生物过程的反应原理3(PPT66)

1、第5章 生化反应器的设计与分析5.1概论5.1.1生化反应器的分类 反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备可从多个角度对其进行分类。 按照所使用的生物催化刑的不同，可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。 根据反应器的操作方式，可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。 常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。12 图52 几种酶反应器及操作方式示意图(1)间歇式搅拌罐;(2)连续式搅拌罐;(3)多级连续搅拌罐;4)填充床(固定床)(5)带循环的固定床;

2、(6)列管式固定床;(7)流化床;(8)搅拌罐-超滤器联台装置; (9)多釜串联半连续操作;(10)环流反应器;(11)螺旋卷式生物反应器3图53几种细胞反应器示意图45.1.2生化反应器的基本设计方程 生化反应器设计的最基本内容有：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；确定量佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、PH、通气量、物料流量等；计算出所需反应器体积，设计各种结构参数等。5 反应器设计的基本方程有三类：描述浓度变化的物料衡算式； 描述温度变化的能量衡算式。或称为能量方程； 描述压力变化的动量衡算式；(建立这三类方程

3、的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。) 反应动力学方程式； 热力学计算式；各种传递参数的计算式等。 变量分因变量和自变量两种。 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做为因变量；能量衡算式和动量衡算式则分别以反应物系的温度和压力做因变量。6 对于自变量，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，因此在建立衡算式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，即在多大的空间范围内进行衡算。其选择原则是以能把反应

4、速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。 输入输出十消耗十累积7第5章 生化反应器的设计与分析5.1概论5.1.1生化反应器的分类 生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备可从多个角度对其进行分类。 按照所使用的生物催化刑的不同，可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。 根据反应器的操作方式，可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。 常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。85.2 间歇操作搅拌槽式反应器(BSTR)tr;tb5.2.1反应时间的计算

5、 对间歇搅拌槽式反应器做物料衡算时，应掌握其两个主要特性：一是在反应进行过程中无物料的输入和输出；二是由于搅拌的作用，反应器内物料充分混合，浓度均一，而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可以对整个反应器做物料平衡。根据式(51)，对间歇操作的搅拌稿式反应器，其物料衍算式应为 9(5-5)反应组分转化速率一反应组分的累积速率对液相反应:(5-6)若令t=0,Cs=Cs0;t=tr, Cs=Cs，分离变量积分可得：(5-8)(5-7)10(1)均相酶催化反应。 当为单底物无抑制的反应时，可将M-M方程代入式(5-8)，并积分可得:(5-9)(5-10)(5-11)(5-12) 对不同Xs值，

6、以trCs0/Km对应作图，得到图5-4。11图5-4 不同转化率XS下，间歇反应时间tr与Cs0 /Km 关系 从图中可以看出当Cs0 /Km 值较小时，近似为一级反应。当XS一定，tr将不随Cs0 /Km值而变化；当Cs0 /Km值较大时，近似为零级反应，此时tr将随Cs0 /Km值成比例增加。12 如果在酶催化反应过程中，酶发生失活现象，若为不可逆失活，则:(5-13)(5-14)代入式(5-8)，积分得(2)固定化酶催化反应(5-16)(5-15)(5-17) 如果反应速率是以单位催化剂的质量来定义的，此时速率以rsw表示，则有：13(5-18)(5-19) 一级不可逆反应，即Cs。K

7、m时，内扩散有效因子与转化率Xs的大小无关，可作常数处理。此时有： 如果固定化酶颗粒很小，反应为动力学控制， 1，则可表示为：(3)微生物反应。 由于间歇操作的微生物反应过程的动力学比较复杂，很难用一个统一的动力学方程来表示全过程，并且由于细胞生长过程又包括延迟期、指数生长期、减速期、静止期等，使得反应时间tr的范围亦难以十分明确。比较容易确定的是指数生长期和减速期所需要的时间。(5-20)14(5-21)(5-22)(5-23)(5-24) 在指数期内，基质浓度高，营养物充分，细胞生长不受限制，比生长速率可达到最大值，即 对减速期，由于基质的消耗，细胞的生长速率会受到基质浓度的限制，此时有：

8、(5-26)(5-25)15(5-27)(5-29)(5-28)并根据：积分得到：式中： 但是，由于CX1值很难确定，而CX2值很易确定，因此采用一种近似的计算方法，即从指数期开始到减速期末，总的反应时间tr用一个统一公式来计算：16(5-30)(5-31)(5-32) 5.2.2 反应器有效体积的确定(5-44)(5-45)反应器的有效体积：17(5-46)如果要求单位时间内得到产物的量为Pr,则有：例5.1 在一间歇操作的反应器内进行一均相的无抑制的酶催化反应，已经测得该酶催化反应的动力学参数为 k+2=1min-1，Km=2molL，加入酶的初始浓度CE01mol L 。加入反应底物的初

