第七章 生化反应器
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第06章 理想流动生化反应器分析与设计
概述
间歇操作搅拌反应器BSTR
连续操作搅拌反应器(CSTR) 连续操作管式反应器（CPFR） 半间歇搅拌槽式反应器
6.3 连续操作搅拌反应器 (CSTR)
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
连续进料出料且流量相同 组成不变，累积项为0(定态)，恒化器Chemostat
细胞循环CSTR设计
在分离器中细胞浓缩循环 回到反应器中。 循环比：
Fr F
F, Cs0 Cx1, Cs1
C xr 浓缩系数： C x1
V
F, Cx2, Cs1
已知F, V, Cs0。 计算Cx1 , Cx2, Cs1及Dc。
Fr, Cxr, Cs1
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞反应单级CSTR
Cs随D增加，但最大到Cs0， 10
此时Cx＝0，称为洗出状
态(Wash out)。此时稀释 率为临界稀释率。
8 6 4 2
Cs Cx DCx
Dc
mCs 0
K s Cs 0
0 0 0.5 D 1
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
第06章 理想流动生化反应器分析与设计
概述
间歇操作搅拌反应器BSTR
连续操作搅拌反应器(CSTR) 连续操作管式反应器（CPFR） 半间歇搅拌槽式反应器
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
达到一定转化率的反应时间计算
输入＝输出＋消耗＋累积
对于间歇反应，无输入输出项： 反应速率＝累积速率 • 简单酶反应
例题
解：计算k+2的数值，确定在不同酶浓度时的rm值，最后 使用分批酶反应速率公式，计算所需要时间
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
微生物反应 对底物、细胞、产物分别建立衡算方程 。
dC x rxV C xV V dt
Cx Cx0 C s C s0 Yx
s
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
固定化活细胞CSTR设计
* 生长过程：细胞首先在载体表面生长达到一极限浓度 C xs(g/m2)
* Cx,im aCxs 则此时相对于整个反应器的固定化细胞浓度为
(a:比表面积)，此后细胞开始在液相生长并流出，逐渐达一稳态。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
例题：
对某一S→P的均相酶催化反应，假定该反应动力学方程符 合M-M方程形式，且已知其Km=1.2mol/L，rm=3×10-2 mol/(L· min)。根据设计要求年产产物P为72000mol，并已知 CS0=2mol/L，XS=0.95。全年反应器的操作时间为7200h，其 中BSTR的每一操作周期内所需辅助时间为2h，若分别采用 BSTR和CSTR进行上述反应，试求所需反应器有效体积应 为多少？
d (VC s ) rsV dt
dC s t dt - 0 Cs0 r s
t Cs
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
达到一定转化率的反应时间计算
将动力学方程代入积分即求得反应时间。对米氏方程：
Cs 0 rm t Cs 0 Cs K m ln Cs
式中X为转化率
同积分法参数估值。
细胞循环CSTR设计
对分离器： (1 ) FCx1
细胞衡算
FCx 2 FCxr
C xr C x1
F, Cs0
Cx1, Cs1
V
F, Cx Cs1 Fr, Cxr, Cs1
Cx 2 (1 )Cx1
对整个系统：FCx 2
Cx1 V
(1 ) D WD
6.1
概
述
微生物反应器
微生物培养过程根据是否要求供氧，分为厌氧和
好氧培养。前者主要采用不通氧的深层培养；后 者采用以下几种方法：
液体表面培养(如使用浅盘）
通风固态发酵 通氧深层培养 (2) 反复分批式操作 (4) 反复半分批式操作
11
就操作方式而言，深层培养可分为： (1) 分批式操作 (3) 半分批式操作 (5) 连续式操作
产物浓度高， 杂质少 高生产能力
3. 运行成 本
6.1
概
述
6.1
•结构特征分类
概
述
管式反应器
STR
固定床
6.1
概
述
喷射环流式JLR
鼓泡塔BC
气升式ALR
6.1
概
述
Aerobic-Anaerobic Bioreactor
Conventional landfill after 30 years
Bioreactor landfill after 10 years
第06章 理想流动生化反应器分析与设计
概述
间歇操作搅拌反应器BSTR
连续操作搅拌反应器(CSTR) 连续操作管式反应器（CPFR） 半间歇搅拌槽式反应器
6.1
概
述
动力学研究目的：预测过程变化
用于过程控制：强调实时性，参数随时校正 用于反应器设计：计算反应时间与体积
