第五章生化反應(yīng)器

1、第五章生化反應(yīng)器 第五章 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 反應(yīng)器的分類 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 BSTR的設(shè)計(jì) CSTR的設(shè)計(jì) SBSTR的設(shè)計(jì) CPFR的設(shè)計(jì) 各反應(yīng)器性能比較 第五章生化反應(yīng)器 5.1 反應(yīng)器的分類 可按操作方式 能量的輸入方式：機(jī)械攪拌式和氣升式 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征（H/D）：罐式、管式和塔式 反應(yīng)器內(nèi)流體的流動類型 ：全混流、活塞流 分批操作 連續(xù)操作 半連續(xù)操作 第五章生化反應(yīng)器 5.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 變量： 控制體積：即建立衡算式的空間范圍，其原則是以反應(yīng)速率視為相同 值的最大空間范圍作為控制體積，可以是微元體積，也可以是整個反 應(yīng)器的有效體積。 基本方程：物料衡算式、能量衡

2、算式、動量衡算式、反應(yīng)動力學(xué)方程 輸入量輸出量+反應(yīng)量+累積量 自變量：時(shí)間和空間 因變量：物料濃度、溫度、壓力 第五章生化反應(yīng)器 5.3 BSTR的設(shè)計(jì) BSTR的基本特點(diǎn) BSTR設(shè)計(jì)基本關(guān)系式 不同反應(yīng)過程反應(yīng)時(shí)間的求取 反應(yīng)器有效體積的計(jì)算 第五章生化反應(yīng)器 5.3.1 基本特點(diǎn) 因?yàn)榉磻?yīng)是一次進(jìn)料，反應(yīng)結(jié)束后一次出料，因此BSTR 在反應(yīng)過程中反應(yīng)液體積不變 由于有高速攪拌裝置，因此物料混合均勻，即濃度處處相 同，且只隨反應(yīng)時(shí)間的變化而變化 控制體積為反應(yīng)器的有效體積 第五章生化反應(yīng)器 5.3.2 設(shè)計(jì)關(guān)系式 對底物進(jìn)行物料衡算 輸入=輸出+反應(yīng)消耗+累積 即：-反應(yīng)消耗=累積 dt

3、 SVd rV R SR )( 0 S S S r dS tr 第五章生化反應(yīng)器 5.3.3 不同反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的求取 均相酶反應(yīng) 固定化酶反應(yīng) 微生物反應(yīng) 第五章生化反應(yīng)器 1、均相酶反應(yīng) 當(dāng)為單底物無抑制時(shí)，且酶無失活，將米氏方程代入積分得： 當(dāng)酶有失活且滿足一級失活模型時(shí)， 則 ，代入上式積分得 當(dāng)體系中StKm時(shí)， 當(dāng) t mt S S m S S m S S KSStrrdS S K r SK Sr dS tr t t 0 0max max max ln) 1( 1 0 0 )exp( 0 tkEE d SK StkEk r m d S )exp( 02 )exp(1 1 1 lnl

4、n 02 0 0 0rd dS mS t mt tk k Ek X KXS S S KSS )exp(1 0 02 rd d S tk kS Ek X d SS kS Ek XXtr 0 02 , , 0 第五章生化反應(yīng)器 2、固定化酶 設(shè)反應(yīng)器中液相物料占有的體積分率為 ，單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗量 為 ，累積項(xiàng)為 ，對反應(yīng)器內(nèi)底物進(jìn)行物料衡算仍有： 反應(yīng)累積，即 分離變量積分得 注意在進(jìn)行積分時(shí)，須先求得 的關(guān)系才能進(jìn)行，對于一級反應(yīng)動 力學(xué)，有效因子與轉(zhuǎn)化率無關(guān)，因此 L SRL rV)1 ( dt dS VR L dt dS VrV RLSRL )1( S t X S S L L S SS

