反应工程 半间歇半连续操作反应器

1、8 半间歇半连续操作反应器半间歇半连续操作反应器8.1 8.1 概述概述8.1.1 8.1.1 半间歇半连续操作的特点半间歇半连续操作的特点底物和副产物的浓度得到控制，酶或细底物和副产物的浓度得到控制，酶或细胞的反应环境可处于稳定的最优条件；胞的反应环境可处于稳定的最优条件；可对反应过程灵活调控，可用于连续操可对反应过程灵活调控，可用于连续操作不适合的情况，而过程特性又优于间作不适合的情况，而过程特性又优于间歇操作。歇操作。获得较高的细胞浓度、产物浓度和生成获得较高的细胞浓度、产物浓度和生成速率；速率；补料分批操作反复补料分批培养反复分批培养8.1.2 8.1.2 半间歇半连续操作的分类半间歇

2、半连续操作的分类t1t2t3t1t2t3t4t4t1t2t3t4t0t0t0有反馈和无反馈操作8.2 8.2 补料分批培养过程的操作模型补料分批培养过程的操作模型8.2.18.2.1基础模型方程的建立基础模型方程的建立cFdtdcVdtcVdRR)(dtdVFRdtdVcdtdcVdtcVdRRR)(0RV rFc反应流入ccDrccVFrdtdccFdtdcVFcrVRRR000XXXDccdtdcSSXSXSccDcYdtdc0/SSXSXSccDcmYdtdc0/SSXPSXSccDcqmYdtdc0/底物消耗仅用底物消耗仅用于细胞生长于细胞生长底物消耗用底物消耗用于细胞生长于细胞生长和

3、维持活动和维持活动底物消耗用底物消耗用于细胞生长、于细胞生长、维持活动和维持活动和产物生成产物生成SSXSXSccDcYdtdc0/XXXDccdtdc0SX/SXX/SSSdcYcDYccdt 0XX/SSXX/SSSd(cYc )D cYccdt 8.2.28.2.2恒流速流加操作模型恒流速流加操作模型 对补料分批培养对补料分批培养(FBC)，若以底物消耗，若以底物消耗仅用于细胞生长而与维仅用于细胞生长而与维持活动和产物生成无关持活动和产物生成无关的过程为例的过程为例 相加相加0XX/SSSXX/S S0XX/SSS0XX/SSSd cYccd(cY c )dtdtd cYccD cYcc

4、dtRRRVFDFtVV/0RRRRR0dVdlnVFDF/VdtdtVVFt0XX/SSS0XX/SSSd cYccD cYccdt 0XX/SSSdln cYccDdt R0dlnVFtDdt0XX/SSSR0dln cYccdlnVFtdtdt SSSXXSSSXXRRccYcccYcVV0/00/00XX/SSSdln cYccDdt RRRdVdlnVFDF/Vdtdt0XX/SSSRdln cYccdlnVdtdt XRXXXXcVFcDccdtdc/maxFtVtcVcRSRX0max00)exp(FtVtcVYcYcVtFccRXRSXXSXsRss0max00/0/000)e

5、xp(118.2.3 8.2.3 恒定生长参数的流加操作模型恒定生长参数的流加操作模型XRXRd(c V )1c Vdt )exp(cc000tVVRXRX0/cdtdsSSXSXSccDcYdtdc0/00XRX/SSSc VYF cc底物消耗底物消耗仅用于细仅用于细胞生长胞生长RFDV0XR0X/SSS0X0R000X/SSSc VF(t)Ycc cVexp(t)Ycc8.2.4 8.2.4 定值控制的流加模型定值控制的流加模型1、恒pH法2、恒溶氧法8.3 8.3 补料分批培养过程的优化补料分批培养过程的优化明确过程的目标函数或优化准则。分析影响反应过程速率的主要因素及其相互关系，建立数

