第五章间歇式操作反应器资料重点

V间歇反应釜 V0CA0
dx x Af
A
0 rA
VCSTR
V0CA0 (XAf CA0 ) rAf
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。
rmax t r
(1
L
L
)
K
M
ln
cS0 cS
1 KM ln 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
rmax
tr
(1 L ) L
cS0 XS
KM
ln
1 1 XS
3 细胞反应过程
rX
dcX dt
cX
1
cS
cS0
YX / S
(cX
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。
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
生产任务 推动力 /阻力
F r
rmax
dX S cS
cS KM
cS0 rmax
XS 0
1
KM cS
dX S
1 rmax t r cS0 XS KM ln 1 XS
rmax tr
(cS0
cS ) KM
ln
cS0 cS
当cS0<<Km时，即反应呈一级反应特征时:
rmax t r
KM
ln
1 1 XS
KM
ln
cS0 cS
tr
cS0
X S dX S 0 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
rp
k2cE0
源自文库cS
cS KM
rP ,m a x
cS
cS KM
(5)
tr
cS0
XS 0
cX0 )
max
cS0
1 YX /S
(cX
cX0 )
KS
cS0
1 YX /S
(cX
cX0
)
max
YX
YX /SKS
/ ScS0 YX
(cX cX0 ) /ScS0 (cX
cX0
)
maxtr
cX cX0
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
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
反 应
反 应
反 应
反 应 器
器 器器操
型 式
结 构
体 积
作 方 式
传递特性、流动与混合特性
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 ）
tr
1 kd
ln 1
kd K2cE0
cS0 XS
cEKM
ln
1 1 XS
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。 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
当cS0>>Km时，即反应呈零级反应特征时:
rmax t r cS0 XS cS0 cS
KM (k2 k1) / k1 KS (k1) / k1 KM KS k2 / k1
对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模 型．则有：
rmax K2cE K2cE0 exp( kd t r )
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
VR rS
dnS dt
rS
1 VR
dnS dt
1 VR
d (VRcS ) dt
对液相反应．如反应器有效体积不随时间发生变化，则有
rS
dcS dt
tr
cS cS0
dcS rS
若设反应组分s的转化率为Xs，即
XS
cS cs0 cs0
生物反应速度
反
反 反反 应
应 应应 器
2 基本设计方程
器 器器 操 型 结体 作 式 构积 方
式
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。
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。
（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 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。
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
(1 L )VRrS
LVR
dcS dt
t r
L 1 L
cS dcS cS0 rS
cS0 L XS dXS
1 L 0 rS
cS0
VL VP
XS dXS 0 rS
如反应速本以单位催化剂的质量来定义，并表示为rSW，则有
t r
cS0
VL W
XS dXS 0 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：