5、L L r r dXS r dS t 0 0 11 0 S X tL mL r S S r K t 0 max ln )1( 第五章生化反應(yīng)器 3、微生物反應(yīng) 微生物反應(yīng)過程以對數(shù)生長期和減速期的時(shí)間作為反應(yīng)時(shí) 間， ，若對數(shù)期開始時(shí)細(xì)胞濃度為X0,指數(shù)期末為X1，減速期 末為X2，則在分批培養(yǎng)中對菌體作物料衡算： 生長量累積量 即 給定邊界條件進(jìn)行積分得： 在對數(shù)生長期， 減速期細(xì)胞的生長符合Monod方程，即 ， 假定此時(shí) 21rrr ttt dt dX r dt XVd rV X R XR )( 1 0 1 X XX r r dX t 0 1 1maxmaxmax ln, X X tXr

6、 rX 代入積分得 2 1 max 2 X X r X SKs S dX t 常數(shù) SX X Y X SKs S r / max 2 , 第五章生化反應(yīng)器 則 ，代入積分得 但在對數(shù)生長期末的菌體濃度X1很難確定，而X2比較好測，所以從指數(shù) 期到減速期末的總時(shí)間tr常采用近似法來求得，常采用下式： 在微生物反應(yīng)過程中除對菌體作物料衡算外，也可以對產(chǎn)物進(jìn)行衡 算：生成量累積量， 一般情況下，產(chǎn)物均有抑制作用，此時(shí)微生物生長的動力學(xué)方程可表示 )( 1 )( 1 / 11/1 XX Y SSSSYXX SX SX 1 2 1/1 / 1 2 1/1 / 2max lnln)1 ( S S SYX

7、KsY X X SYX KsY t SX SX SX SX r t P PP r R PR r dP t dt PVd rV 0 )( 0 2 0/0 / 0 2 0/0 / max lnln)1 ( S S SYX KsY X X SYX KsY t SX SX SX SX r 第五章生化反應(yīng)器 為： ，當(dāng)SKs,n=1時(shí)，可簡化為 若產(chǎn)物與細(xì)胞的生長完全相關(guān)，則 由 ，則 代入積分得： 實(shí)際生產(chǎn)過程中有產(chǎn)物抑制時(shí)產(chǎn)物濃度的最佳值為 綜上所述，反應(yīng)過程與反應(yīng)速率是有關(guān)聯(lián)的，凡是影 響反應(yīng)速率的因素，均能影響反應(yīng)時(shí)間tr,即反應(yīng)時(shí)間只與動 力學(xué)有關(guān)，而與反應(yīng)器大小無關(guān)。 X SKs S P P

8、 r n X )1 ( max max X P P rX)1 ( max max X P P YrYr XPXXPP )1 ( max max/ 0/ 0 0 / )(XYPPXY XX PP Y XPXPXP )(1 ( 0/0 max max XYPP P P r XPP )( )( ln max0 0max 0/0 max max t t XPt r PPX PPX XYPP P t 2 0 max0 PP P dt dr opt P 由 第五章生化反應(yīng)器 5.3.4 BSTR體積的計(jì)算 反應(yīng)器的有效體積VR：是物料所占有的體積，是由物料的處理量決定 的，也就是說是由設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力決定的，

9、若單位時(shí)間內(nèi)物料的處理量 為V0，則 ，對于酶反應(yīng)過程，若設(shè)計(jì)要求單位時(shí)間內(nèi) 得到的產(chǎn)物的產(chǎn)量為Pr，則 反應(yīng)器的體積為 )( 0brR ttVV S r XS P V 0 0 R R V V 第五章生化反應(yīng)器 例題 在BSTR中進(jìn)行均相酶反應(yīng)，已知加入底物的初始濃度為S0=2 mol/L，rmax=1.0 mol/(Lmin)，Km=2 mol/L，若要求每小時(shí)生產(chǎn) 1000 mol的產(chǎn)品，底物轉(zhuǎn)化率為0.8，輔助操作時(shí)間為10分鐘， 求反應(yīng)器的有效體積。 解：根據(jù) LttVV L Lmol hmol XS P VhmolP brR S r r 4 .154)1082. 4(42.10)(

