生物反應器比擬放大課件

第五章生物反應器比擬放大第五章生物反應器比擬放大1

本章重點1、發(fā)酵罐的放大基礎和準則2、以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準的放大法3、以攪拌功耗P0/VL相等的準則進行反應器放大4、酶反應器的放大基礎和準則難點：反應器放大設計計算方法本章重點1、發(fā)酵罐的放大基礎和準則2

放大過程中與培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境相關的主要因素

與細胞形態(tài)學、細胞生理學和過程動力學之間的關系與生物反應器中的流體力學性質、傳遞現(xiàn)象及發(fā)酵液的理化性質之間的關系。放大過程中與培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境相關的主要因素與細胞形態(tài)學3一、放大目的

產品的質量高，成本低。必須使菌體在大中小型反應器中所處的外界環(huán)境完全或基本一致。

第一節(jié)生物反應器放大的目標及方法

一、放大目的

產品的質量高，成本低。必須使菌體在大中4

二、生物學基礎單位體積輸入的功率P/V

或液相體積氧傳遞系數(shù)KLa有效放大區(qū)末產物的相對濃度二、生物學基礎單位體積輸入的功率P/V有5

三、放大準則與方法1、放大準則

攪拌功耗P0/V、

體積溶氧系數(shù)KLa、

攪拌葉尖端線速度νs、

混合時間tM、

相等準則。

三、放大準則與方法1、放大準則

攪拌功耗P0/V6

2、放大方法

主要有經驗放大法、因次分析法、時間常數(shù)法、數(shù)學模擬法

生物反應器比擬放大課件7第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設計一、機械攪拌通氣發(fā)酵罐的功率計算

經驗放大法第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設計8

(一)幾何相似放大按反應器的各個部件的幾何尺寸比例進行放大。放大倍數(shù)實際上就是反應器的增加倍數(shù)。

(一)幾何相似放大按反應器的各個部件的幾何尺寸比9（二）以單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行反應器放大

這種方法適用對于以溶氧速率控制發(fā)酵反應的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細胞密度的培養(yǎng)P0/VL＝常數(shù)1.對于不通氣的攪拌反應器2.對于通氣攪拌反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大（二）以單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行反應10對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大，即：對于不通氣時的機械攪拌生物反應器，軸功率計算

對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大

對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌11（三）以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準的放大法在耗氧發(fā)酵過程中，由于培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應很容易因反應器溶氧能力的限制受到影響，所以以反應器KLa的相同作為放大準則，可以收到較好的效果。

這種方法適用于高好氧的生物發(fā)酵過程的反應器的放大。（三）以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準的放大法12在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應很容易因反應器溶氧能力的限制受到影響，以反應器KLa的相同作為放大準則，可以收到較好的效果。以KLa值相同放大時，一定要選一個合適的KLa值，可根據微生物發(fā)酵產物的產率與KLa大小的關系

在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應很容易因反應13

(四)以攪拌葉尖線端速度相等的準則進行反應器放大

適用于生物細胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。攪拌葉尖線端速度（πDn）是決定攪拌剪切強度的關鍵。葉尖端線速度

(四)以攪拌葉尖線端速度相等的準則進行反應器放大

14

（五）混合時間相同的準則混合時間是指在反應器中加入物料，到它們被混合均勻時所需的時間。在小反應器中，比較容易混合均勻，而在大反應器中，則較為困難.對于幾何相似的反應器，時，從上式可以得出：

（五）混合時間相同的準則混合時間是指在反應器中加入物料，到15（六）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大單位培養(yǎng)液體積在單位時間內通入的空氣量（標準態(tài)），即：

，m3/（m3·min）操作狀態(tài)下空氣的線速度，m/h。

，m3/（m3·min），m3/（m3·min）（六）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大單位培養(yǎng)液16以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大時，有以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大時，有17（七）以空氣線速度相同的原則進行放大

