第五章 生化反应器.ppt

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1、第五章生化反应器的设计反应器的分类反应器设计的基本方程BSTR的设计CSTR的设计SBSTR的设计CPFR的设计各反应器性能比较5.1反应器的分类可按操作方式能量的输入方式：机械搅拌式和气升式反应器的结构特征（H/D）：罐式、管式和塔式反应器内流体的流动类型：全混流、活塞流分批操作连续操作半连续操作5.2反应器设计的基本方程变量：控制体积：即建立衡算式的空间范围，其原则是以反应速率视为相同值的最大空间范围作为控制体积，可以是微元体积，也可以是整个反应器的有效体积。基本方程：物料衡算式、能量衡算式、动量衡算式、反应动力学方程输

2、入量＝输出量+反应量+累积量自变量：时间和空间因变量：物料浓度、温度、压力5.3BSTR的设计BSTR的基本特点BSTR设计基本关系式不同反应过程反应时间的求取反应器有效体积的计算5.3.1基本特点因为反应是一次进料，反应结束后一次出料，因此BSTR在反应过程中反应液体积不变由于有高速搅拌装置，因此物料混合均匀，即浓度处处相同，且只随反应时间的变化而变化控制体积为反应器的有效体积5.3.2设计关系式对底物进行物料衡算输入=输出+反应消耗+累积即：-反应消耗=累积5.3.3不同反应器反应时间的求取均相酶反应固定化酶反应微生物

3、反应1、均相酶反应当为单底物无抑制时，且酶无失活，将米氏方程代入积分得：当酶有失活且满足一级失活模型时，则，代入上式积分得当体系中St>>Km时，当2、固定化酶设反应器中液相物料占有的体积分率为，单位时间内底物的消耗量为，累积项为，对反应器内底物进行物料衡算仍有：反应＝－累积，即分离变量积分得注意在进行积分时，须先求得的关系才能进行，对于一级反应动力学，有效因子与转化率无关，因此3、微生物反应微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时间，，若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1，减速期末为X2，则在分批培养中对

4、菌体作物料衡算：生长量＝累积量即给定边界条件进行积分得：在对数生长期，减速期细胞的生长符合Monod方程，即，假定此时则，代入积分得但在对数生长期末的菌体浓度X1很难确定，而X2比较好测，所以从指数期到减速期末的总时间tr常采用近似法来求得，常采用下式：在微生物反应过程中除对菌体作物料衡算外，也可以对产物进行衡算：生成量＝累积量，一般情况下，产物均有抑制作用，此时微生物生长的动力学方程可表示为：，当S>>Ks,n=1时，可简化为若产物与细胞的生长完全相关，则由，则代入积分得：实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为综上所

5、述，反应过程与反应速率是有关联的，凡是影响反应速率的因素，均能影响反应时间tr,即反应时间只与动力学有关，而与反应器大小无关。5.3.4BSTR体积的计算反应器的有效体积VR：是物料所占有的体积，是由物料的处理量决定的，也就是说是由设计生产能力决定的，若单位时间内物料的处理量为V0，则，对于酶反应过程，若设计要求单位时间内得到的产物的产量为Pr，则反应器的体积为例题在BSTR中进行均相酶反应，已知加入底物的初始浓度为S0=2mol/L，rmax=1.0mol/(Lmin)，Km=2mol/L，若要求每小时生产1000mol的

6、产品，底物转化率为0.8，辅助操作时间为10分钟，求反应器的有效体积。解：根据5.4CSTR单级CSTR带循环的CSTR多级串联CSTR5.4.1单级CSTR特点均相酶反应固定化酶反应微生物反应1、单级CSTR特点其基本特点：是稳态操作的反应器，反应过程中状态参数不随时间、空间的变化而变化，因此累积项为0。同时CSTR又是一全混流反应器，因此CSTR反应时间为所有粒子的平均停留时间.整个反应器的有效体积是控制体积。对底物作物料衡算：输入＝输出+反应消耗2、均相酶反应如果没有抑制和失活，则将米氏方程代入得前面例题，若用CSTR

7、，则需要有效体积为多大？为什么同一个反应过程，在其他条件均相同的条件下，采用BSTR所需的反应时间要小于CSTR中的反应时间？3、固定化酶反应对固定化酶反应过程中的底物进行物料衡算时，仍要注意其反应发生在固相。其物料衡算式为：4微生物反应微生物反应具有自催化特性，反应器具有返混的特点对稳态条件下的CSTR中的菌体作物料衡算有下式成立：进入反应器菌体+新生成的菌体＝流出的菌体重排后得D为稀释率：单位时间内加入CSTR的新鲜料液的体积占反应器总体积的分率，其大小可通过加料速率来调节。因而对于微生物反应，可以通过调节D来控制相应的

8、μ微生物反应过程中的状态参数由基本设计关系式及得到反应器出口菌体浓度与底物浓度之间的关系：由得反应器出口底物浓度与操作变量D之间的关系为：，从而当X=0时，S=S0，此时的状态为洗脱状态，无反应发生，故存在有临界稀释率，5.4.2带循环的CSTR单级CSTR因为临界稀释率而使它的生产能力受