第七章 生化反應(yīng)器

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1、北京理工大學(xué)?生命學(xué)院孫立權(quán)slq@bit.edu.cn第七章生化反應(yīng)器分析與設(shè)計(jì)反應(yīng)器的流動(dòng)狀態(tài)連續(xù)操作的反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器(CPFR)填充床反應(yīng)器膜反應(yīng)器管式反應(yīng)器全混式反應(yīng)器（CSTR）攪拌罐反應(yīng)器非理想反應(yīng)器反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作參數(shù)停留時(shí)間τ反應(yīng)器體積VR轉(zhuǎn)化率φ=(CS0-CS)/CS0生產(chǎn)能力(生產(chǎn)強(qiáng)度)PX:單位時(shí)間單位體積的細(xì)胞的生產(chǎn)量(kgm-3h-1)。第06章理想流動(dòng)生化反應(yīng)器分析與設(shè)計(jì)概述間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR連續(xù)操作攪拌反應(yīng)器(CSTR)連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）半間歇攪拌槽式反應(yīng)器6.1概述生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

2、產(chǎn)品質(zhì)量高，成本低動(dòng)力學(xué)研究目的：預(yù)測(cè)過(guò)程變化用于過(guò)程控制：強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，參數(shù)隨時(shí)校正用于反應(yīng)器設(shè)計(jì)：計(jì)算反應(yīng)時(shí)間與體積主要成本1.轉(zhuǎn)化成本和原料成本2.回收成本3.運(yùn)行成本反應(yīng)器要求高生產(chǎn)能力，高回收率產(chǎn)物濃度高，雜質(zhì)少高生產(chǎn)能力細(xì)胞分解代謝產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化細(xì)胞成分生物合成產(chǎn)物廢水處理生物處理面包酵母，單細(xì)胞蛋白酒精，甲烷，乳酸高果糖漿，6－氨基青霉烷酸細(xì)胞內(nèi)蛋白抗生素，維生素氨基酸和有機(jī)酸活性污泥，厭氧降解肝素降解，光學(xué)拆分產(chǎn)品舉例6.1概述6.1概述結(jié)構(gòu)特征分類(lèi)STR固定床管式反應(yīng)器6.1概述鼓泡塔BC氣升式ALR噴射環(huán)流式JLR6.1概述Co

3、nventionallandfillafter30yearsBioreactorlandfillafter10yearsAerobic-AnaerobicBioreactor6.1概述11微生物反應(yīng)器微生物培養(yǎng)過(guò)程根據(jù)是否要求供氧，分為厭氧和好氧培養(yǎng)。前者主要采用不通氧的深層培養(yǎng)；后者采用以下幾種方法：液體表面培養(yǎng)(如使用淺盤(pán)）通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵通氧深層培養(yǎng)就操作方式而言，深層培養(yǎng)可分為：(1)分批式操作(2)反復(fù)分批式操作(3)半分批式操作(4)反復(fù)半分批式操作(5)連續(xù)式操作6.1概述選擇合適反應(yīng)器型式結(jié)構(gòu)及操作方式(反應(yīng)與物料性質(zhì)，生產(chǎn)工藝

4、）確定最佳操作條件及控制方式(pH、溫度等)計(jì)算所需反應(yīng)器體積，設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)6.1概述生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的內(nèi)容基本設(shè)計(jì)方程針對(duì)特定空間特定變量的物料、能量衡算方程控制體積選擇原則：該體積內(nèi)狀態(tài)可視為一定值，不隨空間變化。(微元，總體積？）輸入＝輸出＋消耗＋累積6.1概述第06章理想流動(dòng)生化反應(yīng)器分析與設(shè)計(jì)概述間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR連續(xù)操作攪拌反應(yīng)器(CSTR)連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）半間歇攪拌槽式反應(yīng)器6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR輸入＝輸出＋消耗＋累積對(duì)于間歇反應(yīng)，無(wú)輸入輸出項(xiàng)：反應(yīng)速率＝累積速率簡(jiǎn)單酶反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)時(shí)間

5、計(jì)算將動(dòng)力學(xué)方程代入積分即求得反應(yīng)時(shí)間。對(duì)米氏方程：同積分法參數(shù)估值。達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR式中X為轉(zhuǎn)化率反應(yīng)在固相，而積累則表現(xiàn)為液相濃度變化（固相可略）僅一級(jí)不可逆反應(yīng)時(shí)，有效因子與底物濃度無(wú)關(guān)，可作為常數(shù)提出。注意rs中參數(shù)針對(duì)固相。固定化酶反應(yīng)6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR?例題解：計(jì)算k+2的數(shù)值，確定在不同酶濃度時(shí)的rm值，最后使用分批酶反應(yīng)速率公式，計(jì)算所需要時(shí)間?6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR微生物反應(yīng)對(duì)底物、細(xì)胞、產(chǎn)物分別建立衡算方程。6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR批操作時(shí)間：反應(yīng)時(shí)

6、間tr＋輔助時(shí)間tb谷氨酸發(fā)酵罐設(shè)計(jì)：要求生產(chǎn)能力達(dá)到8000噸/年（320天），發(fā)酵時(shí)間36h，輔助時(shí)間12h，最終產(chǎn)物濃度為9%，計(jì)算所需反應(yīng)器有效體積。每天：8000/320=25t/d每次周期：36+12＝48=2days反應(yīng)器體積：V=25*2/0.09=556m36.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR解：6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR優(yōu)化目標(biāo)：產(chǎn)物濃度最大（后處理成本較高的產(chǎn)品）生產(chǎn)率（單位時(shí)間產(chǎn)量）最高（降低運(yùn)行費(fèi)用）得率最大（原料較貴〕優(yōu)化變量：反應(yīng)時(shí)間，培養(yǎng)基組成、pH、溫度間歇反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化單位時(shí)間產(chǎn)量：6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器B

7、STR間歇反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化tr,opttb圖解法計(jì)算最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間：tcp6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR間歇反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化對(duì)較簡(jiǎn)單反應(yīng)有解析解：如對(duì)酶反應(yīng)米氏方程。6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR間歇反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化由此求得Csopt又6.2間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR間歇反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化第06章理想流動(dòng)生化反應(yīng)器分析與設(shè)計(jì)概述間歇操作攪拌反應(yīng)器BSTR連續(xù)操作攪拌反應(yīng)器(CSTR)連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）半間歇攪拌槽式反應(yīng)器6.3連續(xù)操作攪拌反應(yīng)器(CSTR)連續(xù)進(jìn)料出料且流量相同組成不變，累積項(xiàng)為0(定態(tài))，恒化器Chemostat完全混合(全混流)

8、，出料組成與反應(yīng)器內(nèi)相同反應(yīng)器體積計(jì)算及一定操作條件下?tīng)顟B(tài)確定FCs0FCsCxCpV6.3連續(xù)操作攪拌反應(yīng)器(CSTR)底物衡算：D為稀釋率，?m為