以空氣線速度相同的原則進行放大時有由上式可知，當體積放大100倍時，即若忽略液柱壓力，即

即通風量減少4.64倍，其結果是通風量過小。（七）以空氣線速度相同的原則進行放大以空氣線速度相同的原則18酶反應器的放大基礎和準則

酶反應器放大設計計算方法第三節(jié)酶反應器的放大酶反應器的放大基礎和準則

酶反應器放大設計計算方法第三節(jié)19一、酶促反應動力學基礎與一般化學反應相比，酶促反應要復雜一些，影響酶促反應的主要因素有：酶濃度，底物濃度，溫度壓力，溶液的介電常數(shù)與離強度，PH、內部結構因素等。最根本的是濃度因素1、零級反應：酶促反應速率與底物濃度無關。2、一級反應：反應速率與底物濃度的一次方成正比。即酶催化A→B的過程一、酶促反應動力學基礎與一般化學反應相比，酶促反應要復雜一些20二、單底物酶促反應動力學

1、米氏方程根據“酶-底物中間復合體”的假設，對酶E催化底物S生成產物P的反應S→P，其反應機制可表示為k+1k+2E+SESE+Pk-1E[S]X[P]k+1k-1k+2-----相應各步的反應速度常數(shù)E[S]X[P]----對應物質的濃度P的生成速度可表示為：rp=k+2X二、單底物酶促反應動力學

1、米氏方程21三點據說：（1）底物濃度[S]遠大于酶濃度E時，X的形成不會降低底物濃度[S]，底物濃度以初始濃度計算；（2）不考慮E+P→ES這個可逆反應的存在。（3）ES→E+P是整個反應的限速階段三點據說：22米氏方程：米氏方程：23三、固定化酶促反應動力學

固定化酶促反應過程中，需考慮擴散傳質與催化反應的相互影響，有外部與內部擴散的不同傳質方式，內部擴散與催化反應有時是同時進行的，外擴散通常先于反應。1、外部擴散過程

底物由液體主體向固定化酶顆粒表面的擴散速率Ns正比于傳質表面積及傳質推動力，即擴散速率Ns=KLa（[S]—[S]s）KL-----液膜傳質系數(shù)a------傳質比表面積[S]----液體主體中的底物濃度[S]s----固定化酶表面處底物濃度三、固定化酶促反應動力學

固定化酶促反應過程中，需考慮擴散傳24在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳質速率等于酶促反應速率，當反應按米氏方程規(guī)則時有：Ns=KLa（[S]—[S]s）當[S]s→[S]時，主體傳遞阻力可以忽略當[S]s遠大于[S]時，整個反應速率由外擴散控制在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳質速率等于酶促反應速率，當反應按米氏方程規(guī)則25固定化酶的反應體系中效率因子（外擴散）的定義為ηout固定化酶的反應體系中效率因子（外擴散）的定義為ηout262、內部擴散過程對于具有大量內孔的球形固定化酶顆粒，內部是酶促反應的主要場所顆粒內部各處底物和產物的濃度不同，各處的反應速率和選擇性有差異。Ф-----西勒準數(shù)，是表面反應速率（即以固定化酶外表面處的濃度為基準反應速率與內擴散速率之比）VP----固定化酶顆粒體積,—rs-----固定化酶的反應速率AP----固定化酶顆粒外表面的面積,[S]----平衡時的底物濃度De-----載體內部底物的擴散系數(shù)[S]S-----固定化酶顆粒外表面底物濃度2、內部擴散過程對于具有大量內孔的球形固定化酶顆粒，內部是酶27對于球形固定化酶顆粒的內擴散效率因子有對于球形固定化酶顆粒的內擴散效率因子有28

