生物反应器设计

• 物料衡算式 对于一封闭体系，在某一段时间（或微分时间）和其控制体积内，对某组 分（底物或产物）进行物料衡算，其方程如下： 对应一段时间的物料衡算称为总物料衡算；对应一段微分时间的物料衡算 称为微分物料衡算。
⎡组分进入该 ⎤ ⎡组分流出该 ⎤ ⎡体积单元内 ⎤ ⎡体积单元内⎤ 对反应物： ⎥+⎢ ⎢ ⎥=⎢ ⎥+⎢ ⎥ 体积单元的量 体积单元的量 组分转化的量 ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣组分累积量⎦
CX 1 CX 0 C X 2 dC dC X X +∫ CX 0 r CX 1 r X1 X2 CX 1
C X 2 K + C dC dC X S S X +∫ μ maxC X C X 1 CS CX
1
μ max
−
1 C ln X 1 + C X 0 μ max
⎡ KS C X 2 K S CS 2 ⎤ − − ln ⎢(1 + − ) ln ⎥ C C ⎢ X1 S1 ⎥ k k ⎣ ⎦
CS
CS 0
∫
S dC S dX S = CS 0 ∫ rS dt 0
X
上式表示反应物S反应到某一程度时所需要的反应时间，是一普遍式，对于 不同的反应，有不同的动力学方程，积分可以求得不同的反应时间的表达式。
• 均相酶反应
rS =
• 固定化酶反应
rmaxCS 1 ⇒rmaxtr = CS0 XS + KS ln KS +CS 1− XS
• 生化反应器设计的基本方程 ¾ 描述浓度变化的物料衡算方程。 ¾ 描述温度变化的能量衡算方程。 ¾ 描述压力变化的动量衡算方程。
建立这三类方程的依据是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。
建立方程之前，首先要确定变量和控制体积。 变量分为因变量和自变量。在反应器设计和分析中，建立物料衡算式时通常 以反应组分的浓度或某组分的转化率作为因变量；能量衡算方程和动量衡算方程 式则分别以反应物系的温度和压力作为因变量。自变量有时间自变量和空间自变 量两种。对于定态过程，由于因变量与时间无关，因此建立衡算方程时就不须考 虑时间变量，非定态过程则两种自变量均要考虑。考虑空间自变量时，一般只限 于一维—以反应器的轴向距离为空间自变量。 所谓控制体积是指建立衡算式的空间范围，即在多大的范围内进行衡算。其 选择的原则是能把反应速率视作定值的最大空间范围。例如，假定反应区内浓度 均匀和温度均一的反应器，就可取整个反应区体积作为控制体积，因为此时反应 区内任何位置的反应速率都是一样的。如果不是这样，则只能取一微元体积作为 控制体积，所谓的微元体是指一微分体积，它应能反映出可能发生的全部过程和 现象。 为了建立反应器设计的基本方程，还应包括反应动力学方程，热力学计算式 和各种参数的计算式。
生物反应器的分类
生物反应器
间歇操作
百度文库
半间歇半连续操作
连续操作
生物团块反应器 全混流型
•搅拌釜式反 应器 •循环反应器 •环流反应器
生物膜反应器 全混流型
•流化床反应 器 •循环管反应 器 •完全混合膜 反应器
活塞流型
•管式反应器 •鼓泡塔 •多级串联式 反应器
活塞流型
•固定床 •生物转盘 •渗滤器 •膜反应器
• 细胞反应 由于间歇细胞反应过程十分复杂，很难用一个统一的动力学方程来表示 其全过程。比较容易确定的是指数生长期和减速期所需要的时间。实际上 延迟期相对于后两个时期来讲较短，反应往往到静止期就结束，因此上面 两个时期所需要的反应时间也能较好得到应用。
对细胞作衡算： 如果指数期开始时的细胞浓度为C X 0，指数期末的细胞浓度为C X 1 , 减速期末的细胞浓度为C X 2，则所需反应时间t r 应包括这两个时期所需 时间的和： t r = t r1 + t r 2 = ∫ =∫ =
S
对反应底物作衡算： rSVR = (
μ
YX
S
+
qP + m S )C X V R YP
S
d (C S V R ) q μ = −( + P + m S )C X V R dt YX YP
S S
当μ = μ max，即在指数生长期，且 VR维持恒定，则有： C X = C X 0 exp( μ max t ) dC S q μ = −( + P + m S )C X dt YX YP
S S
