第4章 生物反应器的操作模型
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应器的建模与优化
生物反应器的建模与优化生物反应器是以微生物为基础的生化过程，可以用于生产很多有用的物质，比如酒精、酱油、醋、药品等等。
为了提高生产效率，我们需要对生物反应器进行建模和优化。
一、生物反应器的建模生物反应器的建模是指建立一个数学模型，用来描述反应器中微生物生长和代谢的过程。
在建模的过程中，需要考虑的因素包括微生物的生长速率、代谢产物的合成速率、底物的转化速率等等。
通常使用质量守恒和能量守恒来建立模型。
为了方便建模，可以假设反应器是个完全混合的容器，这样可以将反应器视为一个整体。
然后可以根据底物浓度、代谢物浓度和微生物数量等参数，建立动态数学模型，使用差分方程组求解。
二、生物反应器的优化生物反应器的优化是指通过调整反应器中的参数，来实现最大化生产效率的目的。
因为生物反应器的生化过程是非常复杂的，调整参数并不像化学反应器那么简单。
所以生物反应器的优化往往需要结合实验和模拟分析。
优化的方法包括进料策略的优化、微生物生长条件的调整、控制参数的设计等。
进料策略的优化可以通过控制进料浓度、进料时间和进料方式等参数，来实现最大化产量和最小化废品的目的。
微生物生长条件的调整包括温度、pH值、氧气供应等等，这些条件都会影响微生物的生长，调整这些参数可以提高生产效率。
控制参数的设计包括选择合适的反应器、设计控制系统等等，这些都需要结合实验和模拟分析。
三、生物反应器的应用生物反应器的应用非常广泛，涉及食品、医药、化工等多个领域。
其中，酿造业和制药业是最常见的应用领域。
在酿造业中，生物反应器可以用来酿造啤酒、葡萄酒、威士忌等酒类。
在制药业中，生物反应器可以用来生产抗生素、激素、酶等等药品。
生物反应器的应用也有一些局限，这主要与微生物的特性有关。
比如，有些微生物只能在特定的温度、pH值和氧气供应下生长，这就限制了反应器的应用范围。
另外，微生物的生长速率和代谢速率都是非常复杂的，建模和优化也面临着很大的挑战。
四、未来发展趋势生物反应器的建模和优化是一个不断发展的领域。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生物反应器ppt课件
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
生化反应工程
生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。
3. 生化反应工程研究方法.经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。
.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。
理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。
第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。
什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。
4a. 生物反应器的操作模型
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
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
0
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s
或
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
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
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)
生物反应器传质和反应的动力学模型
生物反应器传质和反应的动力学模型生物反应器是一种用于进行生物学反应的设备，其应用范围广泛，如生物发酵、废水处理、生物降解、生物制药等。
传质和反应是其中重要的过程。
为了更好地控制和优化反应器的设计和操作，需要建立传质和反应的动力学模型。
一、传质动力学传质是指物质分子、离子或粒子在液体或气体中的扩散，对于生物反应器中物质的输送和分布具有重要作用。
传质的速率可以用Fick定律进行描述，即流量Q等于扩散系数D、质量浓度梯度ΔC、传质面积A的乘积。
即Q=DΔC A。
传质速率的快慢取决于扩散系数D，而D又受到多种因素的影响，包括流体性质、温度、压力、空气中的气体浓度、颗粒尺寸、折射率等。
生物反应器中还存在由麻醉剂、剧毒性物质、大分子物质等导致传质受到抑制的现象，需要进行相应的研究。
二、反应动力学反应动力学是指反应速率随反应物浓度变化的规律。
其中最常见的是麦克斯韦-泰勒方程和伯诺利方程。
麦克斯韦-泰勒方程描述的是一阶反应动力学模型，即反应速率与反应物浓度之间呈线性关系。
