第5章 生化反应器的设计与分析

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1、生物反应工程习题精解第五章生化反应器的设计与分析第5章生化反应器的设计与分析一、基本内容：1、反应器的分类：按照多种方式进行分类，如采用操作方式分类可分为间歇反应器、连续反应器、半连续半间歇反应器；采用反应类型分类可分为细胞反应器、酶反应器两类；采用反应器的流型分可分为全混流反应器、活塞流反应器、非理想反应器；采用反应器形式分类可分为搅拌式反应器、气升式反应器、膜反应器、固定床反应器等。2、根据质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律，可以获得反应器设计的基本方程：输入＝输出＋变化＋积累。对于不同的组分和能量均可以采用此基本方程。如物料衡算

2、方程：进入体积单元的物质量＝流出体积单元的物质量＋体积单元转化的物质量＋体积单元的积累物质量3、对于间歇反应器（BSTR）来说，有两个特征：一是反应过程中无输入输出，二是反应器内物料混合均匀，可对整个反应器进行物料衡算。4、对于BSTR来说，所需要计算的内容包括：确定反应器体积，计算达到一定转化率时的反应时间；或是在一定处理量和反应时间的要求下确定反应器所需的XSdXS体积。反应时间的计算存在有基本通式：tC=。对于简单酶反应，可rSO∫0rS1采用rt=+CXKln来计算反应时间；对于固定化酶反应，当为一级maxrSOSm1−XS1−ε1

3、L不可逆反应时，可采用rtη=Kln，当固定化酶颗粒很小，η＝1maxrmε1−XLS1−ε1L时，可采用rt=+CXKln；对于细胞反应，可采用maxrSOSmε1−XLS1CXt=lnr。反应器体积的确定同样需要反应时间的计算，VV=()t+t，rR0rbµCmaxX0Pr其中tb是间歇反应所需辅助时间，V0=。CXSS05、对于连续搅拌槽式反应器（CSTR）来说，有四个特点：输入流量与输出流量相等；反应器体积不变；反应器内物料混合达到最大；出口处浓度等于反应器内浓度。38生物反应工程习题精解第五章生化反应器的设计与分析6、在CSTR中

4、进行的酶反应过程，其反应的平均停留时间由反应流量和反应器体积决定，而反应转化率由平均停留时间和反应动力学方程决定，因此，在反应CXSS0器体积一定时，可以通过调节进料量来控制反应的转化。通常可采用τ=mrSVR来进行计算，其中τ=。代入不同的酶动力学方程可获得不同的计算方程，mV0XS如简单酶反应动力学，rCτ=+XK；对于存在底物抑制，maxmSOSm1−XS2XCSSO2rCτ=+XK+(X−X)；对于固定化酶反应时，maxmSOSmSS1−XKSSIXSrCτη(1−=ε)X+K。maxmLSOSm1−XS7、在CSTR中进行细胞培养

5、，细胞的浓度决定了底物的消耗速率、产物的生成速率，因此首先要确定不同流量下的细胞浓度变化。但反应器处于稳态时，存在有两个基础方程：D=µ和C=Y(C−C)。由此细胞的生长特性与反应器的XX/SS0S操作变量在CSTR中相联系，通过调节反应器的流量来调节细胞的生长。同时可KDS计算反应器内的基质浓度和细胞浓度，即C=和Sµ−DmaxKDSCYC=−()。XX/SS0µ−DmaxµCmaxS08、虽然可以采用进料流量来调节细胞生长速率，但存在有上限，D=CKC+SS0为临界稀释率，当进料流量大于此值时，反应器内细胞将逐渐被洗出来。同时，KS针对

6、CSTR，存在有最佳稀释率D=−µ(1)，使得反应器单位时间optmaxKC+SS0单位体积的细胞产量最大。µ9、当CSTR带有外循环时，存在有D=，其中WR=(1+−Rβ)，R为循环比，Wβ为浓缩系数。由于外循环的存在，临界稀释率提高，允许的加料流量可提高；若加料流量不变，则可减小反应器体积。由于存在有浓缩系数，有利于提高基质的利用程度，提高了反应器的操作稳定性。39生物反应工程习题精解第五章生化反应器的设计与分析10、当两个CSTR串连时，第一个CSTR的计算可参照单级CSTR的方式计算，第二个CSTR的出口底物浓度可由一元二次方程求解

7、得到，其中只有一个是真实222KDKD2SS解。()µµ−−DC(C−+KDC)+=0maxSS20maxµµ−−DDSS2maxmax11、对于连续管式反应器（CPFR）来说，有四个特点：单向；轴向无返混，径向返混最大；输入流量与输出流量相等；活塞流流型。12、在CPFR中进行的酶反应过程，其酶反应的转化率与流经反应器的平均停留时间和反应动力学方程决定。因此，在反应器体积一定时，可以通过调节进料量XSdXVSR来控制反应的转化情况。通常可采用tC=来进行计算，其中τ=。rSO∫0mrVS0这与BSTR具有相似性，只是用平均停留时间τ替代了

8、反应时间t。mr113、在CPFR中进行的简单酶反应，可采用rCτ=+XKln来计算转maxmSOSm1−XS化率；当存在有底物抑制时，可采用21CrCτ=+XKln+SO(2X