10、min/42.10 /8 . 02 /1000 ,/1000 0 0 0 min82. 4 8 . 01 1 ln28 . 02 1 1 ln 0max tr X KXSrt S mSr 第五章生化反應(yīng)器 5.4 CSTR 單級CSTR 帶循環(huán)的CSTR 多級串聯(lián)CSTR 第五章生化反應(yīng)器 5.4.1 單級CSTR 特點(diǎn) 均相酶反應(yīng) 固定化酶反應(yīng) 微生物反應(yīng) 第五章生化反應(yīng)器 1、 單級CSTR特點(diǎn) 其基本特點(diǎn)：是穩(wěn)態(tài)操作的反應(yīng)器，反應(yīng)過程中狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間、 空間的變化而變化，因此累積項(xiàng)為0。同時(shí)CSTR又是一全混流反應(yīng) 器，因此CSTR反應(yīng)時(shí)間為所有粒子的平均停留時(shí)間. 整個反應(yīng)器的有效體

11、積是控制體積。 對底物作物料衡算： 輸入輸出+反應(yīng)消耗 m R S SRSR V V r SS rVSSVrVSVSV 0 0 00000 )( 第五章生化反應(yīng)器 2、均相酶反應(yīng) 如果沒有抑制和失活，則將米氏方程代入得 前面例題，若用CSTR，則需要有效體積為多大？ 為什么同一個反應(yīng)過程，在其他條件均相同的條件下，采用 BSTR所需的反應(yīng)時(shí)間要小于CSTR中的反應(yīng)時(shí)間？ S SS KSS X X KXSr m S S mSm 0 00max 1 LV X X KXSr Rm S S mSm 100min,6 . 9 1 0max 第五章生化反應(yīng)器 3、固定化酶反應(yīng) 對固定化酶反應(yīng)過程中的底物進(jìn)

12、行物料衡算時(shí)，仍要注意其反應(yīng)發(fā)生 在固相。其物料衡算式為： SL R mSRL r SS V V rVSVSV )1 ( )1 ( 0 0 000 第五章生化反應(yīng)器 4 微生物反應(yīng) 微生物反應(yīng)具有自催化特性，反應(yīng)器具有返混的特點(diǎn) 對穩(wěn)態(tài)條件下的CSTR中的菌體作物料衡算有下式成立： 進(jìn)入反應(yīng)器菌體+新生成的菌體流出的菌體 重排后得 D為稀釋率：單位時(shí)間內(nèi)加入CSTR的新鮮料液的體積占反 應(yīng)器總體積的分率，其大小可通過加料速率來調(diào)節(jié)。 因而對于微生物反應(yīng)，可以通過調(diào)節(jié)D來控制相應(yīng)的 XVrVXXVrVXV XRXR00000 0 D V V X r R X 0 第五章生化反應(yīng)器 微生物反應(yīng)過程中

13、的狀態(tài)參數(shù) 由基本設(shè)計(jì)關(guān)系式及 得到反應(yīng)器出口菌體濃度與底物濃度之間的關(guān)系： 由 得反應(yīng)器出口底物濃度與操作變量D之間的 關(guān)系為： ，從而 當(dāng)X=0時(shí)，S=S0，此時(shí)的狀態(tài)為洗脫狀態(tài)，無反應(yīng)發(fā)生， 故存在有臨界稀釋率， )( 11 0 / t SX X SX S SSDX Y r Y r )( 0/ SSYX SX SKs S D max D KsD S max )( max 0/ D KsD SYX SX max 0 0max SKs S Dc 第五章生化反應(yīng)器 5.4.2 帶循環(huán)的CSTR 單級CSTR因?yàn)榕R界稀釋率 而使它的生產(chǎn)能力受到了 限制。 將反應(yīng)器出口料液通過離心 作用將菌體濃縮

14、，并將一部 分 反饋回反應(yīng)器的入口， 即為帶循環(huán)的CSTR 令循環(huán)比 ，提濃因子 ， 對反應(yīng)器的菌體進(jìn)行物料衡算：反饋+生長流出 0 V V R r 1 X Xr RRW 1 DWRRDXVVXRVXVXVVXVrV rRrrrXR )1 ()()( 1010110 第五章生化反應(yīng)器 狀態(tài)參數(shù)與操作變量的關(guān)系 對反應(yīng)器的底物進(jìn)行物料衡算得： 根據(jù) 得 故 同樣，帶循環(huán)CSTR也存在有臨界稀釋率 對提濃器進(jìn)行物料衡算：輸入后處理+反饋 )( 10 / 1 SS W Y X SX 1 1max SKs S DW DW KsDW S max 1 )( max 0 / 1 DW KsDW S W Y