9、始浓度为2mol L 。 试求 要求每lh生产某产品1000m0l，反应底物的转化率为0.80，并且每一操作周期内所需要的辅助时间为l0min。此时所需要的反应器有效体积VR为多少7 解： (1)先求出达到一定转化率所需反应时间，根据题意，本反应符合M-M方程。因此，根据18将已知值代入上式：(2)求反应器有效体积VR。 根据VR V0(tr十tb)和PrV0，可分别求出: V0= Pr/( Cs0 Xs)=(1000/60)/(2 0.80)=10.42L/min VR 10.42(4.82+10)=154.4L5.2.3 间歇反应过程的优化对于一定反应：(5-47)1.单位时间的产物产量：

10、19若使FP为最大，则对反应时间tr求导并令其0，(5-49)图5-5 使生产率最高的最优反应时间图解202.单位质量产物的总费用CT要使生产成本最低，应使(5-52)(5-50)采用和图5-5相同的方法求出tr,opt值。215.3 连续操作的搅拌槽式反应器(CSTR)有单级CSTR、多级CSTR串联、带有循环的CSTR等。5.3.1 CSTR的基本设计式22单级CSTR做物料衡算，以反应组分S为例： 输入速率=输出速率+反应消耗速率(5-56)(5-57)(5-58)(5-59)23图5-7 单级CSTR设计关系式的图示5.3.2 酶催化反应时的单级CSTR均相酶催化反应：(5-61)(5

11、-60)24(5-62)(5-63)(5-64) 如果为固定化酶催化反应，由于有液固两相和内扩散影响的存在，底物的物料平衡式为：以固定化酶颗粒体积为基准所定义的催化反应速率(5-65)255.3.3微生物反应时的单级CSTR 恒化器，恒浊器 在CSTR中进行微生物反应时，由于CSTR具有的返混性质，只要反应器内有细胞存在，则依靠细胞的自催化能力，即使加入的反应基质中不合有微生物细胞，在一定加料速率范围内CSTR亦能在稳态下操作。1.无代谢产物生成(5-66)(5-67)(5-68)(5-69)26细胞质量增加速率=加入细胞流出细胞细胞生长的速率(5-70)(5-71)(5-73)(5-74)(

12、5-75)27(5-76)(5-80)(5-81)(5-82)(5-83)(5-84)(5-85)28(5-86)(5-87)(5-88)(5-89)(5-90)式(5-84)、(5-85)、(5-90)表示的Cs、CX、PX分别与D的关系可参看图5-829图5-8 单线CSTR中Cs、CX、PX分别与D的关系PX-D的关系图，可知PX有一极大值。30(5-91)(5-92)(5-93)(5-94)由式(5-83)可有：当CsCs0时，(5-95)31（Dc:称为临界稀释率，是操作中允许的上限此时称反应器处于“洗出”操作状态。）(5-96)(5-97)(5-98)Levenspiel定义一参数

13、N，(5-99)(5-100)(5-101)(5-102)32基质消耗速率为最大处的基质浓度为：(5-103)对在CSTR中进行细胞反应时，D是有限制的。一般认为，当D小于max值时，才存在一稳定操作状态，如果D max ，则CX值是不确定的；当D大于max值时，则CX将减少并一直到零。在设计CSTR时，式（5-80）和式(5-82)必须同得到满足。对式(5-82)，当基质完全消耗尽时，细胞是不能再生长；对式（5-80），表示的则是动力学限制的关系， 做为Cs的函数。归纳于起来，基于Monod动力学的单级CSTR，有下述关系。33(5-104)(5-105)(5-106)(5-107)2.有代

14、谢产物生成可对产物做质量衡算，则有：34(5-108)(5-109)(5-110)3. 产物对细胞生长有抑制作用(5-116)(5-117)35(5-122)(5-121)(5-120)(5-119)图510 CSTR中产物有抑制时最佳操作示意图 1一洗出点，2最佳操作点4. 有细胞的内代谢或死亡存在 Dkd kd ：细胞内源代谢或死亡速率常数，h-15.反应限制基质(5-126)36(5-131)6.既有内源代谢又有代谢产物生成(5-132)(5-133)(5-134)(5-136)377.固定化细胞催化反应(5-140)在某一稀释率D时，有了固定化细胞，可以明显提高基质转化率，但是随着扩散

