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）
二、生物反应器设计的内容
• 根据发酵体系确定反应器型式 • 由小试结果确定操作条件（温度、pH、通 气量、搅拌转速等） • 确定反应器的体积、结构参数（传热面积 、搅拌桨、电机、接管尺寸） • 反应器体积的确定是反应器设计的核心内 容
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( 1 X S rmax (1 L ) P tanh( )

二、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
• 几何尺寸
高径比=1.7～3.5 筒身高径比=2 桨径＝1/3～1/2D 桨间距=2～5Di 桨底距=Di 挡板宽度=0.1～0.2D
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
发酵罐应满足的要求 (524)
• (1)结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内 壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减 少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发 酵的影响 • (2)有良好的气—液接触和液—固混和性能 ，使物质传递、气体交换能有效地进行； • (3)在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅 拌及通气所消耗的动力；
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
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
二、微生物反应
五、带循环的CSTR
Vr 物料循环比R V0
C Xr 浓缩倍数 CX1
对细胞进行物料衡算(0525)
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
dC S VR P V0 rS
CPFR
CSTR
一、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
CS 0 1 1 1 1 1 rmax P K m ln K m ln 1 L 1 C S 1 L 1 1 X S
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
X S dX dC S S t r CS 0 CS 0 r 0 rS S CS
K S CS
K S DW CS max DW
D
C X YX / S

(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
三、间歇反应过程的优化
• 产率：单位时间产物的产量
VR C P FP t r tb
第三节
连续操作的搅拌槽式反应器
（CSTR）
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
一、酶催化反应（对基质）
CPFR与CSTR、BSTR的比较
2.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
本章完毕！
生物反应工程
第四章
生物反应器的操作模型
各节学时分布
• 第一节操作模型概论：1 • 第二节间歇操作的搅拌槽式反应器：2 • 第三节连续操作的搅拌槽式反应器：
第一节 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 间歇操作 连续操作 补料（流加）操作
• 按操作方式分
生化反应器的分类（续）
• 按结构分（高径比） 釜式（槽式） 管式
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
• 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
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 )
三、临界稀释率DC
maxC S 0
K S CS 0
DC
四、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