在生物反应器中，通过常数k1来描述反应速率和反应物的关系，即速率常数k1就是反应速率和反应物的浓度之比。
一阶反应动力学模型也通常称为亚偶联反应。
伯诺利方程描述的是二阶反应动力学模型，即反应速率与两种反应物浓度之积的关系。
在生物反应器中，使用反应常数k2来表示反应速率和两个反应物浓度之积的关系。
二阶反应动力学模型在生物反应器中应用较少，但有时会作为一种备选的模型。
三、生物反应器中的传质和反应动力学模型传质和反应是生物反应器中的重要过程，它们的模型参数决定了生物反应器的结构和运行效率。
因此，相应的研究和模型建立成为生物工程领域的热点。
在生物反应器中，还存在很多复杂的问题，如生物质转化、生物膜反应等，因此，需要建立多种反应模型，包括传质-反应模型、生物膜反应模型等。
在这些模型中，生物反应器的传质和反应是生物反应器的核心，对其性能和可靠性有重要影响。
因此，需要进行细致的研究，打造精益高效的传质和反应动力学模型，这对于生物反应器的开发和生产的成功至关重要。
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REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
微生物反应器操作-生物反应工程完整-04-共8讲ppt课件
CO ： 2
C Q E c 2 X o R V F P a lP l o P 2 c o 2 o o u P u c t2 t o o u P a t lP l o P 2 c i 2 o i n n P c 2 o i n
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13
上式中，
F为惰性气体流速， V为反应液总容积， Pall为气体总压力， (Po2)out为排气中氧的分压， (Po2)in为进气体中氧的分压， (Pco2)in为进气体中C02的分压， (Pco2)out为排气中CO2的分压。
1 Xi
Xf
产物浓度的衡算为
P iV P fV P fV P fV
由上式，滤液取出率为
1Pi Xi Pi
Pf Xf Pf
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19
产物的生产能力
PRB PftR P Bi tR B Pf
由上式可知，为提高产物生产能力，可采取提 高或减少tRB。
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20
4.3 流加操作
流加操作的优点是能够任意控制反应液中 基质浓度。
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8
连续式操作是指在分批式操作进行到一定 阶段，一方面将基质连续不断地加入反应器内， 另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反 应条件（如反应液体积等）不随时间变化的操 作方式。活性污泥法处理废水、固定化微生物 反应等多采用连续式操作。连续培养过程中基 质体积变化曲线如图4-1e 所示。
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第四章 微生物反应器操作
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1
主要内容 1、微生物反应器操作基础 2、分批操作 3、流加操作 4、连续操作
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2
4.1 微生物反应器操作基础
微生物培养过程根据是否要求供氧，分为 厌氧和好氧培养 。
《生物反应器》课件 (2)
废水处理
沼气生产
利用微生物降解有机物，净化废水并减少环境污染。 利用微生物降解有机废弃物，产生可再生能源。
生物反应器：优势和限制
优势
高产量、高效率、可控性、可重复性，对环境友 好。
限制
设备成本高，操作要求严格，底物成本可能较高， 对操作人员的技能要求较高。
生物反应器：设计和操作要点
1 良好的混合和气体传 2 适宜的生物体生长条 3 有效的废物处理
2
调节温度、pH、氧气和搅拌速度等因素，
以优化生物过程。
3
供应营养物质
提供适宜的底物和营养物质，满足生物 体的需求。
收集和分离产物
通过不同的分离技术，将产物分离和纯 化，以获得高纯度的产品。
常见的生物反应器应用
发酵
生物制药
用于生产酒精、乳酸、酢酸等发酵产品的工业过程。
用于生产蛋白质药物、疫苗等生物制药产品的大规 模生产。
递
件
及时处理和回收废物，减
确保生物体充分接触底物
控制温度、pH、营养物质
少对环境的负面影响。
和气体，提高反应效率。
浓度等因素，以最大程度
地促进生物体的生长和产
物生成。
生物反应器的未来发展前景
1
提高反应器率和质量。
2
发展可持续的生物反应器
探索使用可再生能源和生物降解材料制造反应器，减少对环境的影响。
3
应用生物反应器于生物医学领域
利用生物反应器进行组织工程、药物筛选和生物治疗等领域的研究和应用。