酶反應器:酶為催化劑進行生物反應的場所.游離酶反應器、固定化酶反應器（分：固定化單一酶、復合酶、細胞器、細胞等形式）酶反應器:酶為催化劑進行生物反應的場所.29

酶反應器及其操作參數(shù)酶反應器的分類型式名稱操作方式說明單相系統(tǒng)酶反應器攪拌罐分批、流加靠機械攪拌混合超濾膜反應器分批、流加或連續(xù)適用于高分子底物多相系統(tǒng)酶反應器攪拌罐分批、流加或連續(xù)靠機械攪拌混合固定床填充床連續(xù)適用于固定床酶或微生物反應中流化床分批、連續(xù)靠溶液的流動混合膜反應器懸濁氣泡塔連續(xù)分批、連續(xù)膜狀或片狀固定化適于氣體為底物酶反應器及其操作參數(shù)酶反應器的分類型式名稱操作方式說明30

2．連續(xù)式酶反應器的流動狀態(tài)分為理想型與非理想型（1）理想型①活塞式：連續(xù)操作活塞式反應式（CPFR

continuousplugflowreactor）,實用反應器為填充床或膜反應器活塞式流動：指反應液在反應器內徑呈嚴格均一的速度分布，流動如同活塞運動，反應速度僅隨空間位置不同而變化。

2．連續(xù)式酶反應器的流動狀態(tài)分為理想型與非理想型31

②全混式：連續(xù)操作攪拌式反應式（CSTRcontinuous-flowstirredtankreactor），為攪拌罐。反應速度僅隨時間變化全混式流動：指反應器混合足夠強烈，因而反應器內濃度分布均勻，且不隨時間而變化。（2）非理想型具有返混的管型反應器等②全混式：連續(xù)操作攪拌式反應式（CSTRcontin32生物反應器比擬放大課件33二、酶反應器設計和操作的參數(shù)停留時間τ停留時間τ：指反應物料進入反應器至離開反應器止所經歷的時間對于CSTR，常用平均停留時間

=反應器容積/物料的體積流量二、酶反應器設計和操作的參數(shù)停留時間τ34

2、轉化率χ轉化率χ：表明供給反應器的底物發(fā)生轉變的分量分批式操作中：（初始底物濃度-t時間底物濃度）/初始底物濃度2、轉化率χ轉化率χ：表明供給反應器的底物發(fā)生轉35連續(xù)操作中：

（流入底物濃度-流出底物濃度）/流入底物濃度連續(xù)操作中：36

3、生產能力Pr生產能力Pr：單位時間、單位反應器體積內的產物量。分批式操作中：Pt：t時間單位反應液體積中產物的生成量

3、生產能力Pr生產能力Pr：單位時間、單位反應器體積37連續(xù)操作中：

Pout：單位體積流出液中的產物量連續(xù)操作中：38

4、選擇性[S]P

選擇性[S]P：表明整個反應的平均選擇性，指從1mol底物S中所得到產物P的摩爾數(shù)，由反應的量論關系而決定的。平均選擇性

瞬時或局部選擇性為rp----主反應速度rs----副反應速度4、選擇性[S]P

選擇性[S]P：表明整個反應的平39三、理想的酶反應器1、CPFR型酶反應器CPFR具備的特點：在正常的連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作情況下，在反應器的各個截面上，物料濃度不隨時間而變化；由于徑向有嚴格均勻的速度分布，故反應速率隨空間位置的變化只限于軸向。三、理想的酶反應器1、CPFR型酶反應器40．

對CPFR進行物料衡算，沿反應器軸向任意切出長度為dl的一個微元管段作為反應器微元，該微元的體積記為ｄV＝Adl，

．對CPFR進行物料衡算，沿反應器軸向任意切出41對于其他各級反應可得到一般的關系式:對于其他各級反應可得到一般的關系式:42

（1）

（1）432、CSTR型酶反應器在穩(wěn)定狀態(tài)下，CSTR型酶反應器內各處的濃度和溫度均不隨空間位置和時間而變化，因而反應器內各處的反應速率相等，所以可對整個反應進行物料衡算，一級反應條件下，對組分S（單位時間內）有：流入量=流出量+反應量+積累量F[S]0F[S]t（—rs）V0F（F[S]0—F[S]t）=（—rs）V2、CSTR型酶反應器在穩(wěn)定狀態(tài)下，CSTR型酶反應器內各處44