15、限制作用的加大，反应速率明显在下降。例5.2385.3.4 带有细胞循环的单级CSTR(5-141)(5-142)39(5-145)(5-147)(5-148)(5-149)(5-150)40(5-151)(5-152) 由于循环作用，使其临界稀释率提高，允许的加料速率亦可提高。如果加料速率不变，则所需反应器体积可减小。 上述各式中，V。、Cs0为反应器新加入基质的体积流量和浓度； Cs1 、 Cx1为反应器出口处(亦为反应器内)基质和细胞浓度；Vr、 Cx r为循环物料的体积流量和其细胞浓度;Dc、Dcr分别为无循环和有循环时的临界稀释率。415.3.5多级CSTR串联可分为三大类： 图51

16、6 不同类型的多级CSTR操作(1)单流多级系统，(2)多流多级系统，(3)带循环的多级系统425.4 连续操作的管式反应器(CPFR)5.4.1 活塞流模型与设计关系式图5-19 活塞流管式反应器物科衡算示意图 稳态下，对反应组分做衡算 输入量输出量十反应量(5-171)43(5-172)(5-173)(5-174)图5-20 活塞流反应器的图解示意图P为CPFR的空时（s）。5.4.2酶催化反应时的CPFR(5-175)44(5-176) 从上述两式可以看出，该关系式与。BSTR反应器的关系式相似只需将P取代tr即可。(5-177)(5-178)(5-179)455.固定化酶催化反应为反应

17、器中液相占有体积分率。(5-180)(5-181)(5-182)(5-183)46当采用固定化酶时，上述管式反应器一般改称为固定床酶催化反应器。例5.55.4.3 带有循环的CPFR图5-21 带循环CPFR物料关系图1.设计方程式47在CPFR中进行细胞反应，且无循环，则设计式为：(5-184)(5-185)(5-186)(5-187)(5-188)(5-189)48(5-190)(5-191)(5-192)(5-193)(5-194) 此式为CX00时的总循环方程式，根据此方程，P 、R、CSF三个变量中只要已知其中两个，就可确定第三个。492.最佳循环比（1）细胞产量为最大(5-196)

18、(5-195)50(2) 一定Xs，使所需反应器体积最小图5-23 最佳循环比的确定51 确定最佳循环比的原则是使反应器入口处物料反应速率的倒数等于物料在反应器内速率倒数的平均值。图5-24 带循环的CPFR中细胞浓度对Dc的影响 -细胞提浓系数(5-197)52 对在CPFR中进行微生物反应，若采用循环已浓缩过的细胞来操作，会使CPFR的操作性能有所改善，即Dc值可增大。 从图中可以看出，当循环比R和细胞提浓系数增加，其临界稀释率Dc亦在提高。5.4.4 CPFR与CSTR的性能比较 CSTR和CPFR是理想流动生化反应器的两个典型代表对CSTR，反应器内反应组分浓度均一，且等于出口值，返混

19、程度最大；对CPFR，反应组分(例如基质)沿着轴向由高到低逐渐下降，且返混不存在。这两种极端不同的特性，是优是劣，与反应器中所进行的反应本身的动力学特点密切相关。53图5-26 基本反应器的浓度分布图541.酶催化反应过程 达到同一转化率时，CSTR所需体积要比CPFR所需体积大，或需要更多的酶。并且转化率愈高，两者比值愈大，这表明，转化率愈高，返混对反应影响程度愈大。 随着是KmCs。值从零到无穷大，反应速率与反应物浓度的关系由零级升为一级，两种反应器之体积比随之增大，这表明，随着反应级数提高，返混的影响程度亦在增大。 对底物有抑制的酶催化反应。由于在CPFR中维持了比CSTR中更高的底物浓

20、度，因而在CPFR中底物的抑制作用更加强烈，此时显然采用CSTR更为有利。 如果为产物抑制的酶催化反应，由于在CSTR中维持了比CPFR中较高的产物浓度，因而在CSTR中产物的抑制作用更加明显，此时显然采用CPFR更为有利。552.微生物反应过程图5-30 不同动力学时CPFR的救佳加料方式(a)图表示的是无抑制情况，为了保证CPFB正常连续操作，使细胞循环回到反应器入口。并可提高细胞生长速率。(b)图表示的是基质对细胞生长有抑制的情况，为了减少基质抑制，沿CPFR轴向位置实施多点加料，以便反应器维持在尽可能低的基质浓度，以减少其抑制作用。 (c)因为反应产物有抑制时的情况，为了减少产物抑制，