生物反应器的设计目标： 产品质量高，成本低
反应器体积：V=25*2/0.09=556 m3
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
•优化目标： –产物浓度最大（后处理成本较高的产品） –生产率（单位时间产量）最高（降低运行费用） –得率最大（原料较贵〕
•优化变量：反应时间，培养基组成、pH、温度
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
s
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
批操作时间：反应时间tr＋辅助时间tb 谷氨酸发酵罐设计：要求生产能力达到8000吨/年（320天）， 发酵时间36h，辅助时间12h，最终产物浓度为9%，计算所需 反应器有效体积。
解：
每天：8000/320=25 t/d
每次周期：36+12＝48=2 days
间歇反应过程优化
单位时间产量：
Fp
dCp
VC p t r tb
Cp
dFp dt
V
(t r tb ) Cp
dt (t r tb ) 2
0
dCp dtr
t r ,opt tb
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
图解法计算最优反应时间： cp
tb
tr,opt
完全混合(全混流)，出料组成与反应器内相同
反应器体积计算及一定操作条件下状态确定
V F Cs0 F CsLeabharlann BaiduCx Cp
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
酶反应单级CSTR
底物衡算：
FCs0 FCs rsV
F 1 rs (Cs0 Cs ) D(Cs0 Cs ) (Cs0 Cs ) V m
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
固定化酶反应 反应在固相，而积累则表现为液相浓度变化（固相可略）
dC s (1 - L )rsV LV dt
C dC L s t (1- L ) C rs
s s0
仅一级不可逆反应时，有效因子与底物浓度无关， 可作为常数提出。注意rs中参数针对固相。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
酶反应单级CSTR
固定化酶（固定床反应器，实际生产中更常用）
FCs0 FCs rsp (1 L )V
D(Cs0 Cs ) rsp (1 L )
V0 VL VS (Cs0 Cs ) 1 m F F (1 L ) rsp
Yx s
WDC x1 V V Yx s
F, Cs0
Cx1
Yx
Cx1, Cs1
s
W
(Cs 0 Cs1 )
V
Cx 2 WC x1
F, Cx2, Cs1
D为稀释率，m为平均停留时间(空时)，是CSTR的重要
设计与操作参数。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
酶反应单级CSTR
1 m (Cs0 Cs ) rs
1/rs 间歇 t r
C s0
Cs
dC s rs
m
m比tr大，说明了什么？为什 么？何时m比tr小？ Cs Cs0
dC x rxV C xV V dt
t
Cx C x0 C x (K C )dC dC x s s x C x0 C x m Cs C x
Cx Cx0 C s C s0 Yx
s
(Ks Cs0 t
Cx C x0
Cx Cx0 )dC x Yx
s
Cx Cx0 m (Cs0 )Cx Yx
第七章
生化反应器分析与设计
孙立权 slq@bit.edu.cn
北京理工大学 • 生命学院
反应器的流动状态
填充床反应器 活塞流反应器 (CPFR) 管式反应器 膜反应器 搅拌罐反应器
连续操作的反应器
全混式反应器 （CSTR）
非理想反应器
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=(CS0-CS)/CS0 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)。
细胞反应单级CSTR 基本方法：
• 物料衡算得速率与操作参数关系
• 代入动力学方程得状态与操作参数关系
• 分析其临界稀释率，根据优化目标分析最优稀
释率
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
固定化活细胞CSTR设计
特点：细胞固定在载体上，因而液相
细胞浓度不等于针对整个反应器的细 胞浓度，而流出浓度等于液相浓度。
mCs1
K s Cs1
K sWD Cs1 m WD
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞循环CSTR设计
s
底物衡算
C x1 Yx (Cs 0 Cs1 ) 还是 C x 2 Yx (Cs 0 Cs1 ) ？ s
F (Cs 0 Cs1 ) rs1V
Cx1
6.1
主要成本 1.转化成本 和原料成 本 产品 细胞 分解代谢产物 生物转化
概
述
举例 反应器要求
