第4章 生物反應(yīng)器的操作模型

1、 按生物催化劑分按生物催化劑分 按操作方式分按操作方式分酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器細(xì)胞反應(yīng)器細(xì)胞反應(yīng)器間歇操作間歇操作連續(xù)操作連續(xù)操作補(bǔ)料（流加）操作補(bǔ)料（流加）操作 按結(jié)構(gòu)分（高徑比）按結(jié)構(gòu)分（高徑比）釜式（槽式）釜式（槽式）管式管式 按能量的輸入方式分按能量的輸入方式分?jǐn)嚢枋綌嚢枋綒馍綒馍阶晕阶晕絿娚涫絿娚涫?把無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中， 通過(guò)氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎， 由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì) 轉(zhuǎn)子內(nèi)部液體被甩出，形成負(fù)壓 按反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)與混合狀態(tài)分（返混：具有不同停留時(shí)間的物料之間的混合）

2、理想流動(dòng)反應(yīng)器（活塞流、全混流）非理想流動(dòng)反應(yīng)器（槽列模型、一維擴(kuò)散模型、組合模型） 物料衡算式物料衡算式基質(zhì)基質(zhì)產(chǎn)物產(chǎn)物細(xì)胞細(xì)胞 能量衡算式能量衡算式 操作參數(shù) 共5個(gè)。停留時(shí)間停留時(shí)間 -空速空速轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率生產(chǎn)率生產(chǎn)率選擇性選擇性收率收率 攪拌釜式反應(yīng)器由攪拌器和釜體組成。攪拌器包括傳動(dòng)裝置，攪拌軸（含軸封），葉輪（攪拌槳）;釜體包括筒體，夾套和內(nèi)件，盤(pán)管，導(dǎo)流筒等。工業(yè)上應(yīng)用的攪拌釜式反應(yīng)器有成百上千種，按反應(yīng)物料的相態(tài)可分成均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器兩大類(lèi)。非均相反應(yīng)器包括固-液反應(yīng)器，液-液反應(yīng)器，氣-液反應(yīng)器和氣-液-固三相反應(yīng)器。間歇釜式反應(yīng)器：操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)

3、品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點(diǎn)是：需有裝料和卸料等輔助操作，產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。但有些反應(yīng)過(guò)程，如一些發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜。連續(xù)釜式反應(yīng)器：可避免間歇釜的缺點(diǎn)，但攪拌作用會(huì)造成釜內(nèi)流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合，釜內(nèi)物料流型可視作全混流，反應(yīng)釜相應(yīng)地稱(chēng)作全混釜。在要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場(chǎng)合，釜式反應(yīng)器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時(shí)可采用多釜串聯(lián)反應(yīng)器,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應(yīng)條件。 物料衡算式（對(duì)基質(zhì)） 通式均相酶催化反應(yīng)固定化酶催化反應(yīng)SSSXSSSCCSSrrdXCrd

4、Ct000SmSSmLLrXKCCKtr11lnln)1(01max 要求反應(yīng)器在單位時(shí)間內(nèi)所應(yīng)處理的物料體積為V0 要求反應(yīng)器在單位時(shí)間內(nèi)得到的產(chǎn)物的量為Pr)(00brRttVtVV)(0/brSSSPrRttXCYPV 產(chǎn)率：?jiǎn)挝粫r(shí)間產(chǎn)物的產(chǎn)量brPRPttCVF連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器,是化學(xué)工業(yè)中最先應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的一種反應(yīng)設(shè)備。雖然在型式和結(jié)構(gòu)上,二者基本上是相同的,由于操作方式的改變,節(jié)省了大量的輔助操作時(shí)間,使得反應(yīng)器的生產(chǎn)能力得到充分的發(fā)揮;同時(shí),也大大地減輕了體力勞動(dòng)強(qiáng)度,容易全面地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化;在很多場(chǎng)合,也降低了原材料和能量的損耗。因此,在化學(xué)工業(yè)中,連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器