15、X SX max 0 0max 11 WSKs S W Dcr 1101010010 )1 ()1 ()(WXXRRXXVVRVXVRXVXVXVV FFrrFr 第五章生化反應(yīng)器 兩者進(jìn)行比較 稀釋率： 反應(yīng)器出口底物濃度： 反應(yīng)器出口菌體濃度： 臨界稀釋率： D W Dr 1 D KsD S max DW KsDW S max 1 )( max 0 / 1 DW KsDW S W Y X SX )( max 0/ D KsD SYX SX max 1 W Dcr max c D 第五章生化反應(yīng)器 例題 在一帶循環(huán)的單級CSTR中進(jìn)行微生物反應(yīng)，已知： ， , , ， ， ， ，已知動力學(xué)方

16、程為 ， 求：1） 若不帶循環(huán)時(shí)的X，S，rX，Dc 2）帶循環(huán)時(shí)的 X1，S1，rXr，Dcr，Xr，XF 解：1） 根據(jù)動力學(xué)方程，知微生物生長的動力學(xué)參數(shù)分別為： ， 而 ，則 ， ， 2）帶循環(huán)時(shí)，因?yàn)?， ，所以 ， ， ， 3 0 /0 . 3mgS 0 0 XhmV/0 . 1 3 0 5 . 0 / SX Y 3 0 . 1 mVR 0 5 . 0 VVr Fr XX4 )/( 1 2 3 hmXg S S rX 1 max 2 h 3 /0 . 1mgKs 10 0 . 1 1 1 h V V D R 3 max /0 . 1 12 11 mg D KsD S 3 0/ /0

17、 . 1)0 . 10 . 3(5 . 0)(mgSSYX SX )/(0 . 111 3 hmgDXXrX 1 0 0max 5 . 1 31 32 h SKs S Dc 5 . 0R RRWX X F r 1 425 . 0W 3 max 1 / 3 1 5 . 012 5 . 011 mg DW KsDW S 3 10 / 1 / 3 8 ) 3 1 3( 5 . 0 5 . 0 )(mgSS W Y X SX 1 3 5 . 0 5 . 1 h W D D c cr )/( 3 4 3 8 5 . 01 3 11 hmgDWXXrX 3 1 / 3 4 3 8 5 . 0mgWXX F

18、 3 / 3 16 3 4 44mgXX Fr 第五章生化反應(yīng)器 5.4.3 多級串聯(lián)CSTR 對于單級多流系統(tǒng)，對第N個的反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算，假定流量為V0， 各反應(yīng)器體積為VR，對菌體有： 流入+生長流出+累積（0）， 當(dāng)N2時(shí)， 當(dāng)N3時(shí)， 歸納得 1, 1 1010 N D DX XDXXDXXVrVXV N N NNNNNNXNRN 2 1 2 D DX X )()( 32 1 2 32 1 3 2 3 DD XD DD DDX D DX X N i i N N D XD X 2 1 1 )( 第五章生化反應(yīng)器 對于第一級，有 ，相當(dāng)于單級，對于第2級， 由 ，對于第N級， ，且比生

19、長 速率逐級下降，因而各級反應(yīng)器出口底物濃度逐級下降。 1 D 2 2 1 2 0D X DX D N D SKs S max 第五章生化反應(yīng)器 例題 某一級反應(yīng)其反應(yīng)速率常數(shù)為K3.5/h，現(xiàn)在一單級 CSTR中進(jìn)行反應(yīng)，要求最終底物轉(zhuǎn)化率為95%，物料處 理量為V0=1.82 m3/h，問所需反應(yīng)器有效體積為多大？如 果用相等容積的CSTR，兩個，三個，十個進(jìn)行串聯(lián)，反 應(yīng)器的有效體積各是多少？ 第五章生化反應(yīng)器 解：1）單級CSTR，對底物進(jìn)行物料衡算，流入流出+反應(yīng)消耗 即 2）N級串聯(lián)：對N級進(jìn)行物料衡算， 即： 3）兩級串聯(lián)：N2時(shí)， h XK X SK XS r SS V V S