將上式變?yōu)橐话慊年P系式將米式方程代入上式，得操作方程：

F[S]0F[S]t

也可寫為(2)式

總體積（2）將上式變?yōu)橐话慊年P系式（2）453、CSTR型與CPFR型反應器性能的比較（1）停留時間的比較將（1）（2）的結果繪于右圖中橫坐標為組分S的轉化率X，縱坐標為反應速的倒數(shù)1/（—rs）。

在相同的工藝條件下進行同一反應，達到相同轉化率時，所需的停留時間不同。CSTR型的停留時間比CPFR型反應器的長，即前者所需的反應器體積比后者大。圖中向右斜的線所圍的面積相當于CSTR型反應器達到預定轉化率所需的時間，向左斜的線所圍的面積為CPFR型反應器達到相同轉化率所需的時間。最終轉化率越高，兩者的差距越大。3、CSTR型與CPFR型反應器性能的比較（1）停留時間的比46（2）酶需求量的比較當Km遠遠大于[s]0時，反應速率可用一級動力學來描述，于是，（1）（2）式可簡化成如下式子：

其中常數(shù)可認為是擬一級速率常數(shù)Kf

CSTR中所需酶的量與CPFR中所需的酶的量之比，可從（3式和（4）求得。（3）（4）（2）酶需求量的比較當Km遠遠大于[s]0時，反應速率可用一47

對于一級動力學

（5）式表明，轉化率越高CSTR中所需酶的相對量也就越大。另外，比值還依賴于反應級數(shù)，一級反應時其比值最大，零級反應時其比值最小。

（5）

對于一級動力學48反應體積一定達到相同轉化率時與轉化率的關系

如果反應按米氏定律，則酶需求量的相對比值與轉化率之間的函數(shù)關系可由下圖表示:反應體積一定達到相同轉化率時49所以,可根據所需轉化率X來選擇反應器的類型,或者確定它們所需酶的相對量.（6）式中E——反應器中的有效酶濃度Kd——酶的衰退常數(shù)t——操作時間所以,可根據所需轉化率X來選擇反應器的類型,或者確定它們所需50若把（1）（2）（6）結合起來，可得描繪酶衰變時的操作方程：

式中，X0，Xt分別為t=0和t=t時的轉化率

（7）

（8）

CSTRCPFR若把（1）（2）（6）結合起來，可得描繪酶衰變時的操作方程：51由（7）（8）式可知，零級反應時，CSTR與CPFR內酶活力的衰退沒有什么區(qū)別。如果反應從零級增至一級，那么，兩種反應器轉化率下降的差別就變得明顯。CPFR產量的下降比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更為敏感。如上所述，在某些場合，操作條件相同，要得到同樣的轉化率，CSTR所需酶的數(shù)量遠大于CPFR所需的酶量。由（7）（8）式可知，零級反應時，CSTR與CPFR內酶活力52（4）反應器中的濃度分布下圖繪出CSTR與CPFR中底物濃度分布。[S][S]0[S]

[S]0CPFR01CSTR01

在CPFR中，雖然在出口端底物濃度較低；但進口端高,CSTR中底物總處于低濃度范圍。如果酶促反應速率與底物的濃度成正比，那么，對CSTR而言，由于整個反應器處于低反應速率條件下，所以其生產能力也低。（4）反應器中的濃度分布下圖繪出CSTR與CPFR中底物濃度53例題例題54解：反應器出口的底物濃度

（1）進口與出口底物的對數(shù)平均濃度（2）解：反應器出口的底物濃度

（1）進口與出口底物的對數(shù)平均濃度55（3）（4）（3）（4）56（5）（4）（5）（4）57（1）CSTR設計

對CSTR固定化酶反應器，穩(wěn)定狀態(tài)下，底物的衡算式有F[S]0F[S]