高生产能力， 面包酵母，单细胞蛋白 高回收率 酒精，甲烷，乳酸 高果糖浆，6－氨基青霉烷酸
2. 回收成 本
细胞成分 生物合成产物 废水处理 生物处理
细胞内蛋白 抗生素，维生素 氨基酸和有机酸
活性污泥，厌氧降解 肝素降解，光学拆分
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
Km rm (t r tb ) (Cs 0 Cs )(1 ) Cs
Cs 0 又 rm t r Cs 0 Cs K m ln C s Km Cs 0 rm t b (Cs 0 Cs ) K m ln Cs Cs
6.1
生物反应器设计的内容
概
述
选择合适反应器型式结构及操作方式(反应与物料性质，生产工艺）
确定最佳操作条件及控制方式(pH、温度等)
计算所需反应器体积，设计各种结构参数
6.1
基本设计方程
概
述
• 针对特定空间特定变量的物料、能量衡算方程
• 控制体积选择原则：该体积内状态可视为一定值，不 随空间变化。(微元，总体积？） • 输入＝输出＋消耗＋累积
解：对于间歇反应器：
对于连续反应器中：
二者相比，采用连续反应器制备同样产量的产物所 需的反应器体积要小于间歇反应过程。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞反应单级CSTR
特点：进料中不含细胞，自身生长。 细胞：FCx rxV rx DCx Cx D 底物： s0 FCs rsV D(Cs0 Cs ) FC
细胞反应单级CSTR
细胞产率： 单位时间单位反应器体积细胞产量
FCx Ks D2 Px DCx Yx s ( DCs 0 ) V m D
5
DCx
最优稀释率：
dPx 0 dD
4 3 2
Dopt m (1
Ks ) K s Cs 0
1 0 0 0.5 D 1
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
m Cs
K s Cs
Cx
Yx s
Cx Yx s (Cs0 Cs )
设计：由所需细胞浓度计算底物浓度，求出D进而得到反应 器体积。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞反应单级CSTR
状态分析：
Ks D D Cs K s Cs m D
m Cs
Cx Yx s (Cs0 Cs )
t
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
对较简单反应有解析解：如对酶反应米氏方程。
rp
dC p dt r
Cs 0 Cs ,opt t r tb
rmCs ,opt K s Cs ,opt
Km rm (t r tb ) (Cs 0 Cs )(1 ) Cs
第06章 理想流动生化反应器分析与设计
概述
间歇操作搅拌反应器BSTR
连续操作搅拌反应器(CSTR) 连续操作管式反应器（CPFR） 半间歇搅拌槽式反应器
6.3 连续操作搅拌反应器 (CSTR)
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
连续进料出料且流量相同 组成不变，累积项为0(定态)，恒化器Chemostat
细胞循环CSTR设计
在分离器中细胞浓缩循环 回到反应器中。 循环比：
Fr F
F, Cs0 Cx1, Cs1
C xr 浓缩系数： C x1
V
F, Cx2, Cs1
已知F, V, Cs0。 计算Cx1 , Cx2, Cs1及Dc。
Fr, Cxr, Cs1
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞反应单级CSTR
Cs随D增加，但最大到Cs0， 10
此时Cx＝0，称为洗出状
态(Wash out)。此时稀释 率为临界稀释率。
8 6 4 2
Cs Cx DCx
Dc
mCs 0
K s Cs 0
0 0 0.5 D 1
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
第06章 理想流动生化反应器分析与设计
概述
间歇操作搅拌反应器BSTR
连续操作搅拌反应器(CSTR) 连续操作管式反应器（CPFR） 半间歇搅拌槽式反应器
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
达到一定转化率的反应时间计算
输入＝输出＋消耗＋累积
对于间歇反应，无输入输出项： 反应速率＝累积速率 • 简单酶反应
例题
解：计算k+2的数值，确定在不同酶浓度时的rm值，最后 使用分批酶反应速率公式，计算所需要时间
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
微生物反应 对底物、细胞、产物分别建立衡算方程 。
dC x rxV C xV V dt
Cx Cx0 C s C s0 Yx
s
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
固定化活细胞CSTR设计
* 生长过程：细胞首先在载体表面生长达到一极限浓度 C xs(g/m2)
* Cx,im aCxs 则此时相对于整个反应器的固定化细胞浓度为