20、 SS S R m 43. 5 )95. 01 (5 . 3 95. 0 )1 ( 00 0 單 單 3 0 1088. 943. 582. 1mVV mR 單單 K S SKSSSKSVSVVRrSVSV N N NNNNNNRNNSNN 1 1 10010 2 2 0 221 21 0 2 1 2 1 0 1 )1 ( , )1)(1 (11K S S KK S K S S K S S ， )1 1 1 ( 1 )1( 1 )1( 00 N S N N N N N N XKS S KK S S 3 2022 6 . 3992. 082. 122,992. 0) 1 95. 01 1 ( 5

21、 . 3 1 mVVh R 第五章生化反應(yīng)器 4）三級串聯(lián)： 5）十級串聯(lián)： 單級CSTR兩級串聯(lián)三級串聯(lián)十級串聯(lián) 總體積（m3）103.62.71.8 體積變化率64%73%82% 總反應(yīng)時(shí)間5.43h1.98h1.43h1.0 綜上所述，實(shí)際生產(chǎn)中CSTR串聯(lián)的個數(shù)以不超過3個為宜。 3 3 3 7 . 249. 082. 13349. 0) 1 95. 01 1 ( 5 . 3 1 mVRh 3 1010 82. 1,1 . 0mVh R 第五章生化反應(yīng)器 利用多級串聯(lián)優(yōu)化青霉素的生產(chǎn) 在采用多級串聯(lián)前，需先在BSTR中測得產(chǎn)黃青霉X、S、P、 rX、rP和時(shí)間t之間的關(guān)系曲線。 兩級串

22、聯(lián)：應(yīng)使第一級的菌體的生長速率最大，第二級產(chǎn)物的生 成速率最大。而第一級反應(yīng)器，相當(dāng)于單級，有下式成 立， ，在分批發(fā)酵的第24h，菌體生長速率達(dá)到最大， 此時(shí) 所以第一級CSTR的稀釋率為D1opt0.0593h-1 第二級CSTR主要是產(chǎn)物產(chǎn)量最大，因此第二級的稀釋率應(yīng)為rP 最大時(shí)的稀釋率，對第二級的產(chǎn)物進(jìn)行物料衡算得 X r D X opt max, 11 LgXLhgrX/7),/(415. 0 max, max122 )( P rPPD 第五章生化反應(yīng)器 分批培養(yǎng)時(shí)第48小時(shí)產(chǎn)物的生成速率最大，此時(shí)產(chǎn)物濃度P2=0.4g/L，產(chǎn)物 的生成速率為rPmax=0.018g/(hL)，而

23、24小時(shí)時(shí)產(chǎn)物濃度P10.07g/L,所以第 二級反應(yīng)器的稀釋率為 因此二級CSTR串聯(lián)所需的時(shí)間為 在分批培養(yǎng)的第48小時(shí)，盡管產(chǎn)物的生成速率最大，但此時(shí)培養(yǎng)基中 殘?zhí)菨舛冗€很高，為此采用三個CSTR串聯(lián)，使第三個CSTR維持在60小時(shí) 的水平，此時(shí)的P3=0.62g/L,rP3=0.012g/(Lh),所以第三級CSTR的稀釋率為 1 12 max 2 0545. 0 07. 04 . 0 018. 0 h PP r D P opt h DD 3 .35 0545. 0 1 0593. 0 111 21 2 總 1 23 3 3 0545. 0 4 . 062. 0 012. 0 h PP

24、 r D P opt h DDD 7.53 111 321 3 總 第五章生化反應(yīng)器 5.5 SBSTR 流加操作的反應(yīng)器：是指在生化反應(yīng)過程中僅按確定的一種加料策略， 加入反應(yīng)基質(zhì)，而不同時(shí)取出產(chǎn)物的一種生化反應(yīng)器。其目的之一是 減緩底物對反應(yīng)的抑制作用，能夠人為控制流加底物在反應(yīng)器中的濃 度，將底物濃度控制在最佳值附近。 反應(yīng)與分離相耦合操作：在反應(yīng)過程中，以一種合適的方式將反應(yīng)產(chǎn) 物或副產(chǎn)物選擇性移走的過程，以降低反應(yīng)中產(chǎn)物的抑制作用。 第五章生化反應(yīng)器 5.5.1 流加操作 概述 流加操作的物料衡算 指數(shù)流加 恒速流加 第五章生化反應(yīng)器 5.5.1.1 流加操作概述 流加操作是為解決底