6、学模型。明确过程的现有初始条件和最终要达到状态变量的范围。按目标函数和状态方程选择最优操作与控制策略。反复分批操作反复分批操作全混式生物反应器V(Xf,Pf)V(Xf,Pf)(1-)V分离器离心或膜分离V(Pf)(1-)VffPX ,11VXVXVXffi菌体量衡算：fiXX1产物衡算：) (VPVPVPVPfffiVPVPVPiff)1 ( fiPP) 1 (fifiPPXX产物生产能力：RBfRBifRBtPtPPP)(4.3 4.3 流加操作流加操作流加操作的特点是控制基质的浓度流加操作的特点是控制基质的浓度dtXVdXV)(1dtSVdSFXVin)(1dtPVdXV)(1无反馈控制的

7、流加操作无反馈控制的流加操作d(XV)XVdt inX/Sd(VS)1d(VX)FSmVXdtYdtvapdVFKdt菌体生长速率：基质消耗速率：培养基体积变化：1.1.定流量流加操作定流量流加操作菌体衡算：X/Sin0000XVY(FS tV S )X V菌体浓度：X/Sin00000Y(FS tV S )X VXFtVLd(XV)Kdt2.指数流加操作流量：)exp(0tFF比生长速率：VFVXXdtdV4.3.2 反馈控制的流加操作（反馈控制的流加操作（略略）比生长速率恒定培养液体积：)exp(0tVV菌体的量：)exp(00tVXVXVXdtVXd)(4.4 4.4 连续培养连续培养

8、分批培养时细胞浓度、限制性基质浓度和产物浓度随时间变化。营养物质的消耗或有害代谢物的积累，反应只能在一段时间内进行，而不能维持很长时间。如果向生物反应器中以一定的流量加入新培养基，同时不断排除有害代谢物，生物反应可长期进行下去。这种培养方法就是连续培养，可达到稳定状态。4.4.1单级连续培养dtdXVFXXVFX 0以反应器作细胞的物料平衡加入 生长 流出 积累FXXVdtdXVVXSSFdtSdVin)(PFXVdtdPV菌体生长速率：基质消耗速率：产物生成：DXXdtdXXSSDdtSdin)(PDXdtdP菌体生长速率：基质消耗速率：产物生成：DXXdtdXXSSDdtSdin)(PDX

9、dtdPXDSKSdtdXsmax)(max/SKSYXSSDdtSdsSXinmax/PDXSKSYdtPdsXP0maxXDSKSdtdXs)(max/SKSYXSSDdtSdsSXin当稳态时：0dtPddtSddtdX)(max/SSDSKSYXinsSX)(/maxSSDYSKSXinSXs)(/SSDYDXinSX)(/SSYXinSX0maxDSKSs)(max/DDKSYXSinSX)(max/DDKSYXSinSXDDKSSmax)(max/DDKSYPSinSP这些式子分别表明了稀释率与各物质浓度之间的关系。在稳定状态下，在稳定状态下，=D。由于由于D= F/ V，所以当，

10、所以当V一定时，反应也的流量一定时，反应也的流量F可以控制可以控制的大小。的大小。0)(max/DDKSYXSinSXinSincriSKSDDmaxDcri为临界稀释率.微生物的培养一般在微生物的培养一般在SinKS的条件系进行的，的条件系进行的，所以所以Dcrimax当当Dmax,X-，此时实际上为零，此时已无连，此时实际上为零，此时已无连续操作的意义。续操作的意义。)(max/DDKSYXSinSX)(max/DDKSYPSinSP)(max/DDKSDYXDSinSX)(max/DDKSDYPDSinSP最高产物产率：0)( max/DDKSDYPDSinSP0max2DDKSDSin02maxmax2max2DDDDDKSSin 02maxmax2max2DDDDDKSSin022max2maxDDDDKSSin022max2maxDDDKSSin022max222maxmaxmaxDDDKSSin02max22maxmaxDDKSSin2max2maxDKKSSSin22maxmaxDKSKSinSmaxmaxDKSKSinSSinSKSKD /1maxmaxSinSSinSPKSKKSYP /maxSinSSinSXKSKKSYX /max2/maxmaxmaxSSinSXKKSYXD当Ks1,R0, 因此1