第四章-生物反應器的操作模型

生物反應工程戚以政王炳武北京化工大學生命科學與技術(shù)學院第四章

生物反應器的操作模型

（12學時）4.1操作模型概論一、生化反應器的分類按生物催化劑分按操作方式分酶反應器細胞反應器間歇操作連續(xù)操作補料（流加）操作生化反應器的分類（續(xù)）按結(jié)構(gòu)分（高徑比）釜式（槽式）管式生化反應器的分類（續(xù)）按能量的輸入方式分攪拌式氣升式自吸式噴射式機械攪拌罐氣升式把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)自吸式轉(zhuǎn)子內(nèi)部液體被甩出，形成負壓生化反應器的分類（續(xù)）按反應器內(nèi)流動與混合狀態(tài)分（返混：具有不同停留時間的物料之間的混合）理想流動反應器（活塞流、全混流）非理想流動反應器（槽列模型、一維擴散模型、組合模型）反應器設(shè)計基本方程物料衡算式基質(zhì)產(chǎn)物細胞能量衡算式4.2分批操作的攪拌槽式反應器

（BSTR）反應時間的計算反應器有效容積的確定間歇反應過程的優(yōu)化間歇操作的特點物料一次性加入，一次性排出反應時間tr、輔助時間tb

濃度僅隨時間變化，與位置無關(guān)非穩(wěn)態(tài)過程一、反應時間tr的計算物料衡算式（對基質(zhì)）通式均相酶催化反應固定化酶催化反應二、反應器有效容積的確定要求反應器在單位時間內(nèi)所應處理的物料體積為V0要求反應器在單位時間內(nèi)得到的產(chǎn)物的量為Pr三、間歇反應過程的優(yōu)化產(chǎn)率：單位時間產(chǎn)物的產(chǎn)量四、反復分批操作4.3連續(xù)操作的攪拌槽式反應器

（CSTR）4.3.1連續(xù)操作的特點原料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)流出組成不隨時間、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4.3.2酶催化反應均相酶催化反應固定化酶催化反應4.3.3細胞反應對細胞進行物料衡算臨界稀釋率DC優(yōu)化操作要求細胞產(chǎn)率（單位時間單位發(fā)酵罐體積的細胞產(chǎn)量）最大

4.3.4帶循環(huán)的CSTR對細胞進行物料衡算基質(zhì)濃度細胞濃度產(chǎn)物濃度臨界稀釋率單級和帶循環(huán)CSTR的比較稀釋率基質(zhì)濃度細胞濃度產(chǎn)物濃度臨界稀釋率CSTR與膜過濾組合廢水生物處理系統(tǒng)4.3.5多級CSTR串聯(lián)單流多級的前提條件1）一股進料，穩(wěn)態(tài)操作；2）各個CSTR體積相等；3）每一個反應器內(nèi)為全混流，各個反應器之間沒有返混；4）各個反應器的操作條件相同，得率系數(shù)為常數(shù)。二級CSTR串聯(lián)兩級CSTR串聯(lián)的參數(shù)變化曲線作圖估計多級CSTR串聯(lián)參數(shù)4.4連續(xù)操作的管式反應器

（CPFR）連續(xù)操作管式流動反應器的特點L>>D相同方向，相同速度軸向速率相同，無返混停留時間相同垂直截面上濃度均一且不隨時間變化濃度是位置L的函數(shù)對基質(zhì)物料衡算CSTRCPFR4.4.2酶催化反應一級反應球狀固定化酶膜狀固定化酶CPFR和CSTR、BSTR的比較濃度曲線的比較反應方程式的比較反應器有效容積的比較CPFR與CSTR、BSTR的比較反應器有效容積的比較相同反應條件下達到相同轉(zhuǎn)化率所需反應器體積游離酶催化反應產(chǎn)物抑制底物抑制優(yōu)化4.4.3CPFR與CSTR串聯(lián)4.4.4帶細胞循環(huán)的CPFR最佳進口濃度的確定存在底物和產(chǎn)物抑制時的CPFR最佳加料出料方式4.5補料分批操作反應器

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