反應器體積V空隙率ε

由于酶促反應在固定化酶顆粒內進行有V‘=（1-ε）V

（7）（1）CSTR設計

對CSTR固定化酶反應器，穩(wěn)定58（8）（9）（10）（8）（9）（10）59（2）CPFR固定化酶反應器設計

取長度為?L，體積為?V‘的任一微元體積進行物料衡算F[S]—F[S]+?[S]=η（—rs）?V‘流入流出微小體積內消耗

空隙率ε

F[S]?V‘F[S]+?[S]

F[S]in

F[S]OUT

?L

L反應器長度

（2）CPFR固定化酶反應器設計

取長度為?L，體積為?V‘60由于酶促反應在顆粒內進行，實際體積應為A?L*（1-ε），即?V‘=A?L*（1-ε）（12）由于底物在顆粒間的空隙內（εA）流動，所以體積流量F與底物流動線速度u

有如下關系：F=uεA（13）將（12）和（13）代入到（11）中，變?yōu)槲⒎中问?，得uεd[S]/dL=ηrs（1-ε）（14）積分（14）得由于酶促反應在顆粒內進行，實際體積應為A?L*（1-ε），即61（15）（15）62第五章生物反應器比擬放大第五章生物反應器比擬放大63

本章重點1、發(fā)酵罐的放大基礎和準則2、以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準的放大法3、以攪拌功耗P0/VL相等的準則進行反應器放大4、酶反應器的放大基礎和準則難點：反應器放大設計計算方法本章重點1、發(fā)酵罐的放大基礎和準則64

放大過程中與培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境相關的主要因素

與細胞形態(tài)學、細胞生理學和過程動力學之間的關系與生物反應器中的流體力學性質、傳遞現(xiàn)象及發(fā)酵液的理化性質之間的關系。放大過程中與培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境相關的主要因素與細胞形態(tài)學65一、放大目的

產品的質量高，成本低。必須使菌體在大中小型反應器中所處的外界環(huán)境完全或基本一致。

第一節(jié)生物反應器放大的目標及方法

一、放大目的

產品的質量高，成本低。必須使菌體在大中66

二、生物學基礎單位體積輸入的功率P/V

或液相體積氧傳遞系數(shù)KLa有效放大區(qū)末產物的相對濃度二、生物學基礎單位體積輸入的功率P/V有67

三、放大準則與方法1、放大準則

攪拌功耗P0/V、

體積溶氧系數(shù)KLa、

攪拌葉尖端線速度νs、

混合時間tM、

相等準則。

三、放大準則與方法1、放大準則

攪拌功耗P0/V68

2、放大方法

主要有經驗放大法、因次分析法、時間常數(shù)法、數(shù)學模擬法

生物反應器比擬放大課件69第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設計一、機械攪拌通氣發(fā)酵罐的功率計算

經驗放大法第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設計70

(一)幾何相似放大按反應器的各個部件的幾何尺寸比例進行放大。放大倍數(shù)實際上就是反應器的增加倍數(shù)。

(一)幾何相似放大按反應器的各個部件的幾何尺寸比71（二）以單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行反應器放大

這種方法適用對于以溶氧速率控制發(fā)酵反應的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細胞密度的培養(yǎng)P0/VL＝常數(shù)1.對于不通氣的攪拌反應器2.對于通氣攪拌反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大（二）以單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行反應72對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大，即：對于不通氣時的機械攪拌生物反應器，軸功率計算

對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大

對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌73（三）以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準的放大法在耗氧發(fā)酵過程中，由于培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應很容易因反應器溶氧能力的限制受到影響，所以以反應器KLa的相同作為放大準則，可以收到較好的效果。

這種方法適用于高好氧的生物發(fā)酵過程的反應器的放大。（三）以體積溶氧系數(shù)KLa（或Kd）相等為基準的放大法74在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應很容易因反應器溶氧能力的限制受到影響，以反應器KLa的相同作為放大準則，可以收到較好的效果。以KLa值相同放大時，一定要選一個合適的KLa值，可根據微生物發(fā)酵產物的產率與KLa大小的關系

在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應很容易因反應75

(四)以攪拌葉尖線端速度相等的準則進行反應器放大

適用于生物細胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。攪拌葉尖線端速度（πDn）是決定攪拌剪切強度的關鍵。葉尖端線速度

