生物反应器比拟放大

1、会计学1生物反应器比拟放大生物反应器比拟放大第一节第一节 生物反应器放大的目标及方法生物反应器放大的目标及方法 单位体积输入的功率单位体积输入的功率P/V 或液相体积氧传递系数或液相体积氧传递系数 KLa有效放大区有效放大区末产物的末产物的相对浓度相对浓度1、放大准则、放大准则 搅拌功耗搅拌功耗P0/V、 体积溶氧系数体积溶氧系数KLa、 搅拌叶尖端线速度搅拌叶尖端线速度s、 混合时间混合时间tM、 相等准则。相等准则。按反应器的各个部件的几何尺寸比例进行放大按反应器的各个部件的几何尺寸比例进行放大。放大倍数实际上就是反应器的增加倍数。放大倍数实际上就是反应器的增加倍数。 1212HHDD常数

2、32211VDmVD1132HmH1132DmD,353iLiPnD VD()213212DnnD()32211DPPD对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大 .()()21G0 750 081212GQDnnDQ.()()2211G2 770 242gg1GQDPPDQ以以KLa值相同值相同放大时，一放大时，一定要选一个定要选一个合适的合适的KLa值值，可根据微，可根据微生物发酵产生物发酵产物的产率与物的产率与KLa大小的关大小的关系系 (四四)以搅拌叶尖线端速度相等

3、的准则进行反应器放大以搅拌叶尖线端速度相等的准则进行反应器放大1 12 2nD nD2112nDnD32111362222()MiiLitnDgDHD21MMtt142112()nDnD对于几何相似的反应器，时，从上式可以得出： 0LQVVMV，m3/（m3min）l操作状态下空气的线速度gu，m/h。 (). ()()40Lg2iLiL60Q 273t9 81027465 6 VVM273t VuDpD273p4，m3/（m3min）.()2gLi0Lu p DQ27465 6273t V.()2gLiLu p DVVM27465 6273t V，m3/（m3min）()()21VVMVVM

4、()()iLg2LiLVVM DVVM Vup Dp2112gL2g1LupDuDp21gguu122211()()iLLiDVVMpVVMpD214.64DD21()1()4.64VVMVVM由上式可知，当体积放大100倍时，即若忽略液柱压力，即 即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。第三节第三节 酶反应器的放大酶反应器的放大 ,max121()ppsmpsmmrSrrKSrrKkkKk 底物的消耗速率产物的生成速率米氏常数0outoutrr有外扩散影响时实际反应速率无外扩散影响时固定化酶外表面处的反应速率 00.502SsPsPrVDer d SA -西勒准数，是表面反应速率（即以固

5、定化酶外表面处的西勒准数，是表面反应速率（即以固定化酶外表面处的浓度为基准反应速率与内扩散速率之比）浓度为基准反应速率与内扩散速率之比）V VP P-固定化酶颗粒体积固定化酶颗粒体积, , r rs s-固定化酶的反应速率固定化酶的反应速率A AP P-固定化酶颗粒外表面的面积固定化酶颗粒外表面的面积, S-, S-平衡时的底物浓度平衡时的底物浓度De-De-载体内部底物的扩散系数载体内部底物的扩散系数SSS S-固定化酶颗粒外表面底物浓度固定化酶颗粒外表面底物浓度0ininrr颗 粒 内 的 实 际 有 效 反 应 速 率颗 粒 内 无 浓 度 梯 度 时 的 反 应 速 率型式名称型式名称

6、操作方式操作方式说明说明单相系统单相系统酶反应器酶反应器搅拌罐搅拌罐分批、流加分批、流加靠机械搅拌混合靠机械搅拌混合超滤膜反应器超滤膜反应器分批、流加或连分批、流加或连续续适用于高分子底物适用于高分子底物多相系统多相系统酶反应器酶反应器搅拌罐搅拌罐分批、流加或连分批、流加或连续续靠机械搅拌混合靠机械搅拌混合固定床填充床固定床填充床连续连续适用于固定床酶适用于固定床酶或微生物反应中或微生物反应中流化床流化床分批、连续分批、连续靠溶液的流动混合靠溶液的流动混合膜反应器膜反应器悬浊气泡塔悬浊气泡塔连续连续分批、连续分批、连续膜状或片状固定化膜状或片状固定化适于气体为底物适于气体为底物动，反应速度仅随

