第七章--生化反应器

北京理工大学•生命学院孙立权[e-mail]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：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Conventionallandfillafter30yearsBioreactorlandfillafter10yearsAerobic-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）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dtVCdVss)(rss0CCss0rdC-ttdt达到一定转化率的反应时间计算将动力学方程代入积分即求得反应时间。对米氏方程：ssmssCCKCC00mlntr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）VdtdCVLssr)-(1LssCCssLdC0r)-(1tL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。VdtdCVCVxxxrsx0xs0sYC-CCxCVdtdCVCVxxxrxx0xx0CCxsxssCCxxCC)dCC(KCdCtmsx0xs0sYC-CCxCxx0CCxsx0xs0xsx0xs0s)CYC-(C)dCYC-C(KtxmxCC6.2间歇操作搅拌反应器BSTR批操作时间：反应时间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brppttVCFboptrprpbrppbrpttCdtdCttCdtdCttV,20)()(dtdF单位时间产量：6.2间歇操作搅拌反应器BSTR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optssoptsmbroptssCKCrttCC,,,0rppdtdCr对较简单反应有解析解：如对酶反应米氏方程。)1)(()(r0msmssbrCKCCtt6.2间歇操作搅拌反应器BSTR间歇反应过程优化由此求得CsoptssmsssmCCKCCCK00bmln)(trssmssCCKCC00rmlntr又)1)(()(r0msmssbrCKCCtt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)，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：VsrFCFCss0)C(C1)C(C)C(CFrss0ss0ss0msDVD为稀释率，m为平均停留时间(空时)，是CSTR的重要设计与操作参数。酶反应单级CSTR6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)mCs0Cs1/rs)C(Cr1ss0smm比tr大，说明了什么？为什么？何时m比tr小？s0sCCssrrdCt间歇酶反应单级CSTR6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)固定化酶（固定床反应器，实际生产中更常用）VLsp)1(rFCFCss0)1()C(Crss0LspDspLSLmFVVFVr)C(C)1(1ss00酶反应单级CSTR6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)例题：对某一S→P的均相酶催化反应，假定该反应动力学方程符合M-M方程形式，且已知其Km=1.2mol/L，rm=3×10-2mol/(L·min)。根据设计要求年产产物P为72000mol，并已知CS0=2mol/L，XS=0.95。全年反应器的操作时间为7200h，其中BSTR的每一操作周期内所需辅助时间为2h，若分别采用BSTR和CSTR进行上述反应，试求所需反应器有效体积应为多少？解：对于间歇反应器：对于连续反应器中：二者相比，采用连续反应器制备同样产量的产物所需的反应器体积要小于间歇反应过程。细胞反应单级CSTR特点：进料中不含细胞，自身生长。为何完全由操作条件决定呢？D改变时发生什么变化使随之改变？该式成立条件是什么？D在多大范围内适用？VxrFCx细胞：底物：sxxsYCDV)CC(rFCFCss0ss0)CC(ss0sxxYC设计：由所需细胞浓度计算底物浓度，求出D进而得到反应器体积。xxCCrDxsssmCKCD6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)状态分析：DDKCCKCDmsssssm)CC(ss0sxxYC细胞反应单级CSTR6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)细胞反应单级CSTR6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)024681000.51DCsCxDCxCs随D增加，但最大到Cs0，此时Cx＝0，称为洗出状态(Washout)。此时稀释率为临界稀释率。00sssmcCKCDDCx01234500.51D)(20DDKDCYDCVFCPmsssxxxx0dDdPx)1(0sssmoptCKKD细胞反应单级CSTR单位时间单位反应器体积细胞产量细胞产率：最优稀释率：6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)基本方法：•物料衡算得速率与操作参数关系•代入动力学方程得状态与操作参数关系•分析其临界稀释率，根据优化目标分析最优稀释率细胞反应单级CSTR6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)固定化活细胞CSTR设计特点：细胞固定在载体上，因而液相细胞浓度不等于针对整个反应器的细胞浓度，而流出浓度等于液相浓度。6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)生长过程：细胞首先在载体表面生长达到一极限浓度(g/m2)则此时相对于整个反应器的固定化细胞浓度为(a:比表面积)，此后细胞开始在液相生长并流出，逐渐达一稳态。*xsC*,xsimxaCC固定化活细胞CSTR设计6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)细胞循环CSTR设计在分离器中细胞浓缩循环回到反应器中。F,Cs0Cx1,Cs1F,Cx2,Cs1Fr,Cxr,Cs1VFFr循环比：1xxrCC浓缩系数：已知F,V,Cs0。计算Cx1,Cx2,Cs1及Dc。6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)细胞衡算1xxrCC11)1(sssmCKCWDDWDWDKCmss1细胞循环CSTR设计VCFCxx12对整个系统：xrxxFCFCFC21)1(对分离器：12)1(xxCCF,Cs0Cx1,Cs1F,Cx2,Cs1Fr,Cxr,Cs1V6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)底物衡算VYWDCVYCVrCCFsxxsxxsss11110)()(101sssxxCCWYC12xxWCC)(101sssxxCCYC还是)(102sssxxCCYC？F,Cs0Cx1,Cs1F,Cx2,Cs1Fr,Cxr,Cs1V细胞循环CSTR设计6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)循环与不循环发酵结果的比较00.511.522.533.500.511.522.533.5D1,2,3,2,5.00smsKCCsCs1CxCx2DCxDCx2优点：临界稀释率增大，生产能力提高。001sssmcrcCKCWWDD细胞循环CSTR设计6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)非循环多级CSTR串联分类：单流多级，多流多级，带循环多级系统优点：解决不同生产阶段有不同生产要求的矛盾解决快速生长和营养物充分利用之间的矛盾计算：逐级物料衡算得出方程进行计算。以单流多级为例进行计算。6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)abcV1VnV2FCs0Cx1Cs1Cp1Cx2Cs2Cp2CxnCsnCpnFV1VnV2F1Cs01Cx1Cs1Cp1Cx2Cs2Cp2CxnCsnCpnFF2FnCs02Cs0nV1VnV2FCs0Cx1Cs1Cp1Cx2Cs2Cp2CxnCsnCpnFFr多级CSTR串联不同类型的多级CSTR操作a单级多流b多流多级c带循环的多级系统单流多级反应系统的计算：反应器间无返混；得率为常数。第一级与单级相同，从第二级开始增加细胞输入项多级CSTR串联6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)输入＝输出+积累+消耗两级恒化器物流图多级CSTR串联6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)得22212)1(sssmxxCKCCCD其中Cx1由第一级衡算得到VCFCFCxxx2212衡算方程：)(202sssxxCCYC由得率关系得：二方程二未知数可求解。多级CSTR串联6.3连续操作搅拌反应器(CSTR)两级恒化器各种物料平衡稳