生化反应器
生化反应器原理1
10 Bernard Atkinson，Ferda Mavituna . Bio-chemical
Engineering and Biotechnology Hand-book .2nd ed. London： Macmillen Pubishers Ltd，1991
生化反应器原理
绪论
1. 生化反应器原理的性质及研究内容 2. 主要参考书目
1. 生化反应器原理的研究领域及内容
生化反应器原理是以生化工程为基础的研究 生化反应装置一门研究生课程。
所谓生化工程是利用化学工程的研究手段将 生物反应（特别是微生物反应）实现工业化的一 门综合学科。
生物化学工程简称生化工程，是运用化学工 程学的原理和方法，研究生物工程（指生物技术） 工业化开发过程中的工程技术问题的学科。它既 可视为化学工程的一个分支，又可认为是生物工 程的一个组成部分。
化学 工程
工程学
生化工程与基础学科的关系
生化反应动力学——建立反应速率的数学模型
数学模型建立的方法：
➢分析法 对微生物细胞或酶促反应的机理进行深 入研究的基础上，经推理、推导和简化等过程， 得到的数学模型。这一类的数学模型可通过实 验数据求出待定的参数，并对模型进行实际过 程的拟合。其特点是既能反应过程的机制，又 在实验范围内与实验数据相一致。酶促反应的 Michaelis-Menten方程式典型的由分析法得到的 数学模型
11 Bernard Atkinson . Biochemical Reactor. London：
生化反应器
生物产品生产过程
1-1 生物反应过程
利用生物催化剂将原料转化为产品过程中发生的一系
列生物化学变化过程。生物催化剂是游离的或固定化的细 胞和酶的总称。 • 当采用游离的整体活微生物细胞作催化剂时，其生物反应 过程称为发酵过程(在特定情况下有时也称之为微生物转 化过程)； • 当所用生物催化剂为游离或固定化酶时，其生物反应过程
1.酶的命名
• 习惯命名法：通常根据底物和酶所催化的反应性 质来命名，如淀粉酶，氧化酶等；有些酶的命名 还加上酶的来源或酶的特点，如胃蛋白酶等。 • 系统命名法：酶的名称应包括酶的系统名和分类 编号，其中酶的系统名依次由底物名称、反应类 型和表示酶的后缀词-ase构成。
2.酶的分类和用途
按酶的催化反应类型，可将酶分成六类：
关于产物动力学研究，首先需要通过实验找
到细胞生长、基质消耗和产物生成的规律，然后 建立合理的数学模型并确定模型参数，用数学模 型就可以模拟分批培养过程从而达到优化控制过 程的目的。
§3 生化反应器
3-1 生化反应器的特殊要求
Km 1 1 1 rp rmax rmax cs
• ②伊迪-霍夫施蒂（Eadic-Hofstee）法
由rp
k 2 c E , 0 cS cS K m
rmaxcs cs K m rp cs
得：rp rmax K m
• ③黑尼斯-伍尔夫（Hanes-Woolf，简称H-W法， 又称兰格缪尔（Langmuir））作图法
称为酶反应过程(有时也称为酶促反应过程或酶催化反应
过程)。
1-2 生物反应过程的特点
1.发酵过程的特点
• 反应步骤简单。
• 反应条件温和，消耗能量较少。 • 反应产物的含量低，副产物较多，产品分离过程复杂。 • 在反应过程中反应体系容易被杂菌污染。 • 利用微生物作为催化剂时，细胞的稳定性较高。
污水处理反应器
污水处理反应器引言概述：污水处理反应器是一种用于处理污水的设备，通过化学反应和物理过程将污水中的有害物质去除，从而达到净化水体的目的。
本文将从五个大点来详细阐述污水处理反应器的工作原理和应用。
正文内容：1. 反应器类型1.1 生化反应器：介绍生化反应器的工作原理和应用，包括好氧生化反应器和厌氧生化反应器。
1.2 物化反应器：介绍物化反应器的工作原理和应用，包括沉淀池、过滤器和吸附剂等。
2. 反应器工艺2.1 活性污泥法：介绍活性污泥法的工作原理和应用，包括好氧活性污泥法和厌氧活性污泥法。
2.2 膜分离技术：介绍膜分离技术的工作原理和应用，包括微滤、超滤和逆渗透等。
2.3 化学氧化法：介绍化学氧化法的工作原理和应用，包括高级氧化技术和化学氧化剂的应用。
3. 反应器性能评价3.1 去除率：介绍污水处理反应器的去除率评价指标，包括COD去除率、氨氮去除率和总磷去除率等。
3.2 反应器效率：介绍污水处理反应器的效率评价指标，包括污水处理能力、反应器容积和处理时间等。
3.3 经济性：介绍污水处理反应器的经济性评价指标，包括投资成本、运营成本和能耗等。