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这份课件将带你深入了解生物反应器，包括其定义和功能，不同种类和结构， 工作原理以及常见的应用。我们还会探讨生物反应器的优势和限制，并介绍 设计和操作的要点，以及生物反应器未来的发展前景。
生物反应器的模型及其应用
生物反应器的模型及其应用生物反应器是一种能够控制、操控生物反应的容器。
它采用生物学、化学、物理学等多学科知识进行设计、建立及优化运行，可用于制药、食品、医疗等生产领域。
然而，如何在掌握生物反应反应机理的基础上，提高反应器的效率和稳定性，是生物工程领域所面临的重要课题。
而生物反应器的模型对于解决这一问题具有非凡的作用。
1. 生物反应器的模型生物反应器的模型指通过建立数学公式和物理方程式，模拟生物反应器中各种变量之间的相互作用关系。
基于生物学、化学和数学等几个学科的交叉应用，生物反应器的模型可以帮助实验者掌握反应器中各个参数的变化情况，如微生物数量、温度、氧气浓度等，从而为反应控制提供参考依据。
生物反应器的模型主要分为动力学模型和传质模型两种。
1.1 动力学模型动力学模型描述的是反应器中各组分浓度随时间的变化情况。
常见的动力学模型包括质量守恒模型、动态平衡模型、物质转移速率模型等。
在建立动力学模型时，需要确定反应机理中的反应步骤及动力学方程，通常需要考虑如反应速率、反应物浓度、微生物增殖等参数。
1.2 传质模型传质模型主要描述反应器中物质在相间传递的过程，如气液传质、气固传质、液固传质等。
传质模型主要关注反应器内物质传递速率，因此对于反应器物质传递性能的控制、优化具有重要作用。
常见的传质模型包括质量守恒模型、波纳菲模型等。
2. 生物反应器模型的应用生物反应器的模型应用可以分为两类：生产过程的模拟和反应器操作优化。
2.1 生产过程的模拟生产过程的模拟是指通过对反应器内各项参数的模拟计算，得出反应器中物质传递、生长、变化以及微生物生态系统的变化趋势等。
这种模拟计算可以为操作人员提供参考以制定操作方案，并对反应器的实际生产情况进行预测。
同时，针对不同的反应器和不同的实验条件，可以采用不同的模式进行模拟计算，提高生产过程的精度和效率。
2.2 反应器操作优化反应器操作优化是指通过在模拟计算的基础上对反应器进行优化改进，提高反应器的效率、降低发生的损失。
《生物反应器》课件
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
第四章生物反应器的操作模型
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
• (4)有良好的热量交换性能，以适应灭菌操 作和使发酵在最适温度下进行； • (5)尽量减少泡沫的产生或附设有效的消泡 装置，以提高装料系数； • (6)附有必要和可靠的检测及控制仪表
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 （BSTR）
• 反应时间的计算 • 反应器有效容积的确定 • 间歇反应过程的优化
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 临界稀释率
六、多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
第四节 连续操作的管式反应器 （CPFR）
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
生化反应器的分类（续）
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合） 理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
第4章生化反应热动力学
Oxidative phosphorylation
• 质子跨膜的非共轭流和协同因子NADH的氧化的紧密耦合 • 还紧密耦合 ADP的磷酸化： ATP 生成的过程是通过质子沿 浓度梯度移动而在热力学上被驱动的。
Cytosol
Outer membrane
H+ H+
Intermembrane space
Chapter 4 Thermodynamics of Bioreactions
生化反应有两个重要的性质：动力学性质和热力 学性质。在很大程度上，反应途径的活性是由酶催化 个体反应的动力学所决定。反应的热力学性质具有同 样的重要性：所有反应除了受酶的性质的影响，还必 须遵循热力学规律。所以，如果不考虑个体生化反应 的热力学限制，则对生化反应的任何分析都是不完整 的。同时，生化反应通常伴随着热量的产生，所以热 力学原理对于设计生物反应器中的换热器也很重要。
可逆反应：快速，处于平衡状态，对底物浓度变化敏感性强
不可逆反应：反应速度慢，对底物浓度变化敏感性弱
3. 燃烧热与反应热 heat of combutation/reaction
Qc＝－ΔHc
燃烧热:化学物质和氧气反应释放出来的热量。CO2 和H2O的燃烧热 为0 有机化合物燃烧热与还原度κ* 的关系 还原度κ* 和还原度κ的差别：N元素的中性化合物不同
（4.14）
-1 1 115kJ(C-mole) 4Yso 115 460Yso kJ (Cmole) （4.15）
