连续式操作反应器演示文稿

连续式操作反应器演示文稿第1页，共52页，2023年，2月20日，星期二第一节酶反应连续操作反应器（1）全混合式反应器（CSTR）对底物的物料衡算式有：

——物料流量——进料、反应器中的底物浓度——反应器有效体积第2页，共52页，2023年，2月20日，星期二在连续稳态时，，并由上式可得：均相酶反应，符合M-M方程反应：第3页，共52页，2023年，2月20日，星期二（2）平推流式反应器（CPFR)连续稳态操作时，,于是第4页，共52页，2023年，2月20日，星期二对整个反应器有，有第5页，共52页，2023年，2月20日，星期二对符合M-M方程的反应，积分：

第6页，共52页，2023年，2月20日，星期二

由以上积分式可知，平推流式反应器（CPFR)与间歇操作全混合反应（BSTR），其反应时间相同，不同之处是，一个是反应浓度随着反应时间而变化，一个是随着反应器的位移而变化。第7页，共52页，2023年，2月20日，星期二

连续操作反应器的特点：CSTR：反应器浓度均一，浓度不随时间变化，流出的物料浓度与反应器内物料浓度相同。CPFR：物料浓度在横截面上浓度均一，随着在反应器内位移而发生变化。第8页，共52页，2023年，2月20日，星期二（3）影响酶反应速率的因素1、酶浓度

2、温度3、PH第9页，共52页，2023年，2月20日，星期二

（4）CSTR与SPFR选择与结合酶反应过程，首先以单底物、无抑制的均相酶反应动力学为例对CSTR和CPFR作比较与选择。第10页，共52页，2023年，2月20日，星期二达到同一转化率时，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Km/Cs0值从零到最大，反应速率与底物浓度的关系由零级升为一级，两种反应器的体积比随之增大。这表明，随着反应级数提高，返混的影响亦在增大。第11页，共52页，2023年，2月20日，星期二对底物抑制的酶反应，由于在CPFR中维持了比CSTR中更高的底物浓度，因而在CPFR中底物的抑制作用更强烈，此时显然采用CSTR更为有利。若为使反应器体积最小，可以采用一个CSTR与一个CPFR的串联设计方案，底物在CSTR中的浓度可保持在反应速率最大时的浓度。也可采用循环式CPFR的设计。对产物抑制酶反应，由于在CSTR中维持了比CPFR中较高的产物浓度，因而在CSTR中产物的抑制作用较大，此时显然应采用CPFR更为有利于。第12页，共52页，2023年，2月20日，星期二第二节微生物细胞连续操作反应器第13页，共52页，2023年，2月20日，星期二如左图所示：V–发酵罐（生物反应器）有效容积（L）F–培养基体积流量（L/h）；CS0

–底物初始浓度（g/L）；CS__—发酵罐内底物浓度（g/L）；CX—发酵罐内菌体浓度（g/L）；一、单级连续发酵（培养）（CSTR)VμCXCSFCSoCXoFCSCXCX0-初始接种菌体浓度（g/L）；第14页，共52页，2023年，2月20日，星期二生长比速率与稀释率的关系发酵罐浓度视为均一开始接入微生物细胞（连续进料后不再加入)，当连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡：生长量=排出量

VμCX=FCX

令：

D-稀释率（h-1）即：μ=D第15页，共52页，2023年，2月20日，星期二稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过程生长比速率可以人为控制。连续发酵的必要条件

D＜μmax当D＞μmax，发酵就发生“冲出”现象。

******连续发酵μ随着D的变化而变化，自动趋向稳态，即μ=D第16页，共52页，2023年，2月20日，星期二底物浓度（CS）与稀释率的关系：

第17页，共52页，2023年，2月20日，星期二菌体相对基质得率系数Yx/s菌体浓度与稀释率的关系微生物细胞生产强度(PX)与稀释率的关系第18页，共52页，2023年，2月20日，星期二菌体浓度（CX）、底物浓度（CS）、生产强度（Px）与稀释率（D）的关系作图如下：D(h-1)DoptCXDCXCSDCXCXCSDc第19页，共52页，2023年，2月20日，星期二从上图看出：1）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度(生长速率）（DCX）,随着稀释率（D）增大而增大，当达到一定的稀释率后，其细胞生产强度随着稀释率增大而降低。2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（CX）和底物浓度（CS）变化很小。当增大到一定程度，其变化迅速增加。第20页，共52页，2023年，2月20日，星期二3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲出，罐内菌体浓度为零，底物浓度等于初始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（DC）。4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率（D0pt），即细胞生产强度最高。5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越高（转化率高）。第21页，共52页，2023年，2月20日，星期二

单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高时，可以使用。如果既要转化率高，又要细胞生产强度高，单罐连续发酵就满足不了这个条件。如何设计才能使转化率和生产强度都高，用多级串联连续就能解决这个问题，一般用两个罐就可满足生产要求，第一个罐用作提高生产强度，第二个罐用作提高转化率。第22页，共52页，2023年，2月20日，星期二最佳稀率（Dopt)