4. 反应器运行与维护4.1 运行参数：介绍污水处理反应器的运行参数，包括温度、pH值和溶解氧等。
4.2 负荷控制：介绍污水处理反应器的负荷控制方法，包括有机负荷和氮磷负荷的控制。
4.3 维护管理：介绍污水处理反应器的维护管理措施，包括定期检查、清洗和维修等。
5. 反应器应用领域5.1 市政污水处理：介绍污水处理反应器在市政污水处理中的应用，包括城市污水处理厂和污水处理站等。
5.2 工业废水处理：介绍污水处理反应器在工业废水处理中的应用，包括钢铁、石化和制药等行业。
5.3 农村污水处理：介绍污水处理反应器在农村污水处理中的应用，包括农田灌溉和农村污水处理设施等。
总结：污水处理反应器是一种重要的污水处理设备，通过不同类型的反应器和工艺，可以有效去除污水中的有害物质。
生化反应器 第三章 细胞反应动力学1
所以： a= 0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2
即： C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86 +3.855H2O+2CO2 （2）底物对细胞的得率YX / S的计算
YX / S
max
= 1 / 0.0167 = 59.8802(g/mol)
m = 0.0012(mol/g ⋅ h )
由而可看出两种作法的计算结果时接近的
0.04 0.035 0.03 YX/S （g/mol） 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 5 10 1/ µ （h ） 15 20
0.008 0.007 q S （mol/g·h） 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
µ （1/h ）
qS及µ的实验数据计算YX/S ，以1/YX/S对1/µ进 行回归得到 则
1 / Y X / S = 0.0167 + 0.0012 / µ
对N元素平衡，有：
a = 0.86c = 0.782
对H元素平衡，有：
12 + 3a = 7.3c + 2d ， 12 + 3a − 7.3c d= 2 12 + 3 × 0.782 − 7.3 × 0.909 = 2 = 3.855
对O元素平衡，有：
6 + 2 × b = 1 .2 c + d + 2 e ，
生物反应器工作原理
生物反应器工作原理生物反应器的工作原理生物反应器是一种能够利用生物转化过程进行生产的设备，它可以支持和促进生物体内的生化反应。
生物反应器一般由反应容器、搅拌装置、温控系统、通气系统等组成，其工作原理依赖于生物体的生长、代谢和微生物的作用。
1. 生物反应器的基本原理生物反应器是为了在控制条件下促进生物体内的生化反应而设计的。
它提供了一个适合于生物体生长和代谢的环境，以支持其在反应器内进行所需的生化反应。
关键因素包括温度、满足生物体需要的底物和营养物质、pH值的维持和氧气的供给等。
2. 温控系统温控系统是生物反应器中的一个重要组成部分，它通常由温度传感器、加热装置和温度控制器组成。
通过感测反应器内的温度变化，控制器可以自动调节加热装置的输出来维持所需的反应温度。
保持适宜的温度可以提供生物体生长所需的理想环境，加速生化反应速率。
3. 搅拌装置搅拌装置用于保持反应器内物质的均匀混合，促进物质传递过程。
对于生物反应器而言，搅拌装置的设计旨在防止生物体的沉降和死区形成，使反应器内物质分布更加均匀。
搅拌装置的形式多种多样，包括机械搅拌、气体搅拌、涡流搅拌等。
4. 底物和营养物质的供给生物反应器中的底物和营养物质是支持生化反应进行的重要因素。
底物通过给定的供给策略被添加到反应器中，以满足生物体生长和代谢的需求。
供给策略可以根据具体反应的要求进行调节，例如连续供给、批次供给或脉冲供给等。
5. pH值的维持pH值对于生物体内的生化反应非常重要，它可影响酶的活性、细胞壁的稳定性和底物的溶解度等。
生物反应器中通常使用缓冲液来维持适宜的pH值。
pH值的控制可以通过添加酸或碱来调节，通常借助于自动控制系统来维持所需的pH范围。
6. 氧气供给氧气是生物体进行代谢反应所必需的。
在许多生物反应器中，气体搅拌是将氧气与培养基混合的常见方法。
通过气体供给系统，可控制氧气的流速、溶解度和分布，以满足生物体对氧气的需求。
7. 生化反应生物反应器的工作原理依赖于生物体的生长和代谢过程。
第七章-生化反应器
微生物反应器
动植物细胞反应器