(四)以攪拌葉尖線端速度相等的準則進行反應器放大

76

（五）混合時間相同的準則混合時間是指在反應器中加入物料，到它們被混合均勻時所需的時間。在小反應器中，比較容易混合均勻，而在大反應器中，則較為困難.對于幾何相似的反應器，時，從上式可以得出：

（五）混合時間相同的準則混合時間是指在反應器中加入物料，到77（六）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大單位培養(yǎng)液體積在單位時間內通入的空氣量（標準態(tài)），即：

，m3/（m3·min）操作狀態(tài)下空氣的線速度，m/h。

，m3/（m3·min），m3/（m3·min）（六）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大單位培養(yǎng)液78以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大時，有以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大時，有79（七）以空氣線速度相同的原則進行放大

以空氣線速度相同的原則進行放大時有由上式可知，當體積放大100倍時，即若忽略液柱壓力，即

即通風量減少4.64倍，其結果是通風量過小。（七）以空氣線速度相同的原則進行放大以空氣線速度相同的原則80酶反應器的放大基礎和準則

酶反應器放大設計計算方法第三節(jié)酶反應器的放大酶反應器的放大基礎和準則

酶反應器放大設計計算方法第三節(jié)81一、酶促反應動力學基礎與一般化學反應相比，酶促反應要復雜一些，影響酶促反應的主要因素有：酶濃度，底物濃度，溫度壓力，溶液的介電常數(shù)與離強度，PH、內部結構因素等。最根本的是濃度因素1、零級反應：酶促反應速率與底物濃度無關。2、一級反應：反應速率與底物濃度的一次方成正比。即酶催化A→B的過程一、酶促反應動力學基礎與一般化學反應相比，酶促反應要復雜一些82二、單底物酶促反應動力學

1、米氏方程根據“酶-底物中間復合體”的假設，對酶E催化底物S生成產物P的反應S→P，其反應機制可表示為k+1k+2E+SESE+Pk-1E[S]X[P]k+1k-1k+2-----相應各步的反應速度常數(shù)E[S]X[P]----對應物質的濃度P的生成速度可表示為：rp=k+2X二、單底物酶促反應動力學

1、米氏方程83三點據說：（1）底物濃度[S]遠大于酶濃度E時，X的形成不會降低底物濃度[S]，底物濃度以初始濃度計算；（2）不考慮E+P→ES這個可逆反應的存在。（3）ES→E+P是整個反應的限速階段三點據說：84米氏方程：米氏方程：85三、固定化酶促反應動力學

固定化酶促反應過程中，需考慮擴散傳質與催化反應的相互影響，有外部與內部擴散的不同傳質方式，內部擴散與催化反應有時是同時進行的，外擴散通常先于反應。1、外部擴散過程

底物由液體主體向固定化酶顆粒表面的擴散速率Ns正比于傳質表面積及傳質推動力，即擴散速率Ns=KLa（[S]—[S]s）KL-----液膜傳質系數(shù)a------傳質比表面積[S]----液體主體中的底物濃度[S]s----固定化酶表面處底物濃度三、固定化酶促反應動力學

固定化酶促反應過程中，需考慮擴散傳86在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳質速率等于酶促反應速率，當反應按米氏方程規(guī)則時有：Ns=KLa（[S]—[S]s）當[S]s→[S]時，主體傳遞阻力可以忽略當[S]s遠大于[S]時，整個反應速率由外擴散控制在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳質速率等于酶促反應速率，當反應按米氏方程規(guī)則87固定化酶的反應體系中效率因子（外擴散）的定義為ηout固定化酶的反應體系中效率因子（外擴散）的定義為ηout882、內部擴散過程對于具有大量內孔的球形固定化酶顆粒，內部是酶促反應的主要場所顆粒內部各處底物和產物的濃度不同，各處的反應速率和選擇性有差異。Ф-----西勒準數(shù)，是表面反應速率（即以固定化酶外表面處的濃度為基準反應速率與內擴散速率之比）VP----固定化酶顆粒體積,—rs-----固定化酶的反應速率AP----固定化酶顆粒外表面的面積,[S]----平衡時的底物濃度De-----載體內部底物的擴散系數(shù)[S]S-----固定化酶顆粒外表面底物濃度2、內部擴散過程對于具有大量內孔的球形固定化酶顆粒，內部是酶89對于球形固定化酶顆粒的內擴散效率因子有對于球形固定化酶顆粒的內擴散效率因子有90