5、迄今仍然是應(yīng)用得最廣泛的反應(yīng)器型式之一。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器除了具有一般連續(xù)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)外,還有它本身的特點(diǎn)。由于強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用,反應(yīng)器中的物料得到了充分接觸,這對(duì)于化學(xué)反應(yīng)或傳熱來(lái)說(shuō),都是十分有利的。此外,這種反應(yīng)器的操作穩(wěn)定,適用范圍較廣,容易放大,也是其它類(lèi)型連續(xù)反應(yīng)器所不及的。 原料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)流出組成不隨時(shí)間、位置變化返混最大穩(wěn)態(tài)操作容易受到雜菌污染容易發(fā)生菌種退化變異SSSSSSmRrCCrXCVV000 均相酶催化反應(yīng) 固定化酶催化反應(yīng)SSmSSmXXKXCr10maxSSmSSLmXXKXCr1)1 (0max 對(duì)細(xì)胞進(jìn)行物料衡算生長(zhǎng))()(000dtdCVCVCVdtC

6、VdXRXXXR1maxmaxmSSSKDDKC)()(max0/0/DDKCYCCYCSSSXSSSXX)(0/SSSPPCCYC00maxSSSCCKCDXXCDP)(max/0DDKCYDPSSSXX1 0maxSSSoptCKKD要求細(xì)胞產(chǎn)率（單位時(shí)間單位發(fā)酵罐體積的細(xì)胞產(chǎn)量）最大要求細(xì)胞產(chǎn)率（單位時(shí)間單位發(fā)酵罐體積的細(xì)胞產(chǎn)量）最大 0VVRr物料循環(huán)比1XXrCC濃縮倍數(shù)1000)(XrXRXrrXCVVrVCVCVWRRD1 基質(zhì)濃度 細(xì)胞濃度 產(chǎn)物濃度SSSCKCDWmaxDWDWKCSSmax)()(0/0/SSSXSSSXXCCWYCCDYC)(10/1SSSPPCCYC00

7、max1SSSCrCKCWDDWDCr1 稀釋率 基質(zhì)濃度 細(xì)胞濃度 產(chǎn)物濃度 臨界稀釋率 1）一股進(jìn)料，穩(wěn)態(tài)操作； 2）各個(gè)CSTR體積相等； 3）每一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)為全混流，各個(gè)反應(yīng)器之間沒(méi)有返混； 4）各個(gè)反應(yīng)器的操作條件相同，得率系數(shù)為常數(shù)。 )1 (212XXCCD)(221/2XSSSXCCCDY0)()(max222max20max22maxDDKCDKDDKCCDSSSSSS LD 相同方向，相同速度 軸向速率相同，無(wú)返混 停留時(shí)間相同 垂直截面上濃度均一且不隨時(shí)間變化 濃度是位置L的函數(shù)0)(SRSSSrdVdFFFRSSdVrdCV0SSPRrdCVV0CSTRCPFRSSSm

8、SSSSmPXCXKCCCCKr000max11lnlnSSLPrdC11SmLSSmLPXKCCKr11ln111ln111101max 球狀固定化酶 膜狀固定化酶max1ln1(1)111tan(3 )3mSLPKXrmax1ln1(1)tanh( )mSLPKXr 濃度曲線(xiàn)的比較 反應(yīng)方程式的比較 反應(yīng)器有效容積的比較 相同反應(yīng)條件下達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)器體積SSmSSSSmSCPFRRCSTRRXCKXXXCKXVV11ln)1(00, 游離酶催化反應(yīng) 產(chǎn)物抑制 底物抑制 優(yōu)化 最佳進(jìn)口濃度的確定 存在底物和產(chǎn)物抑制時(shí)的CPFR最佳加料出料方式 反應(yīng)與透析相耦合反應(yīng)與過(guò)濾相耦合灌流培養(yǎng)：是把細(xì)胞和培養(yǎng)基一起加入反應(yīng)器后，在細(xì)胞增長(zhǎng)和產(chǎn)物形成過(guò)程中，不斷地將部分條件培養(yǎng)基取出，同時(shí)又連續(xù)不斷地灌注新的培養(yǎng)基。1.細(xì)胞截流系統(tǒng)可使細(xì)胞或酶保留在反應(yīng)器內(nèi)，維持較高的細(xì)胞密度，一般可達(dá)10-10Cells/mL，從而較大的提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量；2.連續(xù)灌流系統(tǒng)，使細(xì)胞穩(wěn)定的處在較好的的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，有害代謝廢物濃度積累較低；3.反應(yīng)速率容易控制，培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，可提高生產(chǎn)