第七章 生化反应器
反应器的特点与设计原则
生化反应( 生化反应(器)的特点
在接近中性的pH、 在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行 pH 使反应过程控制最优化， 使反应过程控制最优化，以达到最佳酶反应状态 维持最佳发酵状态， 维持最佳发酵状态，使细胞保持良好生长状态 可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的 产品 极大多数生化反应皆在水相中进行
河南
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 动物细胞培养生物反应器
设计必须考虑如下要求 安全因素：具备严密的防污染性能， 安全因素：具备严密的防污染性能，还应有防止反应器中 有害物质或生物体散播到环境的功能。 有害物质或生物体散播到环境的功能。 操作因素：便于操作和维护。 操作因素：便于操作和维护。
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 生化反应( 生化反应(器)的种类 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器-发酵罐的部分部件
消泡器 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳 状式及孔板式。 状式及孔板式。
甘肃
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 生化反应( 生化反应(器)的种类 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器-发酵罐的部分部件
• 1、搅拌罐式反应器：
• (1)分批搅拌罐式反应器 • 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能 很迅速达到稳态。 • 缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去 活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化 酶，但常用于游离酶。
第七章 生化反应器
• 反应器的种类及选择与操作 • 酶反应器
生化反应器原理12
5.3.1 单级CSTR的生化反应特征 （1）单级CSTR的反应时间
F，CS0，CX0
VR，CS，CX
F，CS，CX
CX0，CS0，F CX，CS，VR CX，CS，F
在单级CSTR中的反应的底物质量平衡关系
输入CRTR 输出CRTR 在CRTR内 的底物质 的底物质 反应消耗底
XS
1
CS CS0
有
F X S CS0 VR VS
平均反应时间
ta
VR F
CS0 X S VS
CS0 CS VS
（2）酶促反应的单级CSTR的反应方程
对均相的酶促反应，且反应符合M-M的动力 学方程，则
ta
CS0 CS VS
CS0 CS Vmax CS
Km CS
Vmax
量速率
量速率
物的质量速率
即
F CS0 F CS VR VS 式中 F——进出单级CSTR的流量，（L/s）
CS0 ， CS—— 进 出 单级 CSTR 的 底 物浓 度 ， （mol/L或g/L）
VR——单级CSTR的有效体积，（L）
VS——底物的反应速率，（mol/L·s或g/L·s） 定义底物的转化率
定义细胞的生产能力
则 PX D CX
PX
D YX / S CS 0
K
m
S ax
D D
为求得对稀释速率D的最大的细胞生产能力，令
dPX 0 dD 有最佳的稀释速率
Dopt max1
K S K S CS0
KS
由小于，大所多 以D数o的pt就细在胞D反c的应附的近C且S0远小大于于DcK。S，单级KCS STC很RS0
多联生物反应器
多联生物反应器
多联生物反应器，也称为多联生化反应器或多路生物反应器，是一种有效的生物反应器，用于生物反应和分离。
它可以用来实现许多反应，如生物反应，制药等。
它可以用于大规模生产，从而提高设备使用效率。
多联生物反应器具有许多优点，如反应容积小、反应效率高和灵活性强等等。
多联生物反应器有两种类型：定向型多联生物反应器和混合型多联生物反应器。
定向型多联生物反应器用于实现特定反应，如金属酸化反应和氧化还原反应等。
而混合型多联生物反应器可以不断重新组合和叠加，实现特定反应的原料物质循环往复，反复转换以达到最终反应的目的。
