4.生物反应器的操作模型作业参考

(5)( F Fr )C X Fc Xf Fr c Xr c Xr c Xf c Xr cX 4 c Xf W 1 R R cX
1 2, W 2 YX / S K SWD 8 cX (cS 0 ) g/L W max WD 3 8 1 4 c Xf c X W g / L 3 2 3 K SWD 1 CSf g/L max WD 3
4-6 某微生物反应的动力学方程为 r X
2C C S X 1 C
3
g /(m3 h)
S
现已知CX0 =0，CS0=3g/L，YX/S=0.5， VR=1m 。或该反应在CSTR中进行，试求： （1）该反应的最佳加料速率应为多少？此时反应器出口的细胞浓度，底物 浓度和最大细胞生成速率各为多少？
d (VR cS ) VR CS 0 X S FinCS 0 Fout CS rs m dt F rs
CPFR：连续操作管式反应器
dcsl 对dVR作底物衡算,dVR Fcsl rS dVR F (csl dcsl ) dt CS 0 dC S P = CSf rS
（2）当加料速率为1/3m3/h时，CX 、CS 、DCX又为多少？
KS 解:(1)DOpt max 1 K C S S0 Fopt 1m3 / h
1 ] 1 2[1 1 3
C X ,Opt YX / S C K K ( C K ) S S S S S 0 0 0.5(3 1 1(3 1) 1g / m3 Cs ,Opt K S DOpt 1 1 3 1g / m 2 1
max 2(min 1 ) g /( L min) 得 解：由 r X 1 C K s 1( g / L ) S
(1)CSTR在稳态下有
2C C S X
=D=
F 1 1(min 1 ) VR 1 2cS 2c c X 可得 S 1+cS 1+cS
由rX c X
72000 pr 解: F 7200 60 0.0877 L / min Cs0 X s 2 0.95 1 rmax tr Cs0 X s K m ln tr 183.2 min 1 X s
VR F tr tb 0.0877 183.2 120 26.6 L
4-9某一均相酶催化反应，在活塞流反应器中进行，其 动力学方程为
解:由r
S
0.1C S 1 0.5C
S
r
S
0.2C S 2C
SFra Baidu bibliotek
rmax 0.2, K m 2 rmax P cS 0 X S K m ln 2 0.95 2 ln 1 1 X S
1 7.89 0.05 代入可求得 P 39.45 min VR P VR 25 39.45 986.4( L) F
4.生物反应器的操作模型
1.什么叫BSTR，CSTR，CPFR，请根据物料衡算 写出其操作模型方程，即反应时间与反应速率的关 系方程。 BSTR:间歇操作反应器（分批操作的搅拌槽式反应器

cs dc dnS s VR rS tr cs 0 r dt s
CSTR：连续操作的搅拌槽式反应器
3
max DOpt
rX ,max DOpt CX ,Opt 11 1g /(m .h)`
F 1 1 (2)D h VR 3 1 1 KS D 3) C X YX / S CS0 0.5(3 1 max D 2 3 1.4 g / m3 1 1 KS D 3 0.2 g / m3 Cs max D 2 1 3 1 3 rX DC X 1.4 0.47 g /(m .h)` 3
4-7 某微生物反应的动力学方程为 r
X
2C C S X 1 C
S
g /(m3 h)
现已知CX0=CP0=0，CS0=3g/L，YX/S=0.5。试确定 （1） 在单一CSTR中，VR=1L，F=1L/min,求其出口CS？ （2） 在同一CSTR中，如果F=3 L/min，求其出口CS？ （3） 如果在F=3 L/min下操作，得到出口CS＝1/3 g/L，则其CSTR的体积VR=？ （4） 在两相串联CSTR中进行上述反应，每一CSTR的体积均等于1L，加料速率F=1 L/min，此时得到 的最低CS值为多少？ （5）如果对上述反应采用菌体提浓后再循环的操作方式，已知CS0＝3g/L，YX/S=0.5，VR=1L，F=1L/min， CX0=CP0=0，R=1/2，cXr＝4cXf，求最终离开反应系统的cXf为多少？
解得cS 1( g / L)
(2)当F=3时 F 3 =D= 3(min 1 ) VR 1
比max 大, 呈洗出状态
故cS cS 0 3( g / L)
2cS F (3) =D= VR 1+cS 当cS 1/ 3g / L时, 则可求得VR 6 L
F 1 2cS1 (4)两相串联时,则C X 1有 =D= VR 1 1+cS1 cS1 1g / L, C X 1 YX / S (cS0 -cS1 ) 1g / L CX 1 2cS2 稳态下求得 2 D (1 ) CX 2 1+cS2 另有, C X 2 YX / S (CS 0 CS 2 ) 故可求得cS2 0.17 g / L
变速流加以反馈流加为主。
4-1
4-2 对某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 K m =1.2mol/L,r m a x =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，试求所需反应器有效体积应为多 少 ？
细胞总量CX VR VR0CX 0 YX / S FtCsf ,得出为50g
2.补料分批操作可分为哪几种类型,各有何特点,请简述之. 恒速流加，指数流加和变速流加 恒速流加是指以恒定的速率流加限制性底物的一种最简单的流 加操作方式。
d 1 经过长时间的流加培养后, 有 2 , 即生长比速率越来越小. dt t
指数流加：使加料速率按指数规律增加,以使限制性底物浓度维 持不变,故称为指数流加。指数流加可使生长比速率恒定。
4-19
解:VR VR 0 Ft VR 0 VR Ft 1 0.2 2 0.6( L) F 0.2 D 0.2h1 VR 1 KS D cS 2g / L max D 根据物料衡算可得 细胞总量CX VR VR 0C X 0 YX / S Ft (CS 0 CS ) 0.6 30 0.5 0.2 2 (100 2) 37.6 g