第五章 生化反应器.ppt

第五章生化反应器的设计 反应器的分类反应器设计的基本方程BSTR的设计CSTR的设计SBSTR的设计CPFR的设计各反应器性能比较 5 1反应器的分类 可按操作方式能量的输入方式 机械搅拌式和气升式反应器的结构特征 H D 罐式 管式和塔式反应器内流体的流动类型 全混流 活塞流 分批操作 连续操作 半连续操作 5 2反应器设计的基本方程 变量 控制体积 即建立衡算式的空间范围 其原则是以反应速率视为相同值的最大空间范围作为控制体积 可以是微元体积 也可以是整个反应器的有效体积 基本方程 物料衡算式 能量衡算式 动量衡算式 反应动力学方程输入量 输出量 反应量 累积量 自变量 时间和空间 因变量 物料浓度 温度 压力 5 3BSTR的设计 BSTR的基本特点BSTR设计基本关系式不同反应过程反应时间的求取反应器有效体积的计算 5 3 1基本特点 因为反应是一次进料 反应结束后一次出料 因此BSTR在反应过程中反应液体积不变由于有高速搅拌装置 因此物料混合均匀 即浓度处处相同 且只随反应时间的变化而变化控制体积为反应器的有效体积 5 3 2设计关系式 对底物进行物料衡算输入 输出 反应消耗 累积即 反应消耗 累积 5 3 3不同反应器反应时间的求取 均相酶反应固定化酶反应微生物反应 1 均相酶反应 当为单底物无抑制时 且酶无失活 将米氏方程代入积分得 当酶有失活且满足一级失活模型时 则 代入上式积分得当体系中St Km时 当 2 固定化酶 设反应器中液相物料占有的体积分率为 单位时间内底物的消耗量为 累积项为 对反应器内底物进行物料衡算仍有 反应 累积 即分离变量积分得注意在进行积分时 须先求得的关系才能进行 对于一级反应动力学 有效因子与转化率无关 因此 3 微生物反应 微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时间 若对数期开始时细胞浓度为X0 指数期末为X1 减速期末为X2 则在分批培养中对菌体作物料衡算 生长量 累积量即给定边界条件进行积分得 在对数生长期 减速期细胞的生长符合Monod方程 即 假定此时 则 代入积分得但在对数生长期末的菌体浓度X1很难确定 而X2比较好测 所以从指数期到减速期末的总时间tr常采用近似法来求得 常采用下式 在微生物反应过程中除对菌体作物料衡算外 也可以对产物进行衡算 生成量 累积量 一般情况下 产物均有抑制作用 此时微生物生长的动力学方程可表示 为 当S Ks n 1时 可简化为若产物与细胞的生长完全相关 则由 则代入积分得 实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为综上所述 反应过程与反应速率是有关联的 凡是影响反应速率的因素 均能影响反应时间tr 即反应时间只与动力学有关 而与反应器大小无关 5 3 4BSTR体积的计算 反应器的有效体积VR 是物料所占有的体积 是由物料的处理量决定的 也就是说是由设计生产能力决定的 若单位时间内物料的处理量为V0 则 对于酶反应过程 若设计要求单位时间内得到的产物的产量为Pr 则反应器的体积为 例题 在BSTR中进行均相酶反应 已知加入底物的初始浓度为S0 2mol L rmax 1 0mol Lmin Km 2mol L 若要求每小时生产1000mol的产品 底物转化率为0 8 辅助操作时间为10分钟 求反应器的有效体积 解 根据 5 4CSTR 单级CSTR带循环的CSTR多级串联CSTR 5 4 1单级CSTR 特点均相酶反应固定化酶反应微生物反应 1 单级CSTR特点 其基本特点 是稳态操作的反应器 反应过程中状态参数不随时间 空间的变化而变化 因此累积项为0 同时CSTR又是一全混流反应器 因此CSTR反应时间为所有粒子的平均停留时间 整个反应器的有效体积是控制体积 对底物作物料衡算 输入 输出 反应消耗 2 均相酶反应 如果没有抑制和失活 则将米氏方程代入得前面例题 若用CSTR 则需要有效体积为多大 为什么同一个反应过程 在其他条件均相同的条件下 采用BSTR所需的反应时间要小于CSTR中的反应时间 3 固定化酶反应 对固定化酶反应过程中的底物进行物料衡算时 仍要注意其反应发生在固相 其物料衡算式为 4微生物反应 微生物反应具有自催化特性 反应器具有返混的特点对稳态条件下的CSTR中的菌体作物料衡算有下式成立 