多联生物反应器在制药、精细化工、生物质聚合等领域中都发挥着重要作用。
它不仅可以提高生物反应的生产效率，而且可以降低反应体系中的成本，还可以有效的避免反应污染。
此外，多联生物反应器还可以应用于很多领域，如临床诊断、环境检测、食品安全检测等。
多联生物反应器的研究和应用不断推进，在生物技术和
药物合成方面发挥着越来越重要的作用。
它简化了反应过程，并协助生产更复杂的制剂。
多联生物反应器具有简单、高效、经济等优势，受到众多企业的青睐。
未来，随着多联生物反应器技术的不断发展，可能会把多联生物反应器应用到更广泛的领域，从而为生物领域提供更多的发展机遇。
总之，多联生物反应器是一种高效的生物反应器，广泛用于药物合成和精细化工等。
它可以显著提高反应的生产效率，降低生产成本，减少污染，进而推动生物技术的发展。
随着多联生物反应器技术的不断完善，可以期待它将在更多发展领域发挥更大的作用。
第五章生化反应器
值的最大空间范围作为控制体积，可以是微元体积，也可以是整个反
应器的有效体积。
• 基本方程：物料衡算式、能量衡算式、动量衡算式、反应动力学方程
输入量＝输出量+反应量+累积量
5.3 BSTR的设计
• BSTR的基本特点 • BSTR设计基本关系式 • 不同反应过程反应时间的求取 • 反应器有效体积的计算
5.1 反应器的分类
• 可按操作方式
分批操作 连续操作
半连续操作
• 能量的输入方式：机械搅拌式和气升式
• 反应器的结构特征（H/D）：罐式、管式和塔式
• 反应器内流体的流动类型 ：全混流、活塞流
5.2 反应器设计的基本方程
• 变量：
自变量：时间和空间 因变量：物料浓度、温度、压力
• 控制体积：即建立衡算式的空间范围，其原则是以反应速率视为相同
Dc
max S0
Ks S0
max
5.4.2 带循环的CSTR
• 单级CSTR因为临界稀释率
而使它的生产能力受到了
限制。
• 将反应器出口料液通过离心
作用将菌体浓缩，并将一部
分 反馈回反应器的入口，
即为带循环的CSTR
•
令循环比 R Vr，提浓因子 Xr ，
V0
X1
W 1 R R
对反应器的菌体进行物料衡算：反馈+生长＝流出
求反应器的有效体积。
•
解：根据
1
1
tr rmax
S0 X S
Km ln 1 X S
tr 2 0.8 2 ln 1 0.8
4.82 min
Pr
1000mol / h,V0
Pr S0 X S
1000mol / h 2 0.8mol / L
生物反应器在生物工程中的应用
生物反应器在生物工程中的应用
生物反应器是现代生物工程科学的核心工具之一，广泛应用于制药、食品、生化和环境工程等领域。
反应器是实现生化过程的关键设备，其作用是创造一个适合生物生长发酵的环境，最大化生物体生长和物质转化的效率。
生物反应器包括发酵罐、生化反应器、膜反应器等多种类型，在各种生化反应中扮演着重要的角色。
它们不仅可以用于生产大量的生物制品，还可以用于研究细胞和生物物质的行为。
本文将重点介绍生物反应器在生物工程中的应用。
发酵反应器
发酵反应器是最常见的生物反应器之一，在制药、食品和饮料等领域扮演着重要的角色。
它们可用于生产大量的化合物、酶和细胞等。
发酵反应器可以将微生物置于一定的温度和pH值下，通过补充适量的营养和其他必需物质进行发酵，从而加速微生物体生长和代谢物的产生。
生化反应器
生化反应器是一种用于化学反应的特殊反应器，通常用来生产非生物分子和复杂有机物。
生化反应器可以在适当的温度和pH条件下，将废物和其他有机化合物转化为有用的产品和生物质。
在制造生物药物、化学品和生化制品等中，生化反应器具有重要作用。
膜反应器
膜反应器是一种可以分离、纯化和转移生物分子的反应器。
该反应器的特点是可以使用非常小的反应室，从而减少搅拌和传质过程的难度。
膜反应器可以用于分离生物大分子如蛋白质、酶和抗体等。
此外，膜反应器还可以为生物反应器提供保护，防止污染和传染病的传播。
总的来说，生物反应器在现代生物工程中发挥着非常重要的作用。
随着技术的发展和生产需求的增加，开发和使用更可靠、更高效、更灵活的生物反应器仍然是一个持续的挑战。
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）
名词解释
名词解释：●生化工程（Biochenical engineering）：研究利用生物催化剂(酶或细胞)从事生物技术产品的生产的过程，即生化反应工程。
