连续式操作反应器

连续式操作反应器概述第6章连续式操作反应器连续操作管式反应器（CPFR）半间歇半连续操作的生化反应器连续操作搅拌式反应器（CSTR）膜式酶反应器第2页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章连续式操作反应器>>

6.1概述一、连续操作的特点1、连续操作的生物反应器类型？第3页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章连续式操作反应器>>

6.1概述一、连续操作的特点2、连续操作的特点？3、连续操作的优缺点？第4页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述

◆CSTR主要特征为：底物连续稳定地流加到CSTR内，同时产物连续稳定地由CSTR排出，使得CSTR内的反应液体积维持恒定；◆CSTR内的所有质点的物理化学性质是一致的，即各质点的温度等物理性质和化学组成是一致的；(定态操作)◆

CSTR内的反应液中的各组分的浓度不随时间变化。二、理想流动反应器的模型方程两种理想流动反应器模型？CSTR，CPFR第5页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述V0，CS0，CX0V0，CS，CXVR，CS，CX二、理想流动反应器的模型方程流入速率=流出速率+反应消耗速率+累积量对底物S的物料衡算式：1、CSTR基本设计方程第6页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述二、理想流动反应器的模型方程在连续稳定态时，图解法161图6-31、CSTR基本设计方程第7页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述二、理想流动反应器的模型方程对底物S的物料衡算式：在连续稳定态时，图解法162图6-52、CPFR基本设计方程dVRcs0V0cS+dcSV0V0cscsf对整个反应器：第8页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述二、理想流动反应器的模型方程3、CSTR与CPFR操作特性比较CSTR：反应器组分被稀释，微元体在反应器中的停留时间不相同，返混达到最大。见P162图6-6ACPFR：在反应器内组分浓度逐渐降低，微元体在反应器中的停留时间相同，返混为零。见P162图6-6A实际的连续操作生物反应器能否达到最理想？？第9页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）1、酶促反应的单级CSTR的反应方程一、单级CSTR的生化反应特征对均相的酶促反应，且反应符合M-M的动力学方程，则：或第10页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）1、酶促反应的单级CSTR的反应方程一、单级CSTR的生化反应特征以同样的方法可得到竞争性抑制的酶促反应的反应时间与转化率的关系式◆非竞争性抑制的酶促反应的反应时间与转化率的关系式:◆P163式6-10P163式6-11第11页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）高浓度底物抑制的酶促反应的反应时间与转化率的关系式:1、酶促反应的单级CSTR的反应方程一、单级CSTR的生化反应特征◆P163式6-9第12页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）对固定化酶反应：1、酶促反应的单级CSTR的反应方程一、单级CSTR的生化反应特征◆对底物：P163式6-13若反应符合M-M动力学第13页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）单级CSTR细胞反应的两种方式第14页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征1）细胞在单级CSTR中的质量平衡式为:即:流入-流出+生长=累积定义单级CSTR的稀释速率，稀释速率的单位为1/h，第15页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征所以单级CSTR的反应过程中处于稳定状态时，有:cX=Yx/s(cS0-cS)因YX/S、CS0、mmax、KS均为常数，所以CS均依赖于操作的D

。单级CSTR的反应过程中处于稳定状态下，有:第16页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征2）对单级CSTR进行底物的质量平衡，有:即:流入-流出-消耗=累积第17页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征2）对单级CSTR进行底物的质量平衡单级CSTR在稳定状态下，有:第18页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）且则单级CSTR在稳定状态下的底物平衡关系为:一、单级CSTR的生化反应特征（3）细胞反应的单级CSTR的反应特征2）对单级CSTR进行底物的质量平衡，有:第19页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）3）对单级CSTR进行产物的质量平衡，有:单级CSTR在稳定状态下，有:一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征流入-流出+生成=累积第20页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征如何得到最大细胞产率？？定义细胞的生产能力第21页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）为求得对稀释速率D的最大的细胞生产能力，令一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征有最佳的稀释速率第22页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征

2、细胞反应的单级CSTR的反应特征可知，由于大多数的细胞反应的CS0远大于KS，很小，所以Dopt就在Dc的附近且小于Dc。单级CSTR的稀释速率D与底物浓度CS、细胞浓度CX、生产能力Pr的关系如p166图6-7.由式当稀释速率D=Dc=mmax，且在CSTR内的细胞浓度CX=0，Dc称为临界稀释速率，稀释速率D≥Dc的操作为“冲出”。

第23页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征（3）细胞反应的单级CSTR的反应特征当D很小时，CS0，CX=YX/SCS0，若D，CX

，当D=DC=μmax，CX=0，CSCS0。达到清洗点。分析右图中,对cs与D的关,CX对D的关系，PX对D的关系。cs0第24页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）一、单级CSTR的生化反应特征2、细胞反应的单级CSTR的反应特征如果，cs0>>Ks,思考：只有当D处于多大时，才存在稳态？？在CSTR设计时，必须同时满足第25页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）2、细胞反应的单级CSTR的反应特征对Mond动力学恒化器的归纳：为达到一定的细胞浓度所要求加入培养基中的底物浓度求法：P173例6-1第26页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）二、带细胞循环的单级CSTR细胞反应特征V0，CS0，CX0V0+Vr，CS1，CX1VR，CS，CX浓细胞液