与Q相似，在－ΔGci与κi*之间也存在一个近似关系，该 关系对κi*为正的化合物成立（即，不包括H2O和O2）， 标准方差也是大约6 kJ(C-mole)-1. －ΔGci＝94.4κi *＋86.6 kJ （C－mole－1） Example 4.5 Heat of reaction for aerobic growth of yeast p106 在完全厌氧过程中，YSO=0,反应热应该减小到零。对于 以糖为底物的厌氧过程来说这个结论不一定正确；在其 它例如以H2为能源，CO2为碳源的系统中（见例4.6）， 这个结论是完全错误的。 此时必须使用式4 .11计算反应 热。
生物反应器的模型建立与仿真
生物反应器的模型建立与仿真随着生物技术的不断发展，生物反应器已经成为生产和研究生物制品的重要工具。
生物反应器的设计和运行对于生产效率和产品质量的影响巨大。
因此，建立生物反应器的数学模型，进行反应器的建模和仿真是非常重要的。
生物反应器模型的构建，需要考虑到反应器内生物体系及其代谢，其生长和代谢调控过程以及进出口质量传递等多因素。
目前，主流的反应器模型主要分为动态模型和静态模型两种。
一、动态模型动态模型对生物反应器内的各个物质含量和反应速率进行了更加精细的分析和计算。
反应器内物质平衡方程、能量平衡方程和代谢过程模型是动态模型的三大核心。
其中，代谢过程模型是构建动态模型的关键。
代谢过程模型可以用不同的数学表达式来描述生物反应过程，其中最常用的模型包括酶动力学模型、物种平衡模型和细胞生长模型。
酶动力学模型是描述酶促反应的常用模型，可用于描述反应器内的代谢过程。
同时，酶动力学模型可以在不同的操作条件下研究反应器内代谢的转化速率和平衡状态，进而优化反应器运行参数。
例如，在生产环节中，可以通过酶动力学模型来确定最适宜的温度、pH值和浓度等工艺条件。
物种平衡模型是基于反应器内物质的平衡情况来展开的模型。
在生物反应器中，不同物种之间的相互作用会影响反应速率以及代谢过程。
物种平衡模型可以帮助我们了解不同物种之间的作用关系，为生产和研究生物制品提供理论基础。
细胞生长模型是描述微生物生长的重要模型。
反应器内细胞的生长是反应器内代谢过程中关键的环节。
细胞生长模型可以描述反应器内细胞的生长和分裂过程，以及不同物质对细胞生长的影响。
例如，在生产乳酸菌等微生物制品时，细胞生长模型可以帮助优化反应器的操作参数，以达到生产效率和产量的最大化。
二、静态模型静态模型是对反应器进行等效处理并建立对应的数学模型，通常简化了反应器内部不同物质参与的动态过程。
静态模型的主要优点是计算简单、易于实现，而且不受操作参数的影响。
静态模型应用于生物反应器的建模和优化，能够帮助我们快速而有效地评估反应器的性能。
生物反应器的建模与仿真
生物反应器的建模与仿真生物反应器是一种将生物资料与化学反应相结合的设备，广泛应用于生化制药、环境治理、工业发酵等领域。
近年来，随着计算机技术的不断发展，生物反应器的建模与仿真成为了研究热点之一。
本文将主要讨论生物反应器的建模与仿真方面的内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一种复杂的设备，其基本原理是将有机物或无机物通过菌种的嫁接和菌落的增殖转化为有用的产品，同时产生CO2、水和微量的物质副产物。
生物反应器的工作过程主要包括四个阶段：菌种培养阶段、发酵阶段、分离提取阶段和产品生产阶段。
其中，发酵阶段是生物反应器最核心的环节。
二、生物反应器的建模生物反应器的建模是指将生化过程的复杂性简化，将其转换为数学模型的过程。
在生物反应器的建模中，主要采用的是质量平衡方程、能量平衡方程、反应动力学方程等数学模型。
1. 质量平衡方程生物反应器的质量平衡方程主要涉及峰值菌群（Peak Microbial Population，PMP）和生物产物的浓度。
该方程主要是应用由纳维-斯托克斯方程中推导出的持续阻尼（Stokes drag）的基本原理，换而言之就是物质对于空气吸附和扩散的速度以及反应通道的复杂性。
2. 能量平衡方程生物反应器的能量平衡方程主要涉及温度、压力和时间的变量。
在这种方程中，温度和化学活性的计量单位则被确定为焓（Enthalpy）。
能量平衡方程的另一个重要因素是良性生物产物的产生速率，包括需求量和供应量。
3. 反应动力学方程生物反应器的反应动力学方程主要涉及微生物的生长，以及生物代谢和分子间相互作用的过程。
在这种方程中，主要通过一些统计学方法来确定微生物生长的分布。
三、生物反应器的仿真生物反应器的仿真是指将已经建立起的生物反应器的模型应用于计算机或其他数学工具进行仿真的过程。
在生物反应器的仿真过程中，主要需要确定输入参数和控制变量，模拟生物反应器的工作过程，并对其进行分析和评估。
在生物反应器的仿真中，主要采用的是有限元法、有限差分法、蒙特卡洛方法等数值模拟方法。
生物反应器的操作模型
边界条件 假定： t=0时，cS =cS0,X S 0
t=tr时，cS =cS , X S X S
则有：
tr
dc cS 0
S
r cS
S
tr
cS 0
XS dX S 0 rS
tr为底物达到某一反应程度时所需要的反应时间
二、酶催化反应的反应时间