21、应及时将反应产物排出反应器以外，降低反应器中产物浓度。(d)因为基质和产物均对细胞生长有抑制时的情况，故沿反应器轴向实施多点加入基质和多点排出产物的措施以减少其抑制作用。56各种应动力学可归纳为三种情况： 第一种动力学是浓度与速率的关系为单调上升的关系，即随着反应组分浓度的增加，反应速率亦增加，浓度下降，速率亦下降，这是简单酶催化反应和很多化学反应的动力学特点，对此种反应动力学采用CPFR有利。 第二种动力学是反应组分浓度与速率系单调下降的关系，即随着组分浓度的升高，反应速率在下降。这种情况比较少见，它仅出现在化学反应动力学中反应级数为负值的情况。对此种动力学采用CSTR有利于减少所需要的体积

22、。 第三种动力学即为随着浓度的变化反应速率有最大值的情况，一般出现在细胞反应过程、自催化反应过程。此时采用CSTR与CPFR相串联的形式有利于减少反应器体积。 上述三种动力学情况分别表示在图5-31中的曲线123。57 图5-31 不同的riCi的动力学关系1一速率与浓度单调上升；2一速率与浓度单调下降，3一速率与浓度有有大值需要特别指出的是，上述讨论仅仅是从如何使反应速率为最大、所需反应器为最小的角度来考虑反应器的选择。而实际上选用何种反应器除了要考虑上述因素外，还要考虑到一些其它因案。例如，在微生物反应中，某些次级代谢产物的生成速率rP达到最大值时所需要的时间要比细胞生长速率达到最大值时延

23、迟某一时间tM(见图5-32)，如果为了追求最大的rP值，在连续操作的反应器中则必须保持t tM58的条件，即细胞在反应器中的平均停留时间必须等于细胞的成熟时间加。对CSTR，由于返混的作用，将使一部分细胞在反应器中停留时间要小于tM ，因而这一部分细胞对生产代谢产物没有做出贡献，而只有另外一部分细胞由于其t tM才能生成代谢产物。而对CPFR，由于无返混存在，所有细胞在反应器的停留时间皆可控制在t tM的水平上，可使代谢产物的产率达到最好的结果。还有一些次级代谢产物，如青霉素，在反应器停留时间过长会分解，CSTR中由于有一部分可能t tM ，易分解，而CPFR则易控制为tM ，代谢产物不易分

24、解。 综上所述，要选择一适宜的反应器型式和操作方式需要综合考虑多方面因素，才能做出客观的选择。595.5 半间歇操作的搅拌槽式反应器(SCSTR) 流加操作技术；反应分离耦合技术5.5.1 流加操作反应器 所谓流加操作是指在反应过程中不断向反应器内加入基质、但又不同时取出培养液的操作方法。如果在上述流加操作过程中，每隔一定时间将发酵液取出一部分，然后继续进行上述流加操作，并且将上述操作过程不断重复下去，这种流加操作又称为重复流加操作。 流加操作的一个主要特点是在反应进行的过程中，反应器内物料所占有的体积是在变化的，反应器是在变容下进行操作，并且仍然假设该反应器内的物料达到了最大程度的返混，反应

25、器的浓度分布仍是均一的，因此，此类操作又称为变容的CSTB操作。目的：减缓基质对细胞生长的抑制作用；实现细胞的高密度培养。60常用的衡算模型有：(5-212)(5-213)(5-214)(5-215) 如何实施流加操作呢?主要分为两大类，一类是无反馈控制，另一类是反馈控制。 无反馈控制是指加入基质的流量按预先设定的规律变化。如果按加入基质的流量恒定的方式加入称为恒流量流加，这种流加方式的特点是能保持细胞线性生长。61线性生长期一般出现在培养的后期，在此期内基质浓度非常低。还有一种无反馈控制的流加方式为指数流加，它使流加基质量以时间的指数函数增加，这样保证细胞的生长对时间是以指数函数增加。实行指数流加法可保证基质浓度在培养过程中恒定不变，同时可以控制 ，因此它类似于恒化器操作。在生产代谢产物时，还可以按照优化方案进行基质流加流量的控制，此时要预先通过实验确定比生长速率与基质浓度和代谢产物比生成速率与细胞比生长速率的具体函数关系式，进而再运用最优化方法确定最优流量变化规律。反馈控制可分为间接控制流加法和直接控制流加法。前者是以既重要又可检测的参数，如pH、DO、qCO2、以及浊度等作为控制指标的；后者则是通过连续或间断地测定培养液中的流加基质的浓度作为指标进行控制的。 无反馈控制与反馈控制示意图见图5-32。62图5-33