积分上式得到： ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ − C C 1 ⎥ S0 St + tr = ln ⎢ 1 μ max ⎢ ( 1 + q P + ms )C ⎥ ⎢ X0 ⎥ Y Y μ μ max max X P ⎢ ⎥ S S ⎣ ⎦ 所求 t r为最终底物浓度 C St时所需的反应时间。
几个概念： • 间歇操作：又称分批操作，采用此种操作方式的生物反应器又称间歇反应 器。其基本特征是反应物料一次加入到反应器中，一次卸出，中间没有物料的加 入和输出；反应物系的组成仅随时间变化。它是一个非稳态过程。需要有用于清 洗、加料及卸料等辅助过程。适合于多品种、小批量和反应速率较慢的反应过程。 • 连续操作：采用此种操作方式的反应器叫作连续反应器。这种操作方式的特点 是原料连续输入反应器，反应产物连续地从反应器中流出，反应器内任何部位的 物系的组成不随时间变化，只在流经的长度方向上变化，故连续操作反应器多属 于稳态操作。一般不需要辅助过程。适用于大批量的品种的生产，具有产品质量 稳定、生产效率高及易实现自动化控制和生产。 • 半间歇或半连续操作：半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中的一种为连 续输入或输出，其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半间歇式反 应器或半连续式反应器。半间歇半连续操作是一种同时兼有间歇操作和连续操作 某些特点的操作，对于生化反应有特别重要的意义，主要指间歇反应的优化操 作，在实际生产中得到广泛应用，并取得明显良好的效果。
⎡组分进入该 ⎤ ⎡组分流出该 ⎤ ⎡体积单元内 ⎤ ⎡体积单元内⎤ 对产物： ⎢ ⎥=⎢ ⎥+⎢ ⎥+⎢ ⎥ ⎣体积单元的量⎦ ⎣体积单元的量⎦ ⎣组分生成的量⎦ ⎣组分累积量⎦
⎡细胞进入该 ⎤ ⎡细胞流出该 ⎤ ⎡体积单元内 ⎤ ⎡体积单元内 ⎤ ⎡体积单元内 ⎤ 对细胞： ⎢ ⎥=⎢ ⎥+⎢ ⎥+⎢ ⎥+⎢ ⎥ 体积单元的量 体积单元的量 细胞生成的量 细胞死亡的量 ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣细胞累积量 ⎦
如果反应为放热反应，则等号右边第二项为负，如果为吸热反应，则为正。
第二节
间歇搅拌釜式反应器（BSTR）
BSTR的特点是分批装料和卸料，因此其操作时间由两部分组成：一是进行反 应所需要的时间，即开始反应到达到所需要的转化程度为止所需要的时间；另一 是辅助操作时间，包括装料、灭菌、卸料及清洗等所需要的时间。设计间歇反应 器的重点是确定反应所需要的时间，辅助时间则可根据生产经验来确定。由于机 械搅拌的作用，反应器内的物料混合均匀，浓度和温度处处相同。 1 反应时间的计算 对于间歇反应器，由于反应过程中无物料的输入和输出，因此物料衡算方程 中无这两项。又由于搅拌的作用，反应器内物料充分混合，浓度均一，反应物系 的浓度仅随时间变化，因此可以对整个反应器（控制体积）作物料衡算。衡算式 如下： 反应组分转化速率= −反应组分的累积速率
• 混合：指的是相同停留时间、不同空间位置的物料之间的一种以达到均匀 状态为目的过程。 • 返混：在连续反应器中，不同时刻进入反应器的物料在反应器中的停留时 间是不同的，我们把这种具有不同停留时间的物料之间的混合称之为返混， 以区别于通常所说的混合。 • 全混流：当反应器内不同物料粒子之间存在最大返混时，即刚进入反应器 的物料在瞬间和反应器内的物料达到混合均匀，这样的流体流动称为全混流。 该反应器称为全混流反应器。 • 活塞流：当反应器内的物料粒子完全不存在返混时，这样的流动称之为活 塞流。该反应器称为活塞流反应器。 显然，活塞流和全混流是反应器内返混情况的两种极端，一个是完全不 存在返混，一个是返混达到最大。实际的反应器内流体的流动介于这两者之 间。这两个极端是理想流动，实际反应器内的流动是非理想流动。他们相对 应的反应器为理想反应器和非理想反应器或实际反应器。