●微生物的热阻(microbe thermalresistance)：表征不同微生物对热抵抗能力强弱的指标。
是指微生物在某一特定条件(主要是温度和加热方式)下的致死时间。
●相对热阻：指在相同条件下两种微生物热阻的比值。
●返混（backmixing）：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。
按照返混的程度，在化学工程中建立了两种理想的连续流动反应器模型：连续搅拌罐（CSTR）和活塞流反应器（PFR）反应器；●双膜理论：气液两相间存在一个界面，界面两侧分别为呈层流状态的气膜和液膜；在气液界面上两相浓度相互平衡，界面上不存在传递阻力；气液两相的主流途径上各点的氧浓度不随时间而变化。
●生化反应器：利用生物催化剂进行生化反应的设备。
（反应罐、发酵罐）●生物反应器的放大：将实验室研究设备中的优化培养或发酵结果转移到工业规模的生物反应器中加以重演的技术。
●生化工程的任务：就是要处理与生物学有关的工艺过程中的特殊性工程技术问题。
●培养基的灭菌：系指杀灭培养基中有生活能力的细菌营养体及其孢子。
●露点：空气中的水汽开始达到饱和而析出水分时的温度。
（当水汽未饱和时，气温一定高于露点温度）●临界氧浓度：当培养基中不存在其他限制性机制时，不影响好氧微生物生长繁殖的发酵液中最低的溶氧浓度。
●稀释率（D）：表示物料流量占反应器体积的比例。
（稀释速率的倒数就是物料在反应器中的停留时间）●D C（临界稀释率）：在恒化反应器中，菌体浓度通过稀释被“清洗出罐”，此时的稀释率为临界稀释率。
●功率准数（N P）：表示机械搅拌器施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌的惯性力之比。
●轴功率：搅拌器以既定的转速回转时，用以克服介质阻力所需的功率。
（不包括机械转动的摩擦所消耗的功率）●全挡板条件：W/D*mb=0.4(w为挡板宽度，D为罐的直径)，且在一定条件下，再增加罐内附件而搅拌轴功率保持不变。
污水处理反应器
污水处理反应器引言概述：污水处理是一项重要的环境保护工作，而污水处理反应器是其中的核心设备。
本文将从反应器的类型、工作原理、应用领域、优势和发展趋势等方面进行详细阐述。
一、反应器的类型1.1 生化反应器：生化反应器是利用微生物降解有机物质的一种设备。
其主要类型包括曝气式活性污泥法、厌氧消化池和固定床生物反应器等。
1.2 物化反应器：物化反应器主要利用化学方法去除废水中的污染物。
常见的物化反应器包括混凝沉淀池、活性炭吸附器和氧化还原反应器等。
1.3 组合反应器：组合反应器是将生化反应器和物化反应器结合起来，以达到更高效的废水处理效果。
常见的组合反应器有混合式反应器和序列反应器等。
二、反应器的工作原理2.1 生化反应器的工作原理：生化反应器通过微生物降解废水中的有机物质，将其转化为无害的物质。
曝气式活性污泥法利用曝气系统供氧，促使微生物进行降解作用；厌氧消化池则在无氧条件下进行废水处理；固定床生物反应器则利用固定的生物膜降解废水中的有机物。
2.2 物化反应器的工作原理：物化反应器通过化学方法去除废水中的污染物。
混凝沉淀池通过添加混凝剂使污染物凝聚成团，然后沉淀下来；活性炭吸附器则利用活性炭吸附废水中的有机物质；氧化还原反应器则通过氧化或还原反应去除废水中的污染物。
2.3 组合反应器的工作原理：组合反应器将生化反应器和物化反应器结合起来，通过不同的工艺步骤进行废水处理。
混合式反应器将生化反应器和物化反应器同时进行；序列反应器则将生化反应器和物化反应器进行分步处理。
三、反应器的应用领域3.1 工业废水处理：污水处理反应器在工业废水处理中起着至关重要的作用，能够有效去除废水中的污染物，保护环境。
3.2 城市污水处理：城市污水处理需要大规模的反应器设备，以处理大量的污水，保障城市环境的卫生和健康。
3.3 农村污水处理：农村地区的污水处理需要适用于小规模处理的反应器设备，能够有效地处理农村地区的废水。
四、反应器的优势4.1 高效性：污水处理反应器能够高效去除废水中的污染物，提高废水处理效率。
生化反应器原理11
➢ 生化反应器——利用生物催化剂进行生化反 应的设备。
➢ 将现有的生化反应器进行抽象——理想的生 化反应器
➢ 研究生化反应器的目的
✓ 研究生化反应器的基本反应规律 ✓ 研究生化反应器的设计内容及方法
5.1 生化反应器的一般性问题 5.1.1 生化反应器的分类
生化反应器可从不同角度分类
VR V0 (t R tb ) 10.42 (4.82 10.42) 154.42L
