第4章 生物反应器的操作模型

1、 按生物催化剂分按生物催化剂分 按操作方式分按操作方式分酶反应器酶反应器细胞反应器细胞反应器间歇操作间歇操作连续操作连续操作补料（流加）操作补料（流加）操作 按结构分（高径比）按结构分（高径比）釜式（槽式）釜式（槽式）管式管式 按能量的输入方式分按能量的输入方式分搅拌式搅拌式气升式气升式自吸式自吸式喷射式喷射式 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中， 通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎， 由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质 转子内部液体被甩出，形成负压 按反应器内流动与混合状态分（返混：具有不同停留时间的物料之间的混合）

2、理想流动反应器（活塞流、全混流）非理想流动反应器（槽列模型、一维扩散模型、组合模型） 物料衡算式物料衡算式基质基质产物产物细胞细胞 能量衡算式能量衡算式 操作参数 共5个。停留时间停留时间 -空速空速转化率转化率生产率生产率选择性选择性收率收率 搅拌釜式反应器由搅拌器和釜体组成。搅拌器包括传动装置，搅拌轴（含轴封），叶轮（搅拌桨）;釜体包括筒体，夹套和内件，盘管，导流筒等。工业上应用的搅拌釜式反应器有成百上千种，按反应物料的相态可分成均相反应器和非均相反应器两大类。非均相反应器包括固-液反应器，液-液反应器，气-液反应器和气-液-固三相反应器。间歇釜式反应器：操作灵活，易于适应不同操作条件和产

3、品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。连续釜式反应器：可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。 物料衡算式（对基质） 通式均相酶催化反应固定化酶催化反应SSSXSSSCCSSrrdXCrd

4、Ct000SmSSmLLrXKCCKtr11lnln)1(01max 要求反应器在单位时间内所应处理的物料体积为V0 要求反应器在单位时间内得到的产物的量为Pr)(00brRttVtVV)(0/brSSSPrRttXCYPV 产率：单位时间产物的产量brPRPttCVF连续搅拌釜式反应器,是化学工业中最先应用于连续生产的一种反应设备。虽然在型式和结构上,二者基本上是相同的,由于操作方式的改变,节省了大量的辅助操作时间,使得反应器的生产能力得到充分的发挥;同时,也大大地减轻了体力劳动强度,容易全面地实现机械化和自动化;在很多场合,也降低了原材料和能量的损耗。因此,在化学工业中,连续搅拌釜式反应器

5、迄今仍然是应用得最广泛的反应器型式之一。连续搅拌釜式反应器除了具有一般连续设备的优点外,还有它本身的特点。由于强烈的机械搅拌作用,反应器中的物料得到了充分接触,这对于化学反应或传热来说,都是十分有利的。此外,这种反应器的操作稳定,适用范围较广,容易放大,也是其它类型连续反应器所不及的。 原料连续输入，产物连续流出组成不随时间、位置变化返混最大稳态操作容易受到杂菌污染容易发生菌种退化变异SSSSSSmRrCCrXCVV000 均相酶催化反应 固定化酶催化反应SSmSSmXXKXCr10maxSSmSSLmXXKXCr1)1 (0max 对细胞进行物料衡算生长)()(000dtdCVCVCVdtC

6、VdXRXXXR1maxmaxmSSSKDDKC)()(max0/0/DDKCYCCYCSSSXSSSXX)(0/SSSPPCCYC00maxSSSCCKCDXXCDP)(max/0DDKCYDPSSSXX1 0maxSSSoptCKKD要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大 0VVRr物料循环比1XXrCC浓缩倍数1000)(XrXRXrrXCVVrVCVCVWRRD1 基质浓度 细胞浓度 产物浓度SSSCKCDWmaxDWDWKCSSmax)()(0/0/SSSXSSSXXCCWYCCDYC)(10/1SSSPPCCYC00

7、max1SSSCrCKCWDDWDCr1 稀释率 基质浓度 细胞浓度 产物浓度 临界稀释率 1）一股进料，稳态操作； 2）各个CSTR体积相等； 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器之间没有返混； 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数为常数。 )1 (212XXCCD)(221/2XSSSXCCCDY0)()(max222max20max22maxDDKCDKDDKCCDSSSSSS LD 相同方向，相同速度 轴向速率相同，无返混 停留时间相同 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 浓度是位置L的函数0)(SRSSSrdVdFFFRSSdVrdCV0SSPRrdCVV0CSTRCPFRSSSm

8、SSSSmPXCXKCCCCKr000max11lnlnSSLPrdC11SmLSSmLPXKCCKr11ln111ln111101max 球状固定化酶 膜状固定化酶max1ln1(1)111tan(3 )3mSLPKXrmax1ln1(1)tanh( )mSLPKXr 浓度曲线的比较 反应方程式的比较 反应器有效容积的比较 相同反应条件下达到相同转化率所需反应器体积SSmSSSSmSCPFRRCSTRRXCKXXXCKXVV11ln)1(00, 游离酶催化反应 产物抑制 底物抑制 优化 最佳进口浓度的确定 存在底物和产物抑制时的CPFR最佳加料出料方式 反应与透析相耦合反应与过滤相耦合灌流培养：是把细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时又连续不断地灌注新的培养基。1.细胞截流系统可使细胞或酶保留在反应器内，维持较高的细胞密度，一般可达10-10Cells/mL，从而较大的提高了产品的产量；2.连续灌流系统，使细胞稳定的处在较好的的营养环境中，有害代谢废物浓度积累较低；3.反应速率容易控制，培养周期较长，可提高生产