第五章 间歇式操作反应器
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对细胞，有
积 体细 系胞 内质 累量 细 进胞 入质 体量 系 离细开胞体质系量 长 体细 系胞 内质 生量
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2020/5/12
第5章 生化反应器设计与分析>>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
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 ➢ 选择合适的反应器型式
根据生物催化剂和生物反应动力学特性，如反应过程的浓 度效应、温度效 应及反应的热效应，结合反应器的流动特征 和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满 足反应过程的需要，使反应结果最优。
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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
常见反应器类型
Batch operation
Continuous
Multi-cascade reactor Packed bed
Cycle immobilized bed
Piping immobilized bed
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:
tr
CS CS 0
dCS rS
令底物转化率:
XS
CS0 CS CS0
1 CS CS0
有:
tr
CS0
XS 0
dX S rS
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第5章 >> >>5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
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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、Mass balance（Accumulatn is 0 under steady state) Calculation of Mass balance for substrates and products
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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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1000
100
X S =0.98
tR
X S =0.60
不同转 化率下间歇
10
反应时间与Cs0/Km的 关系
1 0.1
X S =0.10 1
10
100
C S 0/K m
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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 • P123 • 例5-1
离开体 系的底
物质量
体系内 生成的
底物量
体系内 消耗的
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
积 体产 系物 内质 累量 产 进物 入质 体量 系 离产开物体质系量 成 体产 系物 内质 生量
Input
Output
Grown Died cells Accumulated
cells /unit = cells /unit + cells /unit + /unit + cells /unit
volume
volume
volume
volume
volume
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一、BSTR的反应时间
tr
CS0
XS 0
dX S rS
计算BSTR反应时间的通式
（1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
若酶促反应符合M-M反应，
CS CS0 (1 X S )
tR
CS CS 0
dCS VS
CS CS 0
dCS rmax CS
CS0 rm a x
XS 0
1
CS 0
Stir vessel—super-filter integration set
Multi-cascade semi-operation
Fluid flow bed
Loop flow reactor
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Coil membrane reactor
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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
5.1.2 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 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。
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
的热量
的热量
热
累的热量
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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:
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 • 计算完成生产任务所需的反应器体积 • 反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。根据
所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算 完成规定生产能力所需的反应器有效体积，同时由此 确定反应器的结构和尺寸。
+
Accumulated heat /unit time
time
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
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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）
Km XS
1
dX S
Km CS
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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 （1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
积分得：
tR
rm a x
CS0 X S
Km
ln
1
1 X
S
或
tR
rm a x
CS
0
CS
Km
ln
Batch operation
反底应物消在B耗S速TR率的 内底积物累在B的S速TR率
VR
rS
dNS dt
或
rS
1
VR
dNS dt
dCS dt 式中
NS——底物的质量，g或mol VR——BSTR的有效体积，
VR=常数
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第5章 >> >>5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
■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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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
Input components /unit volume
=
Output components /unit volume
converted components
+ /unit
volume
Accumulation
+ of components
/unit volume
Calculation of Mass balance for cells
（ 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
5.1.2 生化反应器的基本设计方程 1、物料衡算式
积 体组 系分 内量 累 的进组入分体量系 离 组开 分体 量系 耗 体组 系分 内量 消
对底物，有
体底系物内质累量积
进入体 系的底 物质量
CS 0 CS
当Cso<<Km时，
tR
rm a x
Km
ln
1 1 X
S
Km
ln
CS 0 CS
当Cso>>Km时， tR rmax CS 0 X S CS 0 CS
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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 （1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
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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。
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。
积 体细 系胞 内质 累量 细 进胞 入质 体量 系 离细开胞体质系量 长 体细 系胞 内质 生量
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第5章 生化反应器设计与分析>>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
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 ➢ 选择合适的反应器型式
根据生物催化剂和生物反应动力学特性，如反应过程的浓 度效应、温度效 应及反应的热效应，结合反应器的流动特征 和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满 足反应过程的需要，使反应结果最优。
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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
常见反应器类型
Batch operation
Continuous
Multi-cascade reactor Packed bed
Cycle immobilized bed
Piping immobilized bed
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:
tr
CS CS 0
dCS rS
令底物转化率:
XS
CS0 CS CS0
1 CS CS0
有:
tr
CS0
XS 0
dX S rS
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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
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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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1000
100
X S =0.98
tR
X S =0.60
不同转 化率下间歇
10
反应时间与Cs0/Km的 关系
1 0.1
X S =0.10 1
10
100
C S 0/K m
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一、BSTR的反应时间 • P123 • 例5-1
离开体 系的底
物质量
体系内 生成的
底物量
体系内 消耗的
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
积 体产 系物 内质 累量 产 进物 入质 体量 系 离产开物体质系量 成 体产 系物 内质 生量
Input
Output
Grown Died cells Accumulated
cells /unit = cells /unit + cells /unit + /unit + cells /unit
volume
volume
volume
volume
volume
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一、BSTR的反应时间
tr
CS0
XS 0
dX S rS
计算BSTR反应时间的通式
（1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
若酶促反应符合M-M反应，
CS CS0 (1 X S )
tR
CS CS 0
dCS VS
CS CS 0
dCS rmax CS
CS0 rm a x
XS 0
1
CS 0
Stir vessel—super-filter integration set
Multi-cascade semi-operation
Fluid flow bed
Loop flow reactor
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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 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。
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
的热量
的热量
热
累的热量
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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:
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 • 计算完成生产任务所需的反应器体积 • 反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。根据
所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算 完成规定生产能力所需的反应器有效体积，同时由此 确定反应器的结构和尺寸。
+
Accumulated heat /unit time
time
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
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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）
Km XS
1
dX S
Km CS
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一、BSTR的反应时间 （1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
积分得：
tR
rm a x
CS0 X S
Km
ln
1
1 X
S
或
tR
rm a x
CS
0
CS
Km
ln
Batch operation
反底应物消在B耗S速TR率的 内底积物累在B的S速TR率
VR
rS
dNS dt
或
rS
1
VR
dNS dt
dCS dt 式中
NS——底物的质量，g或mol VR——BSTR的有效体积，
VR=常数
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■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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5.1.1 生化反应器的分类
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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？
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Input components /unit volume
=
Output components /unit volume
converted components
+ /unit
volume
Accumulation
+ of components
/unit volume
Calculation of Mass balance for cells
（ 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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5.1.2 生化反应器的基本设计方程 1、物料衡算式
积 体组 系分 内量 累 的进组入分体量系 离 组开 分体 量系 耗 体组 系分 内量 消
对底物，有
体底系物内质累量积
进入体 系的底 物质量
CS 0 CS
当Cso<<Km时，
tR
rm a x
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1 1 X
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CS 0 CS
当Cso>>Km时， tR rmax CS 0 X S CS 0 CS
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一、BSTR的反应时间 （1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
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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。
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。