第四章-生物反应器的操作模型

生物反应工程戚以政王炳武北京化工大学生命科学与技术学院第四章

生物反应器的操作模型

（12学时）4.1操作模型概论一、生化反应器的分类按生物催化剂分按操作方式分酶反应器细胞反应器间歇操作连续操作补料（流加）操作生化反应器的分类（续）按结构分（高径比）釜式（槽式）管式生化反应器的分类（续）按能量的输入方式分搅拌式气升式自吸式喷射式机械搅拌罐气升式把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质自吸式转子内部液体被甩出，形成负压生化反应器的分类（续）按反应器内流动与混合状态分（返混：具有不同停留时间的物料之间的混合）理想流动反应器（活塞流、全混流）非理想流动反应器（槽列模型、一维扩散模型、组合模型）反应器设计基本方程物料衡算式基质产物细胞能量衡算式4.2分批操作的搅拌槽式反应器

（BSTR）反应时间的计算反应器有效容积的确定间歇反应过程的优化间歇操作的特点物料一次性加入，一次性排出反应时间tr、辅助时间tb

浓度仅随时间变化，与位置无关非稳态过程一、反应时间tr的计算物料衡算式（对基质）通式均相酶催化反应固定化酶催化反应二、反应器有效容积的确定要求反应器在单位时间内所应处理的物料体积为V0要求反应器在单位时间内得到的产物的量为Pr三、间歇反应过程的优化产率：单位时间产物的产量四、反复分批操作4.3连续操作的搅拌槽式反应器

（CSTR）4.3.1连续操作的特点原料连续输入，产物连续流出组成不随时间、位置变化返混最大稳态操作容易受到杂菌污染容易发生菌种退化变异4.3.2酶催化反应均相酶催化反应固定化酶催化反应4.3.3细胞反应对细胞进行物料衡算临界稀释率DC优化操作要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大

4.3.4带循环的CSTR对细胞进行物料衡算基质浓度细胞浓度产物浓度临界稀释率单级和带循环CSTR的比较稀释率基质浓度细胞浓度产物浓度临界稀释率CSTR与膜过滤组合废水生物处理系统4.3.5多级CSTR串联单流多级的前提条件1）一股进料，稳态操作；2）各个CSTR体积相等；3）每一个反应器内为全混流，各个反应器之间没有返混；4）各个反应器的操作条件相同，得率系数为常数。二级CSTR串联两级CSTR串联的参数变化曲线作图估计多级CSTR串联参数4.4连续操作的管式反应器

（CPFR）连续操作管式流动反应器的特点L>>D相同方向，相同速度轴向速率相同，无返混停留时间相同垂直截面上浓度均一且不随时间变化浓度是位置L的函数对基质物料衡算CSTRCPFR4.4.2酶催化反应一级反应球状固定化酶膜状固定化酶CPFR和CSTR、BSTR的比较浓度曲线的比较反应方程式的比较反应器有效容积的比较CPFR与CSTR、BSTR的比较反应器有效容积的比较相同反应条件下达到相同转化率所需反应器体积游离酶催化反应产物抑制底物抑制优化4.4.3CPFR与CSTR串联4.4.4带细胞循环的CPFR最佳进口浓度的确定存在底物和产物抑制时的CPFR最佳加料出料方式4.5补料分批操作反应器

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