酶反應器:酶為催化劑進行生物反應的場所.游離酶反應器、固定化酶反應器（分：固定化單一酶、復合酶、細胞器、細胞等形式）酶反應器:酶為催化劑進行生物反應的場所.91

酶反應器及其操作參數(shù)酶反應器的分類型式名稱操作方式說明單相系統(tǒng)酶反應器攪拌罐分批、流加靠機械攪拌混合超濾膜反應器分批、流加或連續(xù)適用于高分子底物多相系統(tǒng)酶反應器攪拌罐分批、流加或連續(xù)靠機械攪拌混合固定床填充床連續(xù)適用于固定床酶或微生物反應中流化床分批、連續(xù)靠溶液的流動混合膜反應器懸濁氣泡塔連續(xù)分批、連續(xù)膜狀或片狀固定化適于氣體為底物酶反應器及其操作參數(shù)酶反應器的分類型式名稱操作方式說明92

2．連續(xù)式酶反應器的流動狀態(tài)分為理想型與非理想型（1）理想型①活塞式：連續(xù)操作活塞式反應式（CPFR

continuousplugflowreactor）,實用反應器為填充床或膜反應器活塞式流動：指反應液在反應器內徑呈嚴格均一的速度分布，流動如同活塞運動，反應速度僅隨空間位置不同而變化。

2．連續(xù)式酶反應器的流動狀態(tài)分為理想型與非理想型93

②全混式：連續(xù)操作攪拌式反應式（CSTRcontinuous-flowstirredtankreactor），為攪拌罐。反應速度僅隨時間變化全混式流動：指反應器混合足夠強烈，因而反應器內濃度分布均勻，且不隨時間而變化。（2）非理想型具有返混的管型反應器等②全混式：連續(xù)操作攪拌式反應式（CSTRcontin94生物反應器比擬放大課件95二、酶反應器設計和操作的參數(shù)停留時間τ停留時間τ：指反應物料進入反應器至離開反應器止所經歷的時間對于CSTR，常用平均停留時間

=反應器容積/物料的體積流量二、酶反應器設計和操作的參數(shù)停留時間τ96

2、轉化率χ轉化率χ：表明供給反應器的底物發(fā)生轉變的分量分批式操作中：（初始底物濃度-t時間底物濃度）/初始底物濃度2、轉化率χ轉化率χ：表明供給反應器的底物發(fā)生轉97連續(xù)操作中：

（流入底物濃度-流出底物濃度）/流入底物濃度連續(xù)操作中：98

3、生產能力Pr生產能力Pr：單位時間、單位反應器體積內的產物量。分批式操作中：Pt：t時間單位反應液體積中產物的生成量

3、生產能力Pr生產能力Pr：單位時間、單位反應器體積99連續(xù)操作中：

Pout：單位體積流出液中的產物量連續(xù)操作中：100

4、選擇性[S]P

選擇性[S]P：表明整個反應的平均選擇性，指從1mol底物S中所得到產物P的摩爾數(shù)，由反應的量論關系而決定的。平均選擇性

瞬時或局部選擇性為rp----主反應速度rs----副反應速度4、選擇性[S]P

選擇性[S]P：表明整個反應的平101三、理想的酶反應器1、CPFR型酶反應器CPFR具備的特點：在正常的連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作情況下，在反應器的各個截面上，物料濃度不隨時間而變化；由于徑向有嚴格均勻的速度分布，故反應速率隨空間位置的變化只限于軸向。三、理想的酶反應器1、CPFR型酶反應器102．

