第5章 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析

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1、生物反應(yīng)工程習(xí)題精解第五章生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析第5章生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析一、基本內(nèi)容：1、反應(yīng)器的分類：按照多種方式進(jìn)行分類，如采用操作方式分類可分為間歇反應(yīng)器、連續(xù)反應(yīng)器、半連續(xù)半間歇反應(yīng)器；采用反應(yīng)類型分類可分為細(xì)胞反應(yīng)器、酶反應(yīng)器兩類；采用反應(yīng)器的流型分可分為全混流反應(yīng)器、活塞流反應(yīng)器、非理想反應(yīng)器；采用反應(yīng)器形式分類可分為攪拌式反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器等。2、根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律，可以獲得反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程：輸入＝輸出＋變化＋積累。對于不同的組分和能量均可以采用此基本方程。如物料衡算

2、方程：進(jìn)入體積單元的物質(zhì)量＝流出體積單元的物質(zhì)量＋體積單元轉(zhuǎn)化的物質(zhì)量＋體積單元的積累物質(zhì)量3、對于間歇反應(yīng)器（BSTR）來說，有兩個(gè)特征：一是反應(yīng)過程中無輸入輸出，二是反應(yīng)器內(nèi)物料混合均勻，可對整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。4、對于BSTR來說，所需要計(jì)算的內(nèi)容包括：確定反應(yīng)器體積，計(jì)算達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)的反應(yīng)時(shí)間；或是在一定處理量和反應(yīng)時(shí)間的要求下確定反應(yīng)器所需的XSdXS體積。反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算存在有基本通式：tC=。對于簡單酶反應(yīng)，可rSO∫0rS1采用rt=+CXKln來計(jì)算反應(yīng)時(shí)間；對于固定化酶反應(yīng)，當(dāng)為一級maxrSOSm1?XS1?ε1

3、L不可逆反應(yīng)時(shí)，可采用rtη=Kln，當(dāng)固定化酶顆粒很小，η＝1maxrmε1?XLS1?ε1L時(shí)，可采用rt=+CXKln；對于細(xì)胞反應(yīng)，可采用maxrSOSmε1?XLS1CXt=lnr。反應(yīng)器體積的確定同樣需要反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算，VV=()t+t，rR0rbμCmaxX0Pr其中tb是間歇反應(yīng)所需輔助時(shí)間，V0=。CXSS05、對于連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器（CSTR）來說，有四個(gè)特點(diǎn)：輸入流量與輸出流量相等；反應(yīng)器體積不變；反應(yīng)器內(nèi)物料混合達(dá)到最大；出口處濃度等于反應(yīng)器內(nèi)濃度。38生物反應(yīng)工程習(xí)題精解第五章生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析6、在CSTR中

4、進(jìn)行的酶反應(yīng)過程，其反應(yīng)的平均停留時(shí)間由反應(yīng)流量和反應(yīng)器體積決定，而反應(yīng)轉(zhuǎn)化率由平均停留時(shí)間和反應(yīng)動力學(xué)方程決定，因此，在反應(yīng)CXSS0器體積一定時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)料量來控制反應(yīng)的轉(zhuǎn)化。通?？刹捎忙?mrSVR來進(jìn)行計(jì)算，其中τ=。代入不同的酶動力學(xué)方程可獲得不同的計(jì)算方程，mV0XS如簡單酶反應(yīng)動力學(xué)，rCτ=+XK；對于存在底物抑制，maxmSOSm1?XS2XCSSO2rCτ=+XK+(X?X)；對于固定化酶反應(yīng)時(shí)，maxmSOSmSS1?XKSSIXSrCτη(1?=ε)X+K。maxmLSOSm1?XS7、在CSTR中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)

5、，細(xì)胞的濃度決定了底物的消耗速率、產(chǎn)物的生成速率，因此首先要確定不同流量下的細(xì)胞濃度變化。但反應(yīng)器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，存在有兩個(gè)基礎(chǔ)方程：D=μ和C=Y(C?C)。由此細(xì)胞的生長特性與反應(yīng)器的XX/SS0S操作變量在CSTR中相聯(lián)系，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的流量來調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長。同時(shí)可KDS計(jì)算反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度和細(xì)胞濃度，即C=和Sμ?DmaxKDSCYC=?()。XX/SS0μ?DmaxμCmaxS08、雖然可以采用進(jìn)料流量來調(diào)節(jié)細(xì)胞生長速率，但存在有上限，D=CKC+SS0為臨界稀釋率，當(dāng)進(jìn)料流量大于此值時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞將逐漸被洗出來。同時(shí)，KS針對

6、CSTR，存在有最佳稀釋率D=?μ(1)，使得反應(yīng)器單位時(shí)間optmaxKC+SS0單位體積的細(xì)胞產(chǎn)量最大。μ9、當(dāng)CSTR帶有外循環(huán)時(shí)，存在有D=，其中WR=(1+?Rβ)，R為循環(huán)比，Wβ為濃縮系數(shù)。由于外循環(huán)的存在，臨界稀釋率提高，允許的加料流量可提高；若加料流量不變，則可減小反應(yīng)器體積。由于存在有濃縮系數(shù)，有利于提高基質(zhì)的利用程度，提高了反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性。39生物反應(yīng)工程習(xí)題精解第五章生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析10、當(dāng)兩個(gè)CSTR串連時(shí)，第一個(gè)CSTR的計(jì)算可參照單級CSTR的方式計(jì)算，第二個(gè)CSTR的出口底物濃度可由一元二次方程求解

7、得到，其中只有一個(gè)是真實(shí)222KDKD2SS解。()μμ??DC(C?+KDC)+=0maxSS20maxμμ??DDSS2maxmax11、對于連續(xù)管式反應(yīng)器（CPFR）來說，有四個(gè)特點(diǎn)：單向；軸向無返混，徑向返混最大；輸入流量與輸出流量相等；活塞流流型。12、在CPFR中進(jìn)行的酶反應(yīng)過程，其酶反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與流經(jīng)反應(yīng)器的平均停留時(shí)間和反應(yīng)動力學(xué)方程決定。因此，在反應(yīng)器體積一定時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)料量XSdXVSR來控制反應(yīng)的轉(zhuǎn)化情況。通?？刹捎胻C=來進(jìn)行計(jì)算，其中τ=。rSO∫0mrVS0這與BSTR具有相似性，只是用平均停留時(shí)間τ替代了

8、反應(yīng)時(shí)間t。mr113、在CPFR中進(jìn)行的簡單酶反應(yīng)，可采用rCτ=+XKln來計(jì)算轉(zhuǎn)maxmSOSm1?XS化率；當(dāng)存在有底物抑制時(shí)，可采用21CrCτ=+XKln+SO(2X