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第六章 理想流动生化反应器 反应器的流动状态 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=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积的细胞的生产量(kg m-3 h-1) 6.1 间歇操作搅拌反应器　　Batch Stirred Tank Reactor, BSTR 例 在一间歇操作的反应器内进行一均相的无抑制的酶催化反应，已经测得该酶催化反应的动力学参数为k+2=1min-1，Km=2mol/L，加入酶的初始浓度E0=1mol/L。加入反应底物的初始浓度为2mol/L。试求 要求每1h生产某产品1000mol。反应底物的转化率为0.80，并且每一操作周期内所需要的辅助时间为10min。此时所需要的反应器有效体积VR为多少？ 6.2 连续操作搅拌反应器　　Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR 例 以甘露醇为限制性基质培养大肠杆菌，其动力学方程为:已知Si=6g/L,YX/S=0.1求(1) 当甘露醇溶液以1L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少？　(2) 如果寻求使大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大，试求最佳加料速率为多少？大肠杆菌的生长速率为多大？ 6.3 带有细胞循环的CSTR 6.4 连续活塞流反应器 Continuous Plug Flow Reactor, CPFR 6.4 连续操作的管式反应器(理想活塞流反应器)　　（Continuous Plug Flow Reactor, CPFR） CPFR反应时间的计算 §6.6补料分批操作反应器 反应器中的培养体积在不断地变化，组分的浓度也是随时间变化，因此衡算往往以总量变化来进行操作方式：分批培养使底物将耗尽时，补料开始进行。 假设：基质的消耗仅用于合成菌体 §6.6.1　对于恒速补料过程 F=constant 在进入拟稳态后，细胞的生长进入基质限制生长状态，在这个过程中由于VR在不断变化，因此D在变化，μ也是随着时间而变化的。 §6.6.2　对于指数补料过程 活塞流 滞流 湍流 d L 现实中不存在， 层流比较接近活塞流。 全混流 是种理想的流动模型。 Si So input output V =Vi V =Vo 平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器中的停留时间都是相同的。 返混：停留时间不同的微元体之间的“混合”。 CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全混流反应器， CPFR是另一个极端，在反应器中不存在返混，是活塞流反应器。 主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。 优点：较高的产率，易优化控制 对CPFR微元中的反应组分进行物料衡算 输入量＝输出量+反应量 V S ＝V (S + dS ) + dVRrS 所以　　-V dS = dVRrS 得到 　　　由于τP=VR/V dVR dL S S +dS Si So input output V =Vi V =Vo (5-25) (5-26) CPFR的反应时间计算与BSTR相同， 但不同于CSTR (5-26) τP So Si τP So Si 酶催化反应过程 细胞反应过程 (a) 酶促催化反应的反应时间计算 代入式5-26，积分后得到 与BSTR反应器的反应时间关系式式5-6相似 (5-27) (b) 培养细胞时的反应时间计算 对细胞生长来说， dVR dL S S +dS Si Xi=0 So Xo input output V V (5-28) (c) 带有循环的CPFR CPFR在轴向上无返混，因此在进行细胞反应时，必须向反应器中不断地接种,否则细胞将被洗出. 一般情况下不单独使用CPFR 解决方法： 在CPFR加上循环 与CSTR组合起来使用 dVR dL S S +dS Si Xi=0 So=S2 Xo=X2 input output V V V1 V1 S1 X1 S2 X2 V2, S2, X2 M 当有循环时，上述基本关系式仍然成立，但物料出入口的体积流量和物料浓度发生了改变。 带有循环时培养细胞时的反应时间计算 τP So Si R=V2/V dVR dL S S +dS Si Xi=0 So=S2 Xo=X2 input output V V V1 V1 S1 X1 S2 X2 V2, S2, X2 M 定义循环比R＝V2/V, 则反应器入口处物料处理量为 V1＝V+V2＝V(1+R) 反应器入口处的浓度可通过做M点物料平衡求出 VSi+RVSo＝V1S1＝V(1+R)S1 代入式5-26，得到， (5-29) (5-30