Vr,cXr,cS1连续分离器V0cXfcS1若定义：物料循环比：细胞浓缩系数：第27页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）细胞在部分再循环CSTR中的质量平衡式为：二、带细胞循环的单级CSTR反应特征输入量+循环量+生长量=输出量？即第28页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）即二、部分再循环CSTR的细胞反应特征对底物S做衡算：输入+循环=消耗+输出无循环时，CX=？第29页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）二、部分再循环CSTR的细胞反应特征同样可推得：与无循环操作比较，循环操作有何优点？第30页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2连续完全返混型反应器（CSTR）二、部分再循环CSTR的细胞反应特征分析P175图6-17与图6-18与无循环操作比较，循环操作有何优点？对带有循环的CSTR，其临界稀释率=？第31页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）二、部分再循环CSTR的细胞反应特征第32页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）二、部分再循环CSTR的细胞反应特征P175例6-2第33页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）三、多级串联CSTR的细胞反应特征第34页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）三、多级串联CSTR的细胞反应特征（1）多级CSTR串联可分三大类：单流多级CSTR系统多流多级CSTR系统带循环的多级CSTR系统设计目的：提高细胞浓度，提高生长速率第35页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）（2）二级串联CSTR反应系统三、多级串联CSTR的细胞反应特征第一级与单级相同，第二级反应器的物料衡算对细胞：稳态下第36页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）（2）二级串联CSTR反应系统三、多级串联CSTR的细胞反应特征第一级与单级相同，第二级反应器的物料衡算对底物：稳态下第37页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）（2）二级串联CSTR反应系统三、多级串联CSTR的细胞反应特征联立式6-106和式6-109，求得如何求CS2？解方程，取小于CS1的实根。第38页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）（3）多级串联CSTR的级数的确定对第n级CSTR进行细胞的质量平衡，有三、多级串联CSTR的细胞反应特征第39页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）（3）多级串联CSTR的级数的确定对第n级CSTR进行底物的质量平衡，有三、多级串联CSTR的细胞反应特征第40页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）（3）多级串联CSTR的级数的确定对第n级CSTR进行产物的质量平衡，有三、多级串联CSTR的细胞反应特征第41页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）三、多级串联CSTR的细胞反应特征多级CSTR串联参数的求解级数N的确定。第42页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2连续完全返混型反应器（CSTR）利用间歇培养的dCX/dt～CX曲线过CX0以D为斜率作直线，交于生长反应曲线点过生长反应曲线点作垂线，得CX1

重复作图得CX2、CX3……经济和技术上允许的CXn－CXn－1要求即得多级串联CSTR的级数n

对产物的～CP曲线也可以同样的方法确定多级串联CSTR的级数n

三、多级串联CSTR的细胞反应特征第43页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.3连续操作管式反应器（CPFR）CPFR是一类细长的反应器的抽象，反应液在PFR中以平稳、等速、不受干扰的方式流动，其特征为：在流动方向上，不存在“返混”反应液各质点在PFR中的停留时间是一致的垂直于流动方向的同一截面上的反应液的物、化特性不随时间变化第44页,共59页，2024年2月25日，星期天一、PFR的反应时间的表达式第6章>>

6.3连续操作管式反应器（CPFR）对底物S的物料衡算,得到管式操作反应器的优点：生产能力大，传质效率高，易实现优化控制。适用于特殊的生物工艺过程。第45页,共59页，2024年2月25日，星期天二、在PFR中的均相酶促反应方程设酶促反应符合M-M方程，有：比较BSTR的均相酶促反应方程，两者的形式是完全一样的，因而断言PFR与BSTR的反应特征是相同的。第6章>>

6.3连续操作管式反应器（CPFR）第46页,共59页，2024年2月25日，星期天在PFR内二、在PFR中的均相酶促反应方程■对竞争性抑制的酶促反应，有

■非竞争性抑制的酶促反应，有■对高浓度底物抑制的酶促反应，有第6章>>

6.3连续操作管式反应器（CPFR）第47页,共59页，2024年2月25日，星期天若为固定化酶反应：二、在PFR中的均相酶促反应方程第6章>>

6.3连续操作管式反应器（CPFR）如果为动力学控制，η=1，反应符合M-M方程，上式可积分为：第48页,共59页，2024年2月25日，星期天二、在PFR中的均相酶促反应方程第6章>>

6.3连续操作管式反应器（CPFR）P181例6-4第49页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.4半间歇半连续操作反应器一、半间歇半连续操作特点与分类特点：反应物连续或间歇式加入，产物一次性或间断性排出。适用范围：代谢产物得率或生成速率受到底物影响、细胞生长状态和培养环境需要调节的过程。第50页,共59页，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.4半间歇半连续操作反应器一、半间歇半连续操作特点与分类间歇补