第五章 生化反應(yīng)器.ppt

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1、第五章生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)器的分類(lèi)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程BSTR的設(shè)計(jì)CSTR的設(shè)計(jì)SBSTR的設(shè)計(jì)CPFR的設(shè)計(jì)各反應(yīng)器性能比較5.1反應(yīng)器的分類(lèi)可按操作方式能量的輸入方式：機(jī)械攪拌式和氣升式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征（H/D）：罐式、管式和塔式反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)類(lèi)型：全混流、活塞流分批操作連續(xù)操作半連續(xù)操作5.2反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程變量：控制體積：即建立衡算式的空間范圍，其原則是以反應(yīng)速率視為相同值的最大空間范圍作為控制體積，可以是微元體積，也可以是整個(gè)反應(yīng)器的有效體積。基本方程：物料衡算式、能量衡算式、動(dòng)量衡算式、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程輸

2、入量＝輸出量+反應(yīng)量+累積量自變量：時(shí)間和空間因變量：物料濃度、溫度、壓力5.3BSTR的設(shè)計(jì)BSTR的基本特點(diǎn)BSTR設(shè)計(jì)基本關(guān)系式不同反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)時(shí)間的求取反應(yīng)器有效體積的計(jì)算5.3.1基本特點(diǎn)因?yàn)榉磻?yīng)是一次進(jìn)料，反應(yīng)結(jié)束后一次出料，因此BSTR在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)液體積不變由于有高速攪拌裝置，因此物料混合均勻，即濃度處處相同，且只隨反應(yīng)時(shí)間的變化而變化控制體積為反應(yīng)器的有效體積5.3.2設(shè)計(jì)關(guān)系式對(duì)底物進(jìn)行物料衡算輸入=輸出+反應(yīng)消耗+累積即：-反應(yīng)消耗=累積5.3.3不同反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的求取均相酶反應(yīng)固定化酶反應(yīng)微生物

3、反應(yīng)1、均相酶反應(yīng)當(dāng)為單底物無(wú)抑制時(shí)，且酶無(wú)失活，將米氏方程代入積分得：當(dāng)酶有失活且滿足一級(jí)失活模型時(shí)，則，代入上式積分得當(dāng)體系中St>>Km時(shí)，當(dāng)2、固定化酶設(shè)反應(yīng)器中液相物料占有的體積分率為，單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗量為，累積項(xiàng)為，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)底物進(jìn)行物料衡算仍有：反應(yīng)＝－累積，即分離變量積分得注意在進(jìn)行積分時(shí)，須先求得的關(guān)系才能進(jìn)行，對(duì)于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，有效因子與轉(zhuǎn)化率無(wú)關(guān)，因此3、微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)過(guò)程以對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和減速期的時(shí)間作為反應(yīng)時(shí)間，，若對(duì)數(shù)期開(kāi)始時(shí)細(xì)胞濃度為X0,指數(shù)期末為X1，減速期末為X2，則在分批培養(yǎng)中對(duì)

4、菌體作物料衡算：生長(zhǎng)量＝累積量即給定邊界條件進(jìn)行積分得：在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，減速期細(xì)胞的生長(zhǎng)符合Monod方程，即，假定此時(shí)則，代入積分得但在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末的菌體濃度X1很難確定，而X2比較好測(cè)，所以從指數(shù)期到減速期末的總時(shí)間tr常采用近似法來(lái)求得，常采用下式：在微生物反應(yīng)過(guò)程中除對(duì)菌體作物料衡算外，也可以對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行衡算：生成量＝累積量，一般情況下，產(chǎn)物均有抑制作用，此時(shí)微生物生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)方程可表示為：，當(dāng)S>>Ks,n=1時(shí)，可簡(jiǎn)化為若產(chǎn)物與細(xì)胞的生長(zhǎng)完全相關(guān)，則由，則代入積分得：實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有產(chǎn)物抑制時(shí)產(chǎn)物濃度的最佳值為綜上所

5、述，反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)速率是有關(guān)聯(lián)的，凡是影響反應(yīng)速率的因素，均能影響反應(yīng)時(shí)間tr,即反應(yīng)時(shí)間只與動(dòng)力學(xué)有關(guān)，而與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)。5.3.4BSTR體積的計(jì)算反應(yīng)器的有效體積VR：是物料所占有的體積，是由物料的處理量決定的，也就是說(shuō)是由設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力決定的，若單位時(shí)間內(nèi)物料的處理量為V0，則，對(duì)于酶反應(yīng)過(guò)程，若設(shè)計(jì)要求單位時(shí)間內(nèi)得到的產(chǎn)物的產(chǎn)量為Pr，則反應(yīng)器的體積為例題在BSTR中進(jìn)行均相酶反應(yīng)，已知加入底物的初始濃度為S0=2mol/L，rmax=1.0mol/(Lmin)，Km=2mol/L，若要求每小時(shí)生產(chǎn)1000mol的

6、產(chǎn)品，底物轉(zhuǎn)化率為0.8，輔助操作時(shí)間為10分鐘，求反應(yīng)器的有效體積。解：根據(jù)5.4CSTR單級(jí)CSTR帶循環(huán)的CSTR多級(jí)串聯(lián)CSTR5.4.1單級(jí)CSTR特點(diǎn)均相酶反應(yīng)固定化酶反應(yīng)微生物反應(yīng)1、單級(jí)CSTR特點(diǎn)其基本特點(diǎn)：是穩(wěn)態(tài)操作的反應(yīng)器，反應(yīng)過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間、空間的變化而變化，因此累積項(xiàng)為0。同時(shí)CSTR又是一全混流反應(yīng)器，因此CSTR反應(yīng)時(shí)間為所有粒子的平均停留時(shí)間.整個(gè)反應(yīng)器的有效體積是控制體積。對(duì)底物作物料衡算：輸入＝輸出+反應(yīng)消耗2、均相酶反應(yīng)如果沒(méi)有抑制和失活，則將米氏方程代入得前面例題，若用CSTR

7、，則需要有效體積為多大？為什么同一個(gè)反應(yīng)過(guò)程，在其他條件均相同的條件下，采用BSTR所需的反應(yīng)時(shí)間要小于CSTR中的反應(yīng)時(shí)間？3、固定化酶反應(yīng)對(duì)固定化酶反應(yīng)過(guò)程中的底物進(jìn)行物料衡算時(shí)，仍要注意其反應(yīng)發(fā)生在固相。其物料衡算式為：4微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)具有自催化特性，反應(yīng)器具有返混的特點(diǎn)對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下的CSTR中的菌體作物料衡算有下式成立：進(jìn)入反應(yīng)器菌體+新生成的菌體＝流出的菌體重排后得D為稀釋率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)加入CSTR的新鮮料液的體積占反應(yīng)器總體積的分率，其大小可通過(guò)加料速率來(lái)調(diào)節(jié)。因而對(duì)于微生物反應(yīng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)D來(lái)控制相應(yīng)的

8、μ微生物反應(yīng)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)由基本設(shè)計(jì)關(guān)系式及得到反應(yīng)器出口菌體濃度與底物濃度之間的關(guān)系：由得反應(yīng)器出口底物濃度與操作變量D之間的關(guān)系為：，從而當(dāng)X=0時(shí)，S=S0，此時(shí)的狀態(tài)為洗脫狀態(tài)，無(wú)反應(yīng)發(fā)生，故存在有臨界稀釋率，5.4.2帶循環(huán)的CSTR單級(jí)CSTR因?yàn)榕R界稀釋率而使它的生產(chǎn)能力受