(a:比表面积)，此后细胞开始在液相生长并流出，逐渐达一稳态。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
例题：
对某一S→P的均相酶催化反应，假定该反应动力学方程符 合M-M方程形式，且已知其Km=1.2mol/L，rm=3×10-2 mol/(L· min)。根据设计要求年产产物P为72000mol，并已知 CS0=2mol/L，XS=0.95。全年反应器的操作时间为7200h，其 中BSTR的每一操作周期内所需辅助时间为2h，若分别采用 BSTR和CSTR进行上述反应，试求所需反应器有效体积应 为多少？
d (VC s ) rsV dt
dC s t dt - 0 Cs0 r s
t Cs
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
达到一定转化率的反应时间计算
将动力学方程代入积分即求得反应时间。对米氏方程：
Cs 0 rm t Cs 0 Cs K m ln Cs
式中X为转化率
同积分法参数估值。
细胞循环CSTR设计
对分离器： (1 ) FCx1
细胞衡算
FCx 2 FCxr
C xr C x1
F, Cs0
Cx1, Cs1
V
F, Cx Cs1 Fr, Cxr, Cs1
Cx 2 (1 )Cx1
对整个系统：FCx 2
Cx1 V
(1 ) D WD
6.1
概
述
微生物反应器
微生物培养过程根据是否要求供氧，分为厌氧和
好氧培养。前者主要采用不通氧的深层培养；后 者采用以下几种方法：
液体表面培养(如使用浅盘）
通风固态发酵 通氧深层培养 (2) 反复分批式操作 (4) 反复半分批式操作
11
就操作方式而言，深层培养可分为： (1) 分批式操作 (3) 半分批式操作 (5) 连续式操作
产物浓度高， 杂质少 高生产能力
3. 运行成 本
6.1
概
述
6.1
•结构特征分类
概
述
管式反应器
STR
固定床
6.1
概
述
喷射环流式JLR
鼓泡塔BC
气升式ALR
6.1
概
述
Aerobic-Anaerobic Bioreactor
Conventional landfill after 30 years
Bioreactor landfill after 10 years
第06章 理想流动生化反应器分析与设计
概述
间歇操作搅拌反应器BSTR
连续操作搅拌反应器(CSTR) 连续操作管式反应器（CPFR） 半间歇搅拌槽式反应器
6.1
概
述
动力学研究目的：预测过程变化
用于过程控制：强调实时性，参数随时校正 用于反应器设计：计算反应时间与体积
生物反应器的设计目标： 产品质量高，成本低
反应器体积：V=25*2/0.09=556 m3
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
•优化目标： –产物浓度最大（后处理成本较高的产品） –生产率（单位时间产量）最高（降低运行费用） –得率最大（原料较贵〕
•优化变量：反应时间，培养基组成、pH、温度
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
s
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
批操作时间：反应时间tr＋辅助时间tb 谷氨酸发酵罐设计：要求生产能力达到8000吨/年（320天）， 发酵时间36h，辅助时间12h，最终产物浓度为9%，计算所需 反应器有效体积。
解：
每天：8000/320=25 t/d
每次周期：36+12＝48=2 days
间歇反应过程优化
单位时间产量：
Fp
dCp
VC p t r tb
Cp
dFp dt
V
(t r tb ) Cp
dt (t r tb ) 2
0
dCp dtr
t r ,opt tb
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
图解法计算最优反应时间： cp
tb
tr,opt
完全混合(全混流)，出料组成与反应器内相同
反应器体积计算及一定操作条件下状态确定
V F Cs0 F CsLeabharlann BaiduCx Cp
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
酶反应单级CSTR
底物衡算：
FCs0 FCs rsV
F 1 rs (Cs0 Cs ) D(Cs0 Cs ) (Cs0 Cs ) V m
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
固定化酶反应 反应在固相，而积累则表现为液相浓度变化（固相可略）
dC s (1 - L )rsV LV dt
C dC L s t (1- L ) C rs
s s0
仅一级不可逆反应时，有效因子与底物浓度无关， 可作为常数提出。注意rs中参数针对固相。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
酶反应单级CSTR
固定化酶（固定床反应器，实际生产中更常用）
FCs0 FCs rsp (1 L )V
D(Cs0 Cs ) rsp (1 L )
V0 VL VS (Cs0 Cs ) 1 m F F (1 L ) rsp