5.2.3 BSTR反应过程的优化
对生化反应，总希望以最小的费用获得最大 的利益
➢目标函数——以产量、生产效率、利润或综合 效益等
➢最优化的变量——在生化反应中反应结束的时 间、培养基的组成、培养温度、pH值等。
体系内 消耗的 底物质 量
对底物，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内消 积的底物 的底物质 的底物质 耗的底物
质量
量
量
质量
对产物，有
体系内累 进入体系 离开体系 体系内生
积的产物 的产物质 的产物质 成的产物
质量
反应的转化率XS=0.8， 辅助操作时间tb=10min
解：（1）反应时间
tR
1 Vmax
CS 0 X S
Km
ln
1
1 X
S
k2
1 CE0
CS 0 X S
Km
ln
1
1 X
S
1 1
1
2
0.8
2
ln
1
1 0.8
4.82 min
（2）该BSTR的有效体积
V0
Pr CC0 X S
1000 / 60 10.42L / min 2 0.8
生化触媒反应器
生化觸媒反應器利用固定化酵素或固定化菌體反應器的工業生產，主要是以「連續程序」來進行，亦即在反應器內填充定量的酵素或菌體，將反應液(原料)連續地送入反應器內進行反應，再將生成物輸出的連續式固定化酵素或固定化菌體生化反應器。
廣義定義：將不經過化學處理的活菌體填充於反應器內形成所謂的「固定化活菌體反應器」。
狹義定義：若經過化學處理造福人群而成粒狀、膜狀，或纖維狀的固定化酵素，或固定化菌體(又稱固定化生化觸媒)填充於反應器內進行反應。
固定化酵素或菌體之生化反應器(bioreactor of immobilized enzymes-cells)日本田邊製藥於1970開發出固定在DEAE-Sephadex擔體上的胺基醯酵素(amino-acylase)，在填充床反應器內利用胺基酸消旋體的光學分割，進行L-amino acid之工業化連續生產；高崎等人將含有高活性葡萄糖異構化酵素的放線菌菌體，只施以加熱處理，所得之菌體凝塊成功地應用於果糖糖漿的連續生產。
普通工業化生產反應系統：液─固兩相系統的填充床生化反應器。
固定化活菌體生化反應器則為：液─固─氣相所組成的三相反應系統。
固定化除費用低廉外，亦可視為傳統反應工程學之多樣化應用與進展。
固定化活菌體生化反應器(在不使用擔體的情況)利用固定化活菌體生化反應器來進行連續生產的代表例子為酒精及食用醋的速釀法，如下圖為工業化生產啤酒連續發酵程序使用的塔型固定化活菌體生化反應器：菌種：Saccharomyces cerevisiae，固定成0.2~1.2 cm之集結菌體，填充於圓筒形反應器內。
麥芽汁┼惰性氣體從底部送入；CO2及含有剩餘酵母菌之鮮啤氣從塔頂流出。
另外，葡萄酒速釀法之生化反應器如下圖：(a)為向上並流三相流動層反應器(b)為氣體向上流動，液體平流之填充塔反應器(c)為氣體與液體並行向上之螺旋型反應器下例為荷蘭及丹麥進行糖蜜連續發酵生產酒精之工業規模實例：進料：滅過菌的糖蜜，以硫酸胺調整pH。
生化反应工程知识点总结
生化反应工程知识点总结在生化反应工程的研究和应用中涉及到很多的基本理论和关键技术，下面我将对生化反应工程中的一些重要知识点进行总结和归纳。
一、生物反应器的基本类型和特点生化反应工程中，生物反应器是进行生化反应的主要装置。
根据不同的反应过程和要求，生物反应器可以分为多种类型，主要包括批式反应器、连续流动反应器、循环反应器、固定床反应器等。
不同类型的生物反应器具有不同的特点和适用范围，选择合适的反应器对于生化反应的控制和优化具有至关重要的意义。
1.批式反应器批式反应器是将反应物一次性加入反应器中，允许反应物在反应过程中发生变化，反应结束后，将产物从反应器中分离。
批式反应器的优点是操作简单，易于控制，适用于小规模的试验和研究。
但是其生产效率比较低，不适用于大规模工业生产。
2.连续流动反应器连续流动反应器是在反应过程中不间断地加入新的反应物，产物和反应物同时流出反应器。
连续流动反应器可以保持反应物的浓度和温度等参数稳定，有利于提高生产效率，适用于大规模的工业生产。
3.循环反应器循环反应器是在反应过程中将反应液不断地循环通过反应器，通过控制循环速度和时间来控制反应过程。
循环反应器可以有效地提高反应效率，适用于某些需要密闭反应环境的反应。
4.固定床反应器固定床反应器是将固定在反应器中的生物体用于反应，可以有效地控制生物体的生长和代谢过程。
固定床反应器适用于某些需要生物体来完成反应的场合。