进入反应器菌体 新生成的菌体 流出的菌体重排后得D为稀释率 单位时间内加入CSTR的新鲜料液的体积占反应器总体积的分率 其大小可通过加料速率来调节 因而对于微生物反应 可以通过调节D来控制相应的 微生物反应过程中的状态参数 由基本设计关系式及得到反应器出口菌体浓度与底物浓度之间的关系 由得反应器出口底物浓度与操作变量D之间的关系为 从而当X 0时 S S0 此时的状态为洗脱状态 无反应发生 故存在有临界稀释率 5 4 2带循环的CSTR 单级CSTR因为临界稀释率而使它的生产能力受到了限制 将反应器出口料液通过离心作用将菌体浓缩 并将一部分反馈回反应器的入口 即为带循环的CSTR令循环比 提浓因子 对反应器的菌体进行物料衡算 反馈 生长 流出 状态参数与操作变量的关系 对反应器的底物进行物料衡算得 根据得故同样 带循环CSTR也存在有临界稀释率对提浓器进行物料衡算 输入 后处理 反馈 两者进行比较 稀释率 反应器出口底物浓度 反应器出口菌体浓度 临界稀释率 例题 在一带循环的单级CSTR中进行微生物反应 已知 已知动力学方程为 求 1 若不带循环时的X S rX Dc2 带循环时的X1 S1 rXr Dcr Xr XF解 1 根据动力学方程 知微生物生长的动力学参数分别为 而 则 2 带循环时 因为 所以 5 4 3多级串联CSTR 对于单级多流系统 对第N个的反应器进行物料衡算 假定流量为V0 各反应器体积为VR 对菌体有 流入 生长 流出 累积 0 当N 2时 当N 3时 归纳得 对于第一级 有 相当于单级 对于第2级 由 对于第N级 且比生长速率逐级下降 因而各级反应器出口底物浓度逐级下降 例题 某一级反应其反应速率常数为K 3 5 h 现在一单级CSTR中进行反应 要求最终底物转化率为95 物料处理量为V0 1 82m3 h 问所需反应器有效体积为多大 如果用相等容积的CSTR 两个 三个 十个进行串联 反应器的有效体积各是多少 解 1 单级CSTR 对底物进行物料衡算 流入 流出 反应消耗即2 N级串联 对N级进行物料衡算 即 3 两级串联 N 2时 4 三级串联 5 十级串联 综上所述 实际生产中CSTR串联的个数以不超过3个为宜 利用多级串联优化青霉素的生产 在采用多级串联前 需先在BSTR中测得产黄青霉X S P rX rP和时间t之间的关系曲线 两级串联 应使第一级的菌体的生长速率最大 第二级产物的生成速率最大 而第一级反应器 相当于单级 有下式成立 在分批发酵的第24h 菌体生长速率达到最大 此时所以第一级CSTR的稀释率为D1opt 0 0593h 1第二级CSTR主要是产物产量最大 因此第二级的稀释率应为rP最大时的稀释率 对第二级的产物进行物料衡算得 分批培养时第48小时产物的生成速率最大 此时产物浓度P2 0 4g L 产物的生成速率为rPmax 0 018g hL 而24小时时产物浓度P1 0 07g L 所以第二级反应器的稀释率为因此二级CSTR串联所需的时间为在分批培养的第48小时 尽管产物的生成速率最大 但此时培养基中残糖浓度还很高 为此采用三个CSTR串联 使第三个CSTR维持在60小时的水平 此时的P3 0 62g L rP3 0 012g Lh 所以第三级CSTR的稀释率为 5 5SBSTR 流加操作的反应器 是指在生化反应过程中仅按确定的一种加料策略 加入反应基质 而不同时取出产物的一种生化反应器 其目的之一是减缓底物对反应的抑制作用 能够人为控制流加底物在反应器中的浓度 将底物浓度控制在最佳值附近 反应与分离相耦合操作 在反应过程中 以一种合适的方式将反应产物或副产物选择性移走的过程 以降低反应中产物的抑制作用 5 5 1流加操作 概述流加操作的物料衡算指数流加恒速流加 5 5 1 1流加操作概述 流加操作是为解决底物抑制而产生的 它能在较长时间内维持反应器内所需底物的供应 又能使反应器内底物浓度维持在较低的水平 目前已应用于氨基酸 生长激素 抗生素 维生素 酶制剂 有机酸 核苷酸和单细胞蛋白 如活性干酵母 的生产 流加操作的核心是控制底物浓度 其关键是流加什么物质和怎样流加 对于前者 应该流加效果最明显的底物 在工业上更关心的是怎样流加的问题 分类 无反馈控制 包括恒速流加 指数流加 间歇流加等 有反馈控制 控制指标包括 DO pH值 X S等 流加方式 按工艺特点 补料分批操作先分批操作至菌体浓度达到最大值时 