Yx s
WDC x1 V V Yx s
F, Cs0
Cx1
Yx
Cx1, Cs1
s
W
(Cs 0 Cs1 )
V
Cx 2 WC x1
F, Cx2, Cs1
D为稀释率，m为平均停留时间(空时)，是CSTR的重要
设计与操作参数。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
酶反应单级CSTR
1 m (Cs0 Cs ) rs
1/rs 间歇 t r
C s0
Cs
dC s rs
m
m比tr大，说明了什么？为什 么？何时m比tr小？ Cs Cs0
dC x rxV C xV V dt
t
Cx C x0 C x (K C )dC dC x s s x C x0 C x m Cs C x
Cx Cx0 C s C s0 Yx
s
(Ks Cs0 t
Cx C x0
Cx Cx0 )dC x Yx
s
Cx Cx0 m (Cs0 )Cx Yx
第七章
生化反应器分析与设计
孙立权 slq@bit.edu.cn
北京理工大学 • 生命学院
反应器的流动状态
填充床反应器 活塞流反应器 (CPFR) 管式反应器 膜反应器 搅拌罐反应器
连续操作的反应器
全混式反应器 （CSTR）
非理想反应器
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=(CS0-CS)/CS0 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)。
细胞反应单级CSTR 基本方法：
• 物料衡算得速率与操作参数关系
• 代入动力学方程得状态与操作参数关系
• 分析其临界稀释率，根据优化目标分析最优稀
释率
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
固定化活细胞CSTR设计
特点：细胞固定在载体上，因而液相
细胞浓度不等于针对整个反应器的细 胞浓度，而流出浓度等于液相浓度。
mCs1
K s Cs1
K sWD Cs1 m WD
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞循环CSTR设计
s
底物衡算
C x1 Yx (Cs 0 Cs1 ) 还是 C x 2 Yx (Cs 0 Cs1 ) ？ s
F (Cs 0 Cs1 ) rs1V
Cx1
6.1
主要成本 1.转化成本 和原料成 本 产品 细胞 分解代谢产物 生物转化
概
述
举例 反应器要求
高生产能力， 面包酵母，单细胞蛋白 高回收率 酒精，甲烷，乳酸 高果糖浆，6－氨基青霉烷酸
2. 回收成 本
细胞成分 生物合成产物 废水处理 生物处理
细胞内蛋白 抗生素，维生素 氨基酸和有机酸
活性污泥，厌氧降解 肝素降解，光学拆分
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
Km rm (t r tb ) (Cs 0 Cs )(1 ) Cs
Cs 0 又 rm t r Cs 0 Cs K m ln C s Km Cs 0 rm t b (Cs 0 Cs ) K m ln Cs Cs
6.1
生物反应器设计的内容
概
述
选择合适反应器型式结构及操作方式(反应与物料性质，生产工艺）
确定最佳操作条件及控制方式(pH、温度等)
计算所需反应器体积，设计各种结构参数
6.1
基本设计方程
概
述
• 针对特定空间特定变量的物料、能量衡算方程
• 控制体积选择原则：该体积内状态可视为一定值，不 随空间变化。(微元，总体积？） • 输入＝输出＋消耗＋累积
解：对于间歇反应器：
对于连续反应器中：
二者相比，采用连续反应器制备同样产量的产物所 需的反应器体积要小于间歇反应过程。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞反应单级CSTR
特点：进料中不含细胞，自身生长。 细胞：FCx rxV rx DCx Cx D 底物： s0 FCs rsV D(Cs0 Cs ) FC
细胞反应单级CSTR
细胞产率： 单位时间单位反应器体积细胞产量
FCx Ks D2 Px DCx Yx s ( DCs 0 ) V m D
5
DCx
最优稀释率：
dPx 0 dD
4 3 2
Dopt m (1
Ks ) K s Cs 0
1 0 0 0.5 D 1
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
m Cs
K s Cs
Cx
Yx s
Cx Yx s (Cs0 Cs )
设计：由所需细胞浓度计算底物浓度，求出D进而得到反应 器体积。
6.3 连续操作搅拌反应器(CSTR)
细胞反应单级CSTR
状态分析：
Ks D D Cs K s Cs m D
m Cs
Cx Yx s (Cs0 Cs )
t
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
对较简单反应有解析解：如对酶反应米氏方程。
rp
dC p dt r
Cs 0 Cs ,opt t r tb
rmCs ,opt K s Cs ,opt
Km rm (t r tb ) (Cs 0 Cs )(1 ) Cs