第七章 生化反应器

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1、北京理工大学•生命学院孙立权slq@bit.edu.cn第七章生化反应器分析与设计反应器的流动状态连续操作的反应器活塞流反应器(CPFR)填充床反应器膜反应器管式反应器全混式反应器（CSTR）搅拌罐反应器非理想反应器反应器设计和操作参数停留时间τ反应器体积VR转化率φ=(CS0-CS)/CS0生产能力(生产强度)PX:单位时间单位体积的细胞的生产量(kgm-3h-1)。第06章理想流动生化反应器分析与设计概述间歇操作搅拌反应器BSTR连续操作搅拌反应器(CSTR)连续操作管式反应器（CPFR）半间歇搅拌槽式反应器6.1概述生物反应器的设计目标：

2、产品质量高，成本低动力学研究目的：预测过程变化用于过程控制：强调实时性，参数随时校正用于反应器设计：计算反应时间与体积主要成本1.转化成本和原料成本2.回收成本3.运行成本反应器要求高生产能力，高回收率产物浓度高，杂质少高生产能力细胞分解代谢产物生物转化细胞成分生物合成产物废水处理生物处理面包酵母，单细胞蛋白酒精，甲烷，乳酸高果糖浆，6－氨基青霉烷酸细胞内蛋白抗生素，维生素氨基酸和有机酸活性污泥，厌氧降解肝素降解，光学拆分产品举例6.1概述6.1概述结构特征分类STR固定床管式反应器6.1概述鼓泡塔BC气升式ALR喷射环流式JLR6.1概述Co

3、nventionallandfillafter30yearsBioreactorlandfillafter10yearsAerobic-AnaerobicBioreactor6.1概述11微生物反应器微生物培养过程根据是否要求供氧，分为厌氧和好氧培养。前者主要采用不通氧的深层培养；后者采用以下几种方法：液体表面培养(如使用浅盘）通风固态发酵通氧深层培养就操作方式而言，深层培养可分为：(1)分批式操作(2)反复分批式操作(3)半分批式操作(4)反复半分批式操作(5)连续式操作6.1概述选择合适反应器型式结构及操作方式(反应与物料性质，生产工艺

4、）确定最佳操作条件及控制方式(pH、温度等)计算所需反应器体积，设计各种结构参数6.1概述生物反应器设计的内容基本设计方程针对特定空间特定变量的物料、能量衡算方程控制体积选择原则：该体积内状态可视为一定值，不随空间变化。(微元，总体积？）输入＝输出＋消耗＋累积6.1概述第06章理想流动生化反应器分析与设计概述间歇操作搅拌反应器BSTR连续操作搅拌反应器(CSTR)连续操作管式反应器（CPFR）半间歇搅拌槽式反应器6.2间歇操作搅拌反应器BSTR输入＝输出＋消耗＋累积对于间歇反应，无输入输出项：反应速率＝累积速率简单酶反应达到一定转化率的反应时间

5、计算将动力学方程代入积分即求得反应时间。对米氏方程：同积分法参数估值。达到一定转化率的反应时间计算6.2间歇操作搅拌反应器BSTR式中X为转化率反应在固相，而积累则表现为液相浓度变化（固相可略）仅一级不可逆反应时，有效因子与底物浓度无关，可作为常数提出。注意rs中参数针对固相。固定化酶反应6.2间歇操作搅拌反应器BSTR例题解：计算k+2的数值，确定在不同酶浓度时的rm值，最后使用分批酶反应速率公式，计算所需要时间6.2间歇操作搅拌反应器BSTR微生物反应对底物、细胞、产物分别建立衡算方程。6.2间歇操作搅拌反应器BSTR批操作时间：反应时

6、间tr＋辅助时间tb谷氨酸发酵罐设计：要求生产能力达到8000吨/年（320天），发酵时间36h，辅助时间12h，最终产物浓度为9%，计算所需反应器有效体积。每天：8000/320=25t/d每次周期：36+12＝48=2days反应器体积：V=25*2/0.09=556m36.2间歇操作搅拌反应器BSTR解：6.2间歇操作搅拌反应器BSTR优化目标：产物浓度最大（后处理成本较高的产品）生产率（单位时间产量）最高（降低运行费用）得率最大（原料较贵〕优化变量：反应时间，培养基组成、pH、温度间歇反应过程优化单位时间产量：6.2间歇操作搅拌反应器B

7、STR间歇反应过程优化tr,opttb图解法计算最优反应时间：tcp6.2间歇操作搅拌反应器BSTR间歇反应过程优化对较简单反应有解析解：如对酶反应米氏方程。6.2间歇操作搅拌反应器BSTR间歇反应过程优化由此求得Csopt又6.2间歇操作搅拌反应器BSTR间歇反应过程优化第06章理想流动生化反应器分析与设计概述间歇操作搅拌反应器BSTR连续操作搅拌反应器(CSTR)连续操作管式反应器（CPFR）半间歇搅拌槽式反应器6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)连续进料出料且流量相同组成不变，累积项为0(定态)，恒化器Chemostat完全混合(全混流)

8、，出料组成与反应器内相同反应器体积计算及一定操作条件下状态确定FCs0FCsCxCpV6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)底物衡算：D为稀释率，m为