7、空间位置不同而变化。动，反应速度仅随空间位置不同而变化。（2）非理想型）非理想型 具有返混的管型反应器等具有返混的管型反应器等/V F（初始底物浓度（初始底物浓度-t-t时间底物浓度）时间底物浓度）/ /初始底物浓度初始底物浓度0tPSPtt inoutinSSS0r PtPSttr PoutinPS0 ( )pspPSaSSpppsrSrr对于其他各级反应可得到一般的关系式对于其他各级反应可得到一般的关系式: sd sr（1） 0tSSk S 0tsSSr 00maxmsSSKSSSVFrrS 2001mSKk E（2） 201mKkE2 0ln 1moutKk E（3） （4） 1ln 1

8、CSTRCPFRoutEE（5） /C STRC PFREE 01()KmS 一级反应/CSTRCPFREE 00(0)KmS级反应 0()KmS一级反应n如果反应按米氏定律，则酶需求量的相对比值与如果反应按米氏定律，则酶需求量的相对比值与转化率之间的函数关系可由下图表示转化率之间的函数关系可由下图表示: :dd EKEd t 0000ln 1lnln 1mdtmtSKKtSK000001ln1mdmtttKSKtKS（7） （8） CSTRCPFRm ax338*10/( . )rm ol ms31/mKmol m35.0*10pdm531*10/Fm s33 1*10/inSmol m10

9、31*10/eDms 3311*10 1 0.9550/outinSSmol m 31000 50317/1000lnln50inoutinoutSSSmol mSS（1）进口与出口底物的对数平均浓度进口与出口底物的对数平均浓度（2） max0.5max0.5/()121lnmminoutmSSmSPPmemSSSmSKSKrSKSrSKSVAKDKSSSK ssmax和所以反应与零级反应相似 -r =因此将-r =r代入2-60式后积分得00 .502SsPsPrVD erdSA（3）（4） 0.5max341062,5.0*108*100.093662*1*10*317minpeSsSKd

10、rDSSS 由于所以上式变形为以代替计算0.33 3 ,1.1,.inin时由 于 内 扩 散 效 率 因 子所 以 内 扩 散 阻 力 可 忽 略 不 计（5）（4） 0SF SF Sr V流入 流出 消耗由于酶促反应在固定化酶颗粒内进由于酶促反应在固定化酶颗粒内进行行有有 V= （1-）V （7） 00max534()1(8)()1(9)1*10 (1000 50) 1 5024.21 1 0.5 8*10 *50smF SSVrF SSKSVrSVm将米氏方程代入得将有关数据代入（8）（9）（10） 0max5626411(15),1ln11*106.37*10/0.5*2/40.5*6

11、.37*101*1*ln(50/1000) (50 1000)7.51 0.51*8*10outinLSSsoutmoutinindLud SrLSuLKSSrSFum sAm2将米氏方程代入积分得反应器长度 为所以L=反应器体积V=AL= /4*2 *7.5 23.6m由于是零级反应,CPFR固定化酶反应器体积仅比CSTR固定化反应器体积略小（15）0LQVVMV，m3/（m3min）l操作状态下空气的线速度gu，m/h。 (). ()()40Lg2iLiL60Q 273t9 81027465 6 VVM273t VuDpD273p4，m3/（m3min）.()2gLi0Lu p DQ27465 6273t V.()2gLiLu p DVVM27465 6273t V，m3/（m3min）0outoutrr有外扩散影响时实际反应速率无外扩散影响时固定化酶外表面处的反应速率0ininrr颗 粒 内 的 实 际 有 效 反 应 速 率颗 粒 内 无 浓 度 梯 度 时 的 反 应 速 率（2）非理想型）非理想型 具有返混的管型反