以上几种生物反应器的类型具有各自的特点和适用范围，在实际的生化反应工程中，需要根据具体的反应过程和要求来选择合适的反应器类型。
二、微生物的选择和改良在生化反应工程中，微生物是一种重要的生物反应体，用于完成生化反应过程。
根据反应的要求，选择合适的微生物对于反应的效率和产品的质量有着重要的影响。
1.微生物的选择在选择微生物时，需要考虑到微生物的代谢活性、生长速度、产物生成能力和对环境的适应能力等方面的因素。
在不同的反应条件下，不同的微生物可能会表现出不同的特性，需要根据具体的反应过程来选择合适的微生物。
第生化反应器 三章 细胞反应动力学
0.68
59.4
葡qA萄TP糖m的o碳l /元g ·素h含量为0.400
0.68
60.4
0.500 (ΔCATP)G—— 用于细胞合成所消耗的
（3）细胞反应的ATP的平衡
0.20
48.8
(ΔCATP)m—— 细胞维持代谢所消耗的
0.600 即YATP/P=1(mol/mol)，求mATP和YATPmax 。
➢ 能量生长的非偶联型 当缺少细胞构成材料或 细胞生长受抑制时，细胞的生长取决于细胞构成 材料的供给或生长过程，这时多余的ATP的高能 键会被酶分解，能量以废热释放，这种生长为能 量生长的非偶联型。
（2）细胞对ATP的得率YX/ATP
碳源消耗对细胞的 得率
YX/ ATP消 谢耗 所1m生o碳 l成A源 的T有 的 P 分 mo解 数 l 代
第生化反应器 三章 细胞反应动力学
（1）能量生长的偶联型与非偶联型
细胞的生长过程依靠ATP的高能键释放的能 量将细胞的构成材料合成为细胞的高分子物质 （如蛋白质、DNA、RNA、脂类、多糖等）
➢ 能量生长的偶联型 当有大量的细胞构成材料 时，细胞的生长取决于ATP的共能，这种生长为 能量生长的偶联型。
例 产气气杆菌Aerobacter aerogenes以葡萄糖为唯 一碳源进行厌氧培养，已知细胞对碳源的得率 YX/S(g/mol)，代谢产物乙酸对碳源的得率 YP/S(g/mol)，细胞的碳元素含量a2=0.45 (g C/g biomass)，计算YX/ATP 。 解：设用于合成代谢的葡萄糖与ATP无关
(ΔCATP)m—— 细胞维持代谢所消耗的 ATP量
(ΔCATP)G—— 用于细胞合成所消耗的 ATP量
设
C AT m P m AT C X P t
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得到的产物的产量为Pr，则 • 反应器的体积为
V0
Pr S0 X S
VR
'
VR
例题
• 在BSTR中进行均相酶反应，已知加入底物的初始浓度为S0=2 mol/L，rmax=1.0 mol/(Lmin)，Km=2 mol/L，若要求每小时生产 1000 mol的产品，底物转化率为0.8，辅助操作时间为10分钟，
VR rS
d (VR S) dt
tr S0 dS
S rS
5.3.3 不同反应器反应时间的求取
• 均相酶反应 • 固定化酶反应 • 微生物反应
1、均相酶反应
• 当为单底物无抑制时，且酶无失活，将米氏方程代入积分得：
St dS
tr S0 rmax S
1 rmax
S0 ( Km S St
响反应速率的因素，均能影响反应时间tr,即反应时间只与动
力学有关，而与反应器大小无关。
5.3.4 BSTR体积的计算
• 反应器的有效体积VR：是物料所占有的体积，是由物料的处理量决定 的，也就是说是由设计生产能力决定的，若单位时间内物料的处理量
为V0，则 VR V0 (tr tb ) ，对于酶反应过程，若设计要求单位时间内
为：rX
max
(1
P Pmax
)n
S Ks S
X
，当S>>Ks,n=1时，可简化为
rX
max (1
P Pmax
)X
若产物与细胞的生长完全相关，则
rP
YP / X rX
YP / X max (1
P Pmax
)X
由 ，则 YP/ X
P P0 X X0
YP / X
•X
(P P) YP/ X
值的最大空间范围作为控制体积，可以是微元体积，也可以是整个反
应器的有效体积。
• 基本方程：物料衡算式、能量衡算式、动量衡算式、反应动力学方程
输入量＝输出量+反应量+累积量
5.3 BSTR的设计
• BSTR的基本特点 • BSTR设计基本关系式 • 不同反应过程反应时间的求取 • 反应器有效体积的计算
5.1 反应器的分类
• 可按操作方式
分批操作 连续操作
半连续操作
• 能量的输入方式：机械搅拌式和气升式