25、物抑制而產(chǎn)生的，它能在較長時(shí)間內(nèi)維持反應(yīng)器 內(nèi)所需底物的供應(yīng)，又能使反應(yīng)器內(nèi)底物濃度維持在較低的水平。 目前已應(yīng)用于氨基酸、生長激素、抗生素、維生素、酶制劑、有機(jī)酸、 核苷酸和單細(xì)胞蛋白（如活性干酵母）的生產(chǎn)。 流加操作的核心是控制底物濃度，其關(guān)鍵是流加什么物質(zhì)和怎樣流加。 對于前者，應(yīng)該流加效果最明顯的底物，在工業(yè)上更關(guān)心的是怎樣流 加的問題。 分類： 無反饋控制，包括恒速流加、指數(shù)流加、間歇流加等 有反饋控制，控制指標(biāo)包括DO、pH值、X、S等 第五章生化反應(yīng)器 流加方式（按工藝特點(diǎn)） 補(bǔ)料分批操作 先分批操作至菌體濃度達(dá)到最大值時(shí)，開始以恒定速率補(bǔ)入含有限制性底物 的培養(yǎng)基至培養(yǎng)液體積達(dá)

26、到額定值為止 重復(fù)補(bǔ)料分批操作 在分批培養(yǎng)的過程中從某個時(shí)期起每隔一定時(shí)間取出一定體積的發(fā)酵液，同 時(shí)補(bǔ)入相同體積的培養(yǎng)基，這種培養(yǎng)方式，培養(yǎng)液體積、稀釋率發(fā)生周期性 變化 重復(fù)分批操作 當(dāng)微生物濃度達(dá)到一定值時(shí)，培養(yǎng)液并不全部取出，剩余的發(fā)酵液作為下一 操作的菌種，然后追加新的培養(yǎng)基重新開始間歇操作，可以減少菌種的培養(yǎng) 時(shí)間和發(fā)酵前的準(zhǔn)備時(shí)間。 第五章生化反應(yīng)器 5.5.2 流加操作的物料衡算 由于流加底物將引起培養(yǎng)液體積的增加，因而物料衡算時(shí) 常以總量的變化來表示 對菌體： 對底物 對產(chǎn)物 培養(yǎng)液體積的變化 其中V是加料速率，S0是加料濃度 )( )( XV dt XVd R R )( )

27、( 0 XVqVS dt SVd RS R )()( )( XVkXVq dt PVd RPRP R V dt dV R 第五章生化反應(yīng)器 5.5.3 指數(shù)流加 理想的微生物生長是菌量相對于時(shí)間以指數(shù)規(guī)律增加，所以可以使流 加的物料以時(shí)間的指數(shù)函數(shù)增加，即指數(shù)流加。 指數(shù)流加開始時(shí)的底物濃度為 ，則滿足 流加開始時(shí)培養(yǎng)液體積為 ，則流加過程中培養(yǎng)液體積隨時(shí)間的變化 為 ，底物流加量 在擬穩(wěn)態(tài)下，初始流加速率 指數(shù)流加過程中底物濃度在反應(yīng)過程中恒定不變，此時(shí)有 處于擬穩(wěn)態(tài)，且在 范圍內(nèi)可以任意控制菌體的比生長速 率。 max 0 Ks S 0R V 0 S )exp( 0 tVV RRt )ex