均相酶催化反应 固定化酶催化反应
二、酶催化反应的反应时间
SSP：反应的平均选择性
SSP
=
rP rS
三、操作参数
收率
实际产物生成量与底物全部生成目的产物的理论量之比值
YP
=
cP aSP cS0
收率（YP）、转化率（XS）和选择性（SSP）之间的关系
YP =X P SSP
对生物反应过程，目的产物的收率，即底物向目的产物转化的 比例，是作为实施生物反应过程优化操作的重要目标函数。
三、操作参数
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，又称反应器生 产能力，简称容积生产率
分批操作
P
cP t
cS 0 X S t
t为一个操作周期中反应时间tτ与辅助时间0 X S
τ为物料在反应器中的平均停留时间，cP为流出液中的产物浓度
第二节 分批操作的搅拌槽式反应器 Batch Stirred Tank Reactor, BSTR
一、基本操作模型
特点 物料一次性加入，一次性排除 - 反应时间+辅助时间 - 浓度紧随时间变化，与位置无关 - 非稳态过程
dVR dt
0，Fin =Fout =0
一、基本操作模型
质量衡算式
细胞：dcX dt
rX
cX
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• 反应与萃取相耦合
4.7连续操作生物反应器的动态特性
• 4.7.1 环境阶跃变化时CSTR的动态响应 • 4.7.2 CSTR的稳定性分析 • 4.7.3 混合种群培养时CSTR的动态特性
C S1 C S 2 2 Y X / S D( ) CX 2
2 ( max D)C S 2 ( max C S 0 2 KS D2 KS D2 K S D)C S 2 0 max D max D
两级CSTR串联的参数变化曲线
作图估计多级CSTR串联参数
XS rmax m C S 0 X S K m 1 X S
XS rmax m (1 L ) C S 0 X S K m 1 X S
4.3.3 细胞反应
• 对细胞进行物料衡算
d (VR C X ) dCX V0 C X 0 V0 C X VR ( ) 生长 dt dt
4.4.3 CPFR与CSTR串联
4.4.4 带细胞循环的CPFR
• 最佳进口浓度的确定
• 存在底物和产物抑制时的CPFR最佳加料出料方式
4.5 流加操作反应过程模拟（FBC） 流加操作=补料分批操作
• 流加操作：是半分批操作中比较重要的一种。其核心是控制底物的浓 度。其关键是流加什么物质和流加方式。
机械搅拌罐
气升式
• 把无菌空气通过喷嘴或喷 孔喷射进发酵液中， • 通过气液混合物的湍流作 用而使空气泡分割细碎， • 由于形成的气液混合物密 度降低故向上运动，而气 含率小的发酵液则下沉， 形成循环流动，实现混合 与溶氧传质
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合）
KS D KS CS max D max m 1
C X YX / S (C S 0 C S ) YX / S (C S 0
KS D ) max D
CP YP / S (CS 0 CS )
临界稀释率DC
maxC S 0
K S CS 0
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
三、间歇反应过程的优化
• 产率：单位时间产物的产量
理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
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
操作参数 共5个。 停留时间 --空速 转化率 生产率 选择性 收率
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器
（BSTR）Batch Stirred Tank Reactor
4.3.1 连续操作的特点
• 原料连续输入，产物连续流出
– 组成不随时间、位置变化 – 返混最大 – 稳态操作
– 容易受到杂菌污染 – 容易发生菌种退化变异
4.3.2 酶催化反应
CS 0 X S CS 0 CS VR m V0 rS rS
• 均相酶催化反应 • 固定化酶催化反应
第四章 生物反应器的操作催化剂分 酶反应器 细胞反应器 间歇操作 连续操作 补料（流加）操作
• 按操作方式分
• 按结构分（高径比）
釜式（槽式） 管式
• 按能量的输入方式分
搅拌式 气升式 自吸式 喷射式
DC
优化操作
要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大
PX D C X
KS D PX D YX / S (C S0 ) max D
Dopt KS max [1 ] K S C S0
4.3.4 带循环的CSTR
Vr 物料循环比R V0
C Xr 浓缩倍数 CX1
CPFR与CSTR、BSTR的比较
反应器有效容积的比较
• 相同反应条件下达到相同转化率所需反应 器体积
Km XS XS ( ) CS 0 1 X S Km 1 XS ln CS 0 1 X S
