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1、第六章理想流动生化反应器1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2本章内容反应器设计和操作参数间歇操作搅拌反应器连续操作搅拌反应器带有细胞循环搅拌反应器连续活塞流反应器连续操作的管式反应器BSTR、CSTR和CPFR的性能比较36.1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(kgm-3h-1)46.2间歇操作搅拌反应器BatchStirredTankReactor
2、,BSTR反应时间的计算：特征：无物料输入和输出，物料充分混合问题：将底物S0转化至S所需的反应时间？根据反应速率定义式：积分初始条件：t=0,S=S0;分离变量积分得，SubstratesCellorenzyme(5-1)(5-2)5(a).对于均相酶促催化反应，因此，积分得到，(5-3)(5-4)(5-5)(5-6)M-M方程6对于单底物酶促反应BSTR的反应器，图解法7(b).对于细胞反应，延滞期，对数生长期，减速期，静止期。对数生长期细胞生长时间的计算.(5-7)代入积分式后积分得到对数生长期，比生长速率达到最大(5-8)(5-9)8减
3、速期细胞生长时间的计算.假设底物全部用于合成菌体，则：减速期，比生长速率受到底物浓度的限制代入积分式得：9BSTR图解法求反应时间t反应体积对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。X0X10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
4、为10min。此时所需要的反应器有效体积VR为多少？解：先求出达到一定转化率所需反应时间，本反应符合M-M方程，得（1）代入（1）反应器有效体积和为单位时间内得到产物的量反应器在单位时间内所应处理的物料体积116.2连续操作搅拌反应器ContinuousStirredTankReactor,CSTRViSiVoSoPoinputoutputVRSE物料平衡方程：对于底物S(5-14)变换方程得到：平均停留时间反应物料进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间(5-15)(5-16)12CSTR的反应时间图示求解反应物料进入反应器时算起，至
5、离开反应器时为止所经历的时间τmViSiVoSoPoinputoutputVRSEPSiS,Soτm酶反应过程细胞反应过程τmS,SoSi13对于CSTR中的酶促反应：(5-17)代入平均停留时间公式得:(5-18)变换后得到：(5-19)因此，也可以用稀释率D可以算出反应器中底物的浓度。14对于CSTR中的细胞生长反应：ViSiVoSoXoPoinputoutputVRSXP恒化器恒浊器细胞生长反应是一种自催化反应(a)对细胞浓度X进行物料衡算：细胞质量增加速率流出细胞细胞生长速率(5-20)15(5-21)对于单级CSTR,稳态条件下，应存
6、在因此，(5-22)对于单级CSTR,稳态条件下，应存在16对于单级CSTR,稳态条件下，应存在(b)类似地对于底物S作物料平衡计算：(5-23)从式5-22知,因此,从式5-22,5-23可得,(5-22)(5-24)17变换方程可得到求解S和X的公式,5-265-27生产强度对于单级CSTR,在稳态条件下,(5-25)18DCXPX=DXX=YX/S(Si-S)SiDDopt要使PX达到最大，令dPX/dD=0,得到Dopt当D达到临界稀释率(DC)时,S=Si,细胞浓度为0,反应器不能正常操作.生产强度PX=DX19因此，在CSTR连续培
7、养细胞时，稀释率D是有限制的。一般认为，当D＜Dc＜μm时，才存在一稳定操作状态。(c)对于产物P作物料平衡计算：与细胞生长方程式5-21类似，可得到，所以得到CSTR条件下的总衡算方程组稳态条件下20(d)P与X的相关关系产物合成类型生长偶联型生长非偶联型 生长半偶联型XPDPPDPXPDPXDDDXPDP21(e)反应时间,即平均停留时间22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
8、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？解:在CSTR中，稳态时有，因