28、p( 0 tFF 0 / 00 0R SXin R V YS XV F 0 dt dS 0 dt dX max 第五章生化反應(yīng)器 例題 流加培養(yǎng)青霉菌，為確保菌體比生長速率 ，按指數(shù)規(guī)律流加 葡萄糖， ，菌體的生長可用Monod方程來表達(dá)，已知： ， ，流加開始時(shí)，培養(yǎng)液體積 ， 菌體濃度為 ， ，求流加至20h時(shí)反應(yīng)器的體 積，及流加開始與20h時(shí)的流加速率。 解：根據(jù) 得流加開始時(shí)底物濃度為 則20h后培養(yǎng)液體積為 流加開始時(shí)流量 流加至20h時(shí)流量 1 2 . 0 h 3 /3 . 0mKgSin 1 max 30. 0 h 3 /1 . 0mKgKs 3 0 005. 0mVR 3 0

29、 /1 . 0mKgX 3 . 0 / SX Y max 0 Ks S 3 max 0 /2 . 0 2 . 03 . 0 1 . 02 . 0 mKg Ks S 3 0 27. 0)202 . 0exp(005. 0)exp(mtVV RRt hm YS XV F SXin R /0011. 0 3 . 03 . 0 1 . 0005. 02 . 0 3 / 00 0 hmtFF/060. 0)202 . 0exp(0011. 0)exp( 3 0 第五章生化反應(yīng)器 5.5.4 恒速流加 是在間歇操作達(dá)到最大菌體濃度及底物將近耗盡時(shí)，開始以恒定流速 補(bǔ)入含有底物的培養(yǎng)基，直到培養(yǎng)液體積達(dá)到額

30、定值為止。 菌體的生長速率，在剛開始的間歇操作階段，培養(yǎng)液中菌體濃度可表 示為 ，由于菌體濃度達(dá)到最大值，底物已接近耗竭， 因而有 此時(shí)開始以恒定速率加入含有底物濃度為S0的培養(yǎng)基。 在流加過程中，培養(yǎng)液中菌體濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律如下： 故恒速流加過程中菌體生長為線性生長，即： )( 0/0 SSYXX SX max0 XX SS 0 0/max SYX SX 0)(XD dt dX D KsD S max R V V D VXXV dt dX V dt dV X dt XVd R RR max )( 第五章生化反應(yīng)器 例題 采用恒速流中的方式來培養(yǎng)大腸桿菌，流加培養(yǎng)開始時(shí)， ， ，反應(yīng)方程可

31、用Monod方程來表示，其中 ， ， ，流加葡萄糖2h后，求 1）此時(shí)培養(yǎng)液體積。 2）擬穩(wěn)態(tài)下反應(yīng)器中葡萄糖濃度 3）反應(yīng)完成時(shí) 反應(yīng)器內(nèi)菌體的濃度。 解：1）2小時(shí)后反應(yīng)液體積為： 2）2h 時(shí)的稀釋率 ，對于擬穩(wěn)態(tài)過程， 得 3）擬穩(wěn)態(tài)時(shí)，基質(zhì)的流加量與基質(zhì)的消耗量相等，故有 ，則 LVR0 . 1 0 LgSin/80 hLV/2 . 0 1 max 2 . 0 h LgKs/0 . 16 . 0 / SX Y LtVVV RRt 4 . 122 . 00 . 1 0 1 143. 0 4 . 1 2 . 0 h V V D Rt SKs S D max Lg D DKs S/5 .

32、2 143. 02 . 0 143. 00 . 1 max 0)( 1)( / XV Y VS dt SVd R SX in R LgSYX inSX /48806 . 0 / 第五章生化反應(yīng)器 5.6 管式反應(yīng)器CPFR 活塞流模型的基本假設(shè) CPFR 基本特點(diǎn) CPFR基本設(shè)計(jì)關(guān)系式 帶循環(huán)的CPFR 第五章生化反應(yīng)器 5.6.1 基本假設(shè) 其徑向流速分布均勻，即所有流體粒子均 以相同的速度從進(jìn)口流向出口，就象一個 活塞一樣有序向前移動，故稱為活塞流。 在流體流動的垂直方向上的任何截面上， 濃度均勻，溫度均勻，即徑向混合均勻。 在流體流動方向上不存在流體的返混。 第五章生化反應(yīng)器 5.6.2 管式反應(yīng)器的特點(diǎn) 物料粒子停留時(shí)間相同，徑向截面混合均勻，軸 向無返混，在穩(wěn)態(tài)條件下，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的參數(shù) 不隨時(shí)間的變化而變化，而是隨軸向位置的變化