VR ,CSTR VR ,CPFR
• 游离酶催化反应 • 产物抑制 • 底物抑制 • 优化
(C S 0
YX / S CS ) (C S 0 C S ) W
CP1 YP / S (CS 0 CS1 )
临界稀释率
DCr 1 max C S 0 W K S CS 0
DCr
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度 • 临界稀释率
一、反应时间tr的计算
• 物料衡算式（对基质） • 通式 均相酶催化反应 固定化酶催化反应
X S dX dC S S t r CS 0 CS 0 r 0 rS S CS
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
VR C P FP t r tb
四、反复分批操作
4.3连续操作的搅拌槽式反应器 （CSTR）
连续搅拌釜式反应器,是化学工业中最先应用于连续生产的 一种反应设备。虽然在型式和结构上,二者基本上是相同的, 由于操作方式的改变,节省了大量的辅助操作时间,使得反应 器的生产能力得到充分的发挥;同时,也大大地减轻了体力劳 动强度,容易全面地实现机械化和自动化;在很多场合,也降低 了原材料和能量的损耗。因此,在化学工业中,连续搅拌釜式 反应器迄今仍然是应用得最广泛的反应器型式之一。连续搅 拌釜式反应器除了具有一般连续设备的优点外,还有它本身 的特点。由于强烈的机械搅拌作用,反应器中的物料得到了 充分接触,这对于化学反应或传热来说,都是十分有利的。此 外,这种反应器的操作稳定,适用范围较广,容易放大,也是其 它类型连续反应器所不及的。
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
dC S VR P V0 rS
• 流加操作可分为：反馈控制、无反馈控制流加2种。 • 前者包括：恒速流加、变速流加、间歇流加、指数流加。 • 后者包括：溶氧恒定、pH恒定、基于CO2释放速率和细胞浓度的间 接反馈控制、基于底物浓度的直接反馈控制。
无反馈流加和反馈流加
恒速流加：恒定的速率加入底物 变速流加：细胞浓度较高时，供应较多底物 间歇流加：间隙性地补加限制性底物 指数流加：保证细胞呈指数增加，即：在整个细胞培养期间，限制性底 物的补入速率与细胞的生长成比例增加。 反复流加：随着流加的进行，翻反应器中反应液的体积不断增大，达到 一定程度后，可将部分反应液从反应器中排出，剩余部分继续进行流 加。如此反复进行。
4.4 连续操作的管式反应器 （CPFR）
一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长， 如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也 可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填 充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床 反应器。 几个概念：活塞流模型、平推流模型、全混流模型
4.6 反应－分离耦合操作模型
• 反应与透析相耦合
• 反应与过滤相耦合 • 灌流培养：是把细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物 形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时又连续不断地灌注 新的培养基。 • 1.细胞截流系统可使细胞或酶保留在反应器内，维持较高的细胞密度 ，一般可达10-10Cells/mL，从而较大的提高了产品的产量； • 2.连续灌流系统，使细胞稳定的处在较好的的营养环境中，有害代谢 废物浓度积累较低； • 3.反应速率容易控制，培养周期较长，可提高生产率，目标产品回收 率高； • 4.产品在罐内停留时间短，可及时回收到低温下保存，有利于保持产 品的活性。
一级反应
• 球状固定化酶
1 K m ln 1 X S rmax (1 L ) P 1 1 1 [ ] tan(3 ) 3
• 膜状固定化酶
1 K m ln 1 X S rmax (1 L ) P tanh( )
CPFR和CSTR、BSTR的比较
• 浓度曲线的比较 • 反应方程式的比较 • 反应器有效容积的比较
对细胞进行物料衡算
V0 C X 0 Vr C Xr VR rX (V0 Vr )C X 1
1 R R
D
W
DW
• 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度
maxC S
K S CS
K S DW CS max DW
D
C X YX / S
CSTR与膜过滤组合
废水生物处理系统
4.3.5 多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
二级CSTR串联
CX1 2 D(1 ) CX 2
CPFR
CSTR
4.4.2 酶催化反应
CS 0 1 rmax P K m ln C S 0 C S K m ln CS 0 X S CS 1 X S
1 P 1 L
dC S rS