最佳稀释率是细胞生产强度（生长速率）最大时的稀释率。生产强度对D求导，等于零，即求得稀释率最大值Dopt第23页，共52页，2023年，2月20日，星期二最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（CXopt）及最大生产强度（PX)opt第24页，共52页，2023年，2月20日，星期二二、两级串联连续发酵（培养）FCSoCXoμ1CX1V1CS1μ2CX2V2CS2FCS2CX2FCS1CX1第25页，共52页，2023年，2月20日，星期二连续稳定时，CX0=0对第一个罐细胞平衡：第26页，共52页，2023年，2月20日，星期二对第二个罐细胞平衡：第27页，共52页，2023年，2月20日，星期二两罐串联与单罐连续发酵时间的对比

假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2

两罐与单罐排出的底物浓度相等，即：

CS2=CS单罐发酵时间用τ表示:两罐发酵时间用τm表示：

第28页，共52页，2023年，2月20日，星期二第29页，共52页，2023年，2月20日，星期二

以上计算，表明用两个罐串联发酵（培养）时间是单罐发酵时间的0.3倍，或说双罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.3倍。反之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间是双罐串联发酵时间的3.33倍，或说单罐发酵罐体积是双罐发酵罐体积的3.33倍。第30页，共52页，2023年，2月20日，星期二

两级串联培养，第一级控制最佳稀释率,达到最大生长速率。第二级保证底物的转化率。就是根据细胞生长动力学的科学设计。第31页，共52页，2023年，2月20日，星期二三、单罐连续培养(细胞循环)FCSCX2FCS0μCXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1对菌体平衡发酵罐培养系统菌体平衡细胞浓缩分离系统菌体平衡第32页，共52页，2023年，2月20日，星期二FCSCX2FCS0μCXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1第33页，共52页，2023年，2月20日，星期二第34页，共52页，2023年，2月20日，星期二第35页，共52页，2023年，2月20日，星期二细胞循环连续发酵讨论循环与不循环相比：在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产能力。在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率（CS降低）在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。如果细胞不浓缩，D=μ，对CSTR无意义。生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度。第36页，共52页，2023年，2月20日，星期二四、带循环的CPFRV0CS0V0CSfVrCSfV1CS1第37页，共52页，2023年，2月20日，星期二第38页，共52页，2023年，2月20日，星期二第39页，共52页，2023年，2月20日，星期二对系统物料衡算：反应时间：第40页，共52页，2023年，2月20日，星期二

带循环的CPFR与不带循环的相比，对底物的抑制的酶反应起到稀释作用，可提高反应速率。对细胞反应起到了连续接种的作用。循环量大小影响反应时间，因此循环量过大反应速率下降。

带循环的CPFR，循环量与进料量之比值成循环比，反应速率最高时的循环比称最佳循环比。第41页，共52页，2023年，2月20日，星期二八、微生物细胞反应动力学在生产中的应用1、酒精生产应用酒母培养连续发酵2、污水处理

厌氧发酵好氧发酵第42页，共52页，2023年，2月20日，星期二酒精连续发酵

酒精连续发酵源于半连续发酵

1933年国外就用糖蜜原料进行酒精半连续发酵，采用的技术是对酵母回收利用，在利用的过程酸处理。操作要点：发酵终了醪液送入酵母分离机，分离相当醪液7%的酵母乳，将酵母乳送到酵母处理槽加硫酸至pH3，酸化6小时，然后与糖蜜稀释液一起混合进发酵罐。该技术传到巴西，所有的酒精工厂都利用。第43页，共52页，2023年，2月20日，星期二举例：例1：

日产120KL无水酒精，4个30KL酵母罐，1个25KL硫酸罐，15个100KL发酵罐，1个10KL糖蜜溶解罐，1个100KL醪液备用罐。3台离心分离机。设备总容积：1770KL第44页，共52页，2023年，2月20日，星期二例270年代用糖蜜连续酒精发酵，用2个发酵罐，罐径5m，高8.6m，总容积170m3，将6T废糖蜜稀释22KL，将pH调到5，灭菌。送到发酵罐，稳态后在第一、二个罐共停留时间10.5小时，第二个罐流出的醪液分离的酵母流入第一个罐，连续运行两周后，回收的酵母在pH2下浸泡1小时后再用。酒精度，第一个罐6.1，第二个罐8.4，pH4.7~4.8，100Kg废糖蜜出28~29L酒精。第45页，共52页，2023年，2月20日，星期二糖化醪CO2发酵成熟醪酒精连续发酵第46页，共52页，2023年，2月20日，星期二思考题：1、酒精间歇发酵一般用几个发酵罐？是怎样设计出来的？发酵罐的高径比是多少？发酵冷却用怎样的形式？2、啤酒露天发酵罐，高径比值是多少？为什么取较大的高径比？3、连续发酵为什么自动趋向稳态？4、为什么说稀释率是连续发酵的重要参数?5、酒精连续发酵为什么选用5-6个罐串联？为什么主要控制第一个罐？第47页，共52页，2023年，2月20日，星期二污水好氧连续发酵清液曝气池污泥沉淀池污泥循环泵污水污泥压缩空气第48页，共52页，2023年，2月20日，星期二卧式沼气发酵池出料进料第49页，共52页，2023年，2月20日，星期二连续发酵应用及控制要点

污水厌氧连续发酵上流式厌氧污泥床反应器（UASB）第50页，共5