第四章 生物反应器的操作模型

作图估计多级CSTR串联参数
4.4 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
• 对细胞进行物料衡算
d (VRCX ) dt
V0C X 0
V0C X
VR
(
dC X dt
)生长
CS
KSD
max D
KS
max m
1
CX
YX / S (CS 0
CS ) YX / S (CS 0
KSD )
max D
CP YP / S (CS 0 CS )
临界稀释率DC
DC
maxCS 0
tr
CS dCS
r CS 0
S
CS0
X S dX S 0 rS
rmax
tr
(1
1L L
)
Km
ln
CS0 CS
Km
ln
1 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 V0t V0 (tr tb )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
– 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
VR V0
m
CS0 X S rS
CS0 CS rS
• 均相酶催化反应 • 固定化酶催化反应
rmax m
CS0 X S
Km
XS 1 XS
rmax m (1 L )
CS0 X S
Km
XS 1 XS
4.3.3 细胞反应
生物反应工程
戚以政 王炳武 北京化工大学生命科学与技术学院
第四章
生物反应器的操作模型
（12学时）
4.1 操作模型概论
一、生化反应器的分类
• 按生物催化剂分
➢ 酶反应器 ➢ 细胞反应器
• 按操作方式分
➢ 间歇操作 ➢ 连续操作 ➢ 补料（流加）操作
生化反应器的分类（续）
• 按结构分（高径比）
➢ 釜式（槽式） ➢ 管式
• 相同反应条件下达到相同转化率所需反应 器体积
VR,CSTR
XS
Km CS0
( XS 1 XS
)
VR,CPFR
XS
Km CS0
ln
1 1 XS
• 游离酶催化反应 • 产物抑制 • 底物抑制 • 优化
4.4.3 CPFR与CSTR串联
4.4.4 带细胞循环的CPFR
KS CS0
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 CX
PX
D YX / S (CS0
KSD )
max D
Dopt max [1
KS ] KS CS0
4.3.4 带循环的CSTR
物料循环比R Vr V0
浓缩倍数 CXr
CX1
对细胞进行物料衡算
4.2 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
间歇操作的特点
• 物料一次性加入，一次性排出
– 反应时间tr、辅助时间tb – 浓度仅随时间变化，与位置无关 – 非稳态过程
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
V0dCS rS dVR
VR
V0
P
dCS rS
CPFR
CSTR
4.4.2 酶催化反应
rmax P
Km
ln
CS0 CS
CS0
CS
1 Km ln 1 X S
CS0 X S
P
1
1L
dCS
rS
rmax P
1
1L
1
1
Km ln
CS0 CS
1
1L
1
1
K
m
lnFra Baidu bibliotek
1
1 X
S
一级反应
• 球状固定化酶
生化反应器的分类（续）
• 按能量的输入方式分
➢ 搅拌式 ➢ 气升式 ➢ 自吸式 ➢ 喷射式
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
临界稀释率
DCr
1 W
max CS 0
KS CS0
DCr
1 W
D
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
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
2
D(1
CX1 ) CX 2
2
YX
/
S
D(
C
S1 CX
CS
2
2
)
( max
D)CS22
(max CS 0
KS D2
max D
K S D)CS 2
K
2 S
D
2
max D
0
两级CSTR串联的参数变化曲线
rmax (1 L ) P
Km 1[
ln 1 1 XS
1 1
]
• 膜状固定化酶
tan(3) 3
rmax (1 L ) P
Km
ln
1
1 X
S
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
CPFR与CSTR、BSTR的比较
反应器有效容积的比较
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）
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
VR
Pr YP / S CS 0 X S
(tr
tb )
三、间歇反应过程的优化
• 产率：单位时间产物的产量
FP
VRCP tr tb
四、反复分批操作
4.3连续操作的搅拌槽式反应器
（CSTR）
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
V0CX 0 VrCXr VR rX (V0 Vr )CX1 D 1 R R W
• 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度
DW maxCS
KS CS
CS
K S DW
max DW
CX
YX / S
D
(CS 0
CS
)
YX / S W
(CS 0
CS )
CP1 YP / S (CS 0 CS1 )