對CPFR進行物料衡算，沿反應器軸向任意切出長度為dl的一個微元管段作為反應器微元，該微元的體積記為ｄV＝Adl，

．對CPFR進行物料衡算，沿反應器軸向任意切出103對于其他各級反應可得到一般的關系式:對于其他各級反應可得到一般的關系式:104

（1）

（1）1052、CSTR型酶反應器在穩(wěn)定狀態(tài)下，CSTR型酶反應器內各處的濃度和溫度均不隨空間位置和時間而變化，因而反應器內各處的反應速率相等，所以可對整個反應進行物料衡算，一級反應條件下，對組分S（單位時間內）有：流入量=流出量+反應量+積累量F[S]0F[S]t（—rs）V0F（F[S]0—F[S]t）=（—rs）V2、CSTR型酶反應器在穩(wěn)定狀態(tài)下，CSTR型酶反應器內各處106

將上式變?yōu)橐话慊年P系式將米式方程代入上式，得操作方程：

F[S]0F[S]t

也可寫為(2)式

總體積（2）將上式變?yōu)橐话慊年P系式（2）1073、CSTR型與CPFR型反應器性能的比較（1）停留時間的比較將（1）（2）的結果繪于右圖中橫坐標為組分S的轉化率X，縱坐標為反應速的倒數(shù)1/（—rs）。

在相同的工藝條件下進行同一反應，達到相同轉化率時，所需的停留時間不同。CSTR型的停留時間比CPFR型反應器的長，即前者所需的反應器體積比后者大。圖中向右斜的線所圍的面積相當于CSTR型反應器達到預定轉化率所需的時間，向左斜的線所圍的面積為CPFR型反應器達到相同轉化率所需的時間。最終轉化率越高，兩者的差距越大。3、CSTR型與CPFR型反應器性能的比較（1）停留時間的比108（2）酶需求量的比較當Km遠遠大于[s]0時，反應速率可用一級動力學來描述，于是，（1）（2）式可簡化成如下式子：

其中常數(shù)可認為是擬一級速率常數(shù)Kf

CSTR中所需酶的量與CPFR中所需的酶的量之比，可從（3式和（4）求得。（3）（4）（2）酶需求量的比較當Km遠遠大于[s]0時，反應速率可用一109

對于一級動力學

（5）式表明，轉化率越高CSTR中所需酶的相對量也就越大。另外，比值還依賴于反應級數(shù)，一級反應時其比值最大，零級反應時其比值最小。

（5）

對于一級動力學110反應體積一定達到相同轉化率時與轉化率的關系

如果反應按米氏定律，則酶需求量的相對比值與轉化率之間的函數(shù)關系可由下圖表示:反應體積一定達到相同轉化率時111所以,可根據所需轉化率X來選擇反應器的類型,或者確定它們所需酶的相對量.（6）式中E——反應器中的有效酶濃度Kd——酶的衰退常數(shù)t——操作時間所以,可根據所需轉化率X來選擇反應器的類型,或者確定它們所需112若把（1）（2）（6）結合起來，可得描繪酶衰變時的操作方程：

式中，X0，Xt分別為t=0和t=t時的轉化率

（7）

（8）

CSTRCPFR若把（1）（2）（6）結合起來，可得描繪酶衰變時的操作方程：113由（7）（8）式可知，零級反應時，CSTR與CPFR內酶活力的衰退沒有什么區(qū)別。如果反應從零級增至一級，那么，兩種反應器轉化率下降的差別就變得明顯。CPFR產量的下降比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更為敏感。如上所述，在某些場合，操作條件相同，要得到同樣的轉化率，CSTR所需酶的數(shù)量遠大于CPFR所需的酶量。由（7）（8）式可知，零級反應時，CSTR與CPFR內酶活力114（4）反應器中的濃度分布下圖繪出CSTR與CPFR中底物濃度分布。[S][S]0[S]

[S]0CPFR01CSTR01