第四章 生物反应器设计和分析（10学时） 基本要求： ¨掌握生物反应器的分类，掌握生物反应器的基本设计方程，并能应用基本设计 方程进行生物反应器或反应过程的分析计算。 ¨掌握间歇搅拌釜式反应器（ BSTR ）反应时间的计算，反应器有效体积的确 定，了解间歇反应过程的优化方法。 ¨掌握连续搅拌釜式反应器（CSTR）的基本设计式，并能对酶催化反应时的单 级 CSTR、细胞反应时的单级 CSTR、带有细胞循环的单级CSTR和多级CSTR串 联情况进行解析讨论。 ¨掌握连续管式反应器（CPFR）的基本设计式，并能对酶催化反应时的CPFR和 带有循环的CPFR进行解析和讨论。 重点： ¨间歇搅拌釜式反应器（BSTR）、连续搅拌釜式反应器（CSTR）和连续管式反 应器（CPFR）中简单酶反应和细胞反应过程的解析。 难点： ¨BSTR、CSTR和CPFR反应性能的比较。
第一节 1
生物反应器设计概论
生物反应器的分类
生物反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。可以从多个角度对其进 行分类： • 按使用的催化剂：酶反应器和细胞反应器。 • 按操作方式：间歇操作、连续操作和半间歇或半连续操作。 • 按反应器的结构特征：按釜式、管式、塔式及膜式等反应器。 • 按反应器所需能量的输入方式：机械搅拌、气升式及液体循环等生化反应器。 • 按生物催化剂在反应器中的分布方式：生物团块反应器和生物膜反应器。 • 按反应物系在反应器内的流动和混合状态：活塞流反应器和全混流反应器。
假定反应器中液相物料 占的体积分率为 ε L，则固定化酶占的体积 分率为（1 − ε L）， 酶反应发生在固相，又 考虑到有内扩散的影响 ，则反应器中底物消耗 速率应为： （1 − ε L）ηVR rS ; 累积项则应为反应器内 液相中的物浓度随时间 的变化： ε LVR 物料衡算式如下： （1 − ε L）ηVR rS = −ε LVR 积分得到： tr = CS 0 dC S dt dC S . dt
式中： k=
KS , 推导过程中用到： 1 CS 1 + CX1 YX
S
CS 2 = CS1 −
1 (C X 2−C X 1 ) YX
S
由于 C X 1很难确定，有时也用近 似的计算方法，即从指 数期 到减速期用一个动力学 方程来计算反应时间。 C Xt dC C Xt K + C dC S S X X =∫ tr = ∫ CX 0 r CX 0 μ CX X max C S KS C Xt K S C St ⎤ 1 ⎡ = − − ln ⎢(1 + − ) ln ⎥ μ max ⎢ C C X0 S0 ⎥ K K ⎣ ⎦ − KS 其中： K= 1 CS 0 + CX 0 YX
2
生物反应器的基本设计方程
• 生化反应器设计的基本内容 最基本的内容有： ¾ 选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和生产工艺特征，确定反应 器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等。 ¾ 确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、物料流量及通气量等。 ¾ 计算出所需反应器的体积，设计各种结构参数等。
VR rS = − dN S dC 1 dN S ，rS = − ，对液相反应：rS = − S dt VR dt dt
VR − 反应器有效体积 N S − 组分S的量 若令t = 0, C S = C S 0 ; t = t r , C S = C S , 分离变量积分上式可以 得到：
tr = −
εL 1− εL
∫
XS
0
V dX S = CS 0 L ηrS VP
∫
XS
0
dX S ηrS
VL 和VP 分别为液相和固相的体 积。 如果反应速率是以单位 催化剂的质量来定义， 此时反应速率以 rSW 表示，则有： tr = CS 0 VL W
XS
∫
0
dX S ηrSW
要积分上式，必须先得 到η与转化率 X S 之间的关系。
在定常态下，所有状态参数均不随时间变化，上述衡算式中累积项为零。 • 能量衡算式 对于大多数反应器，一般对能量衡算式只作热量衡算，此时称为热量衡算式。 在一定的时间和控制体积内，可以表示为：
⎡输入该体积⎤ ⎡该体积单元 ⎤ ⎡反应生成⎤ ⎡累积的⎤ ⎢ ⎥=⎢ ⎥+⎢ ⎥+⎢ ⎥ 的热量 ⎦ ⎣热量 ⎦ ⎣单元的热量⎦ ⎣输出的热量⎦ ⎣