• 反应器的结构特征（H/D）：罐式、管式和塔式
• 反应器内流体的流动类型 ：全混流、活塞流
5.2 反应器设计的基本方程
• 变量：
自变量：时间和空间 因变量：物料浓度、温度、压力
• 控制体积：即建立衡算式的空间范围，其原则是以反应速率视为相同
1)dS
rmax tr S0 St
Km ln
S0 St
Km S
• 当酶有失活且满足一级失活模型时，E E0 exp(kdt)
则
rS
k2E0 exp( kd t)S Km S
，代入上式积分得
S0 St Km ln
S0 St
S0 X S
K
m
ln
1
1 X
S
k2 E0 kd
[1
exp( kd
ln
S0 St
3、微生物反应
• 微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时
间，tr tr1 tr2，若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1，减速期
末为X2，则在分批培养中对菌体作物料衡算：
生长量＝累积量
即
VR rX
d (VR X ) dt
rX
dX dt
给定边界条件进行积分得：
tr1
• X0
rP
max
(1
P Pmax
)[(P P0 ) YP/ X
X0]
代入积分得：max tr
Pt
Pmax P0 YP/ X
X0
ln
X t (Pmax X 0 (Pmax
P0 ) Pt )
实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为
由 drP dt
0
Popt
P0
Pmax 2
综上所述，反应过程与反应速率是有关联的，凡是影
S1
1 YX / S
(X
X1)
，代入积分得
max tr2
(1
YX /S Ks ) ln X1 YX / S S1
X2 X1
YX / S Ks X1 YX / S S1
ln
S2 S1
但在对数生长期末的菌体浓度X1很难确定，而X2比较好测，所以从指数
期到减速期末的总时间tr常采用近似法来求得，常采用下式：
tr
)]
• 当体系中St>>Km时，
XS
k2 E0 S0kd
[1
exp( kd tr
)]
•当
tr 0, X S
X S,
k2 E0 S0kd
2、固定化酶
• 设反应器中液相物料占有的体积分率为 L ，单位时间内底物的消耗量
为
(1L)VR • • rS
，累积项为
LVR
dS ，对反应器内底物进行物料衡算仍有：
求反应器的有效体积。
•
解：根据
1
1
tr rmax
S0 X S
Km
ln 1
XS
tr
2 0.8 2 ln 1 0.8
4.82 min
Pr
1000mol / h,V0
Pr S0 X S
1000mol / h 2 0.8mol / L
10.42L / min
VR V0 (tr tb ) 10.42 (4.82 10) 154.4L
X1 dX r X 0 X
在对数生长期，
max , rX
max X代入积分得max tr1
ln
X1 X0
•
减速期细胞的生长符合Monod方程，即
rX 2
max S
Ks S
X,
X2
dX
， 假定此时
tr 2 X1 max S X
Ks S
YX / S 常数
ห้องสมุดไป่ตู้
则
X
X1
YX
/S
(S1
S)
S
dt
反应＝－累积，即
(1 L )VRrS
LVR
dS dt
分离变量积分得
tr
L 1L
S0 dS
r St
S
S0 L 1L
X S dX S
0 rS
• 注意在进行积分时，须先求得 ~ X S 的关系才能进行，对于一级反应动
力学，有效因子与转化率无关，因此
tr
L Km (1 L )rmax
5.3.1 基本特点
• 因为反应是一次进料，反应结束后一次出料，因此BSTR 在反应过程中反应液体积不变
• 由于有高速搅拌装置，因此物料混合均匀，即浓度处处相 同，且只随反应时间的变化而变化
• 控制体积为反应器的有效体积
5.3.2 设计关系式
• 对底物进行物料衡算 输入=输出+反应消耗+累积
即：-反应消耗=累积
max tr
(1
YX /S Ks ) ln X 0 YX / S S0
X2 X0
YX / S Ks X 0 YX / S S0
ln
S2 S0
在微生物反应过程中除对菌体作物料衡算外，也可以对产物进行衡
算：生成量＝累积量，
VR rP
d (VR P) dt
tr
Pt P0
dP rP
一般情况下，产物均有抑制作用，此时微生物生长的动力学方程可表示