物，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生 积产物质量 产物质量 产物质量 成产物质量
若酶促反应符合M-M反应，
CS CS 0 (1 X S )
CS dCS dCS CS 0 t R CS 0 V CS 0 r rmax max CS S K m CS CS

XS
0
Km 1 dX S CS 0 X S 1
5.1.1 生化反应器的分类
（ 生化反应器可从不同角度分类）
1、按催化剂类型分类
■酶反应器 ■细胞生化反应器 上述两类反应有什么区别？ ◆酶反应器相对比较简单，酶促反应与一般的化学催化反应相同，在反
应的过程中酶本身无变化；
◆细胞生化反应器相对比较复杂，因涉及到避免外界各种杂菌污染、有
适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要求。
（ 生化反应器可从不同角度分类）
2、按反应器结构分类
有釜式、管式、塔式、膜式等反应器
3、按反应体系的相态分类
均相反应器、非均相反应器
4、根据催化剂在反应器的分布方式分类
生物团块(包括细胞、絮状物、菌丝体)反应器；生物膜反应器
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章 间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
5.1.1 生化反应器的分类
间歇全混型反应器 全混型反应器
5、按流动方式分类 活塞流反应器 连续全混型反应器
这是两类典型的理想反应器
间歇全混型反应器（batch stirred-tank reactor， BSTR） 连续全混型反应器（continuous stirred-tank reactor，CSTR ） 活塞流反应器（plug flow reactor，PFR）
3、 Momentum balance It is usually negligible for bioreactors because of operation conducted under constant pressure.
In conclusion, each balance in the same model as follows: Input = output + consumption +accumulation
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
1、Mass balance（Accumulatn is 0 under steady state) Calculation of Mass balance for substrates and products
Input components /unit volume
S S0