开始以恒定速率补入含有限制性底物的培养基至培养液体积达到额定值为止重复补料分批操作在分批培养的过程中从某个时期起每隔一定时间取出一定体积的发酵液 同时补入相同体积的培养基 这种培养方式 培养液体积 稀释率发生周期性变化重复分批操作当微生物浓度达到一定值时 培养液并不全部取出 剩余的发酵液作为下一操作的菌种 然后追加新的培养基重新开始间歇操作 可以减少菌种的培养时间和发酵前的准备时间 5 5 2流加操作的物料衡算 由于流加底物将引起培养液体积的增加 因而物料衡算时常以总量的变化来表示对菌体 对底物对产物培养液体积的变化其中V是加料速率 S0是加料浓度 5 5 3指数流加 理想的微生物生长是菌量相对于时间以指数规律增加 所以可以使流加的物料以时间的指数函数增加 即指数流加 指数流加开始时的底物浓度为 则满足流加开始时培养液体积为 则流加过程中培养液体积随时间的变化为 底物流加量在拟稳态下 初始流加速率指数流加过程中底物浓度在反应过程中恒定不变 此时有处于拟稳态 且在范围内可以任意控制菌体的比生长速率 例题 流加培养青霉菌 为确保菌体比生长速率 按指数规律流加葡萄糖 菌体的生长可用Monod方程来表达 已知 流加开始时 培养液体积 菌体浓度为 求流加至20h时反应器的体积 及流加开始与20h时的流加速率 解 根据得流加开始时底物浓度为则20h后培养液体积为流加开始时流量流加至20h时流量 5 5 4恒速流加 是在间歇操作达到最大菌体浓度及底物将近耗尽时 开始以恒定流速补入含有底物的培养基 直到培养液体积达到额定值为止 菌体的生长速率 在刚开始的间歇操作阶段 培养液中菌体浓度可表示为 由于菌体浓度达到最大值 底物已接近耗竭 因而有此时开始以恒定速率加入含有底物浓度为S0的培养基 在流加过程中 培养液中菌体浓度随时间的变化规律如下 故恒速流加过程中菌体生长为线性生长 即 例题 采用恒速流中的方式来培养大肠杆菌 流加培养开始时 反应方程可用Monod方程来表示 其中 流加葡萄糖2h后 求1 此时培养液体积 2 拟稳态下反应器中葡萄糖浓度3 反应完成时反应器内菌体的浓度 解 1 2小时后反应液体积为 2 2h时的稀释率 对于拟稳态过程 得3 拟稳态时 基质的流加量与基质的消耗量相等 故有 则 5 6管式反应器CPFR 活塞流模型的基本假设CPFR基本特点CPFR基本设计关系式带循环的CPFR 5 6 1基本假设 其径向流速分布均匀 即所有流体粒子均以相同的速度从进口流向出口 就象一个活塞一样有序向前移动 故称为活塞流 在流体流动的垂直方向上的任何截面上 浓度均匀 温度均匀 即径向混合均匀 在流体流动方向上不存在流体的返混 5 6 2管式反应器的特点 物料粒子停留时间相同 径向截面混合均匀 轴向无返混 在稳态条件下 反应器内各点的参数不随时间的变化而变化 而是随轴向位置的变化而变化同于活塞流反应器 同一时间进入反应器的流体粒子 必定在另一时间同时离开 即所有的流体粒了停留时间相同 因此活塞流反应器与间歇操作反应器具有相同的效果 当停留时间相同时 两者最终的转化率相同 5 6 3设计基本关系式 控制体积的确定 同于在CPFR中 物料浓度均沿反应器轴向向变化 因此 只能取一微元体积作为控制体积 在稳态条件下 对反应组分作物料衡算 流入 流出 反应消耗即 令 5 6 4带循环的CPFR 对于微生物反应过程 加上循环的目的是增加返混 相当于不断接种带循环的CPFR需要解决的是反应器入口处的物料浓度 定义循环比 则反应器入口处物料流量为入口处物料浓度可通过M点的物料衡算求得则对管式反应器 若微生物的生长符合Monod方程 且YX S为常数 则代入积分得带循环的管式反应器可以看成是CSTR CPFR串联 当R小时 入口处底物浓度高 但菌体浓度低 管式反应器占主导 反之 CSTR占主导因此解决CPFR的接种问题的另一种方法是直接与CSTR相串联 由于CSTR的完全返混的特点 只要将CSTR出口的菌体浓度控制在最佳值 则整个反应过程所需的时间是最小的 5 7反应器性能比较 BSTR 具有理想的最大混合状态 反应器在空间上没有浓度分布 但反应过程与时间有关 因而有浓度 时间分布 且所有物料随时间变化经历均相同 即具有相同的反应时间 CSTR 物料浓度在反应器空间 时间上没有分布 且反应器出口浓度与反应器内浓度相同 反应器存在最大程度返混 因此反应器内存在着不同停留时间的