生物反應(yīng)器比擬放大ppt課件

1、第五章第五章生物反響器比較放大生物反響器比較放大 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)1、發(fā)酵罐的放大根底和準(zhǔn)那么、發(fā)酵罐的放大根底和準(zhǔn)那么2、以體積溶氧系數(shù)、以體積溶氧系數(shù)KLa或或Kd相等為相等為基準(zhǔn)的放大法基準(zhǔn)的放大法3、以攪拌功耗、以攪拌功耗P0 /VL相等的準(zhǔn)那么進(jìn)展相等的準(zhǔn)那么進(jìn)展反響器放大反響器放大4、酶反響器的放大根底和準(zhǔn)那么、酶反響器的放大根底和準(zhǔn)那么難點(diǎn)：反響器放大設(shè)計(jì)計(jì)算方法難點(diǎn)：反響器放大設(shè)計(jì)計(jì)算方法 放大過(guò)程中與培育放大過(guò)程中與培育-發(fā)酵環(huán)境相關(guān)的主要要素發(fā)酵環(huán)境相關(guān)的主要要素 n與細(xì)胞形狀學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和過(guò)程動(dòng)與細(xì)胞形狀學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和過(guò)程動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系力學(xué)之間的關(guān)系n與生物反響器中

2、的流膂力學(xué)性質(zhì)、傳與生物反響器中的流膂力學(xué)性質(zhì)、傳送景象及發(fā)酵液的理化性質(zhì)之間的關(guān)送景象及發(fā)酵液的理化性質(zhì)之間的關(guān)系。系。一、放大目的一、放大目的 產(chǎn)品的質(zhì)量高，本錢(qián)低。必需使產(chǎn)品的質(zhì)量高，本錢(qián)低。必需使菌體在大中小型反響器中所處的外界菌體在大中小型反響器中所處的外界環(huán)境完全或根本一致。環(huán)境完全或根本一致。第一節(jié) 生物反響器放大的目的及方法 二、生物學(xué)根底二、生物學(xué)根底單位體積輸入的功率單位體積輸入的功率P/V 或液相體積氧傳送系數(shù)或液相體積氧傳送系數(shù) KLa有效放大區(qū)有效放大區(qū)末產(chǎn)物的末產(chǎn)物的相對(duì)濃度相對(duì)濃度三、放大準(zhǔn)那么與方法1、放大準(zhǔn)那么、放大準(zhǔn)那么 攪拌功耗攪拌功耗P0/V、 體積溶氧

3、系數(shù)體積溶氧系數(shù)KLa、 攪拌葉尖端線速攪拌葉尖端線速度度s、 混合時(shí)間混合時(shí)間tM、 相等準(zhǔn)那么。相等準(zhǔn)那么。 2、放大方法 主要有閱歷放大法、因次分析法、時(shí)間常數(shù)法、數(shù)學(xué)模擬法 第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì) 一、機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的功率計(jì)算一、機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的功率計(jì)算 閱歷放大法閱歷放大法 (一)幾何類(lèi)似放大按反響器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)展放大。按反響器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)展放大。放大倍數(shù)實(shí)踐上就是反響器的添加倍數(shù)。放大倍數(shù)實(shí)踐上就是反響器的添加倍數(shù)。 1212HHDD常數(shù)32211VDmVD1132HmH1132DmD二以單位體積液體中攪拌功率二以單

4、位體積液體中攪拌功率P0 /VL相等的準(zhǔn)那么進(jìn)展反響器放大相等的準(zhǔn)那么進(jìn)展反響器放大 n這種方法適用對(duì)于以溶氧速率控制發(fā)酵反響的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細(xì)胞密度的培育 n P0/VL 常數(shù) n 1. 對(duì)于不通氣的攪拌反響器 n 2. 對(duì)于通氣攪拌反響器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率一樣的準(zhǔn)那么進(jìn)展放大n對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反響器，可取單位體積對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反響器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率一樣的準(zhǔn)那么進(jìn)展放大，液體分配的通氣攪拌功率一樣的準(zhǔn)那么進(jìn)展放大，即：即：n對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反響器，軸功率計(jì)對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反響器，軸功率計(jì)算算 ,35

5、3iLiPnD VD()213212DnnD()32211DPPD對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反響器，可取單位體積液對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反響器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率一樣的準(zhǔn)那么進(jìn)展放大體分配的通氣攪拌功率一樣的準(zhǔn)那么進(jìn)展放大 .()()21G0 750 081212GQDnnDQ.()()2211G2 770 242gg1GQDPPDQ三以體積溶氧系數(shù)三以體積溶氧系數(shù)KLa或或Kd相等為相等為基準(zhǔn)的放大法基準(zhǔn)的放大法n在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，由于培育液中的溶在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，由于培育液中的溶解度很低，生物反響很容易因反響器溶解度很低，生物反響很容易因反響器溶氧才干的限制遭到影響，所以以反響

6、器氧才干的限制遭到影響，所以以反響器KLa的一樣作為放大準(zhǔn)那么，可以收到較的一樣作為放大準(zhǔn)那么，可以收到較好的效果。好的效果。n 這種方法適用于高好氧的生物發(fā)酵過(guò)程這種方法適用于高好氧的生物發(fā)酵過(guò)程的反響器的放大。的反響器的放大。在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，培育液中的溶解度很低，在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，培育液中的溶解度很低，生物反響很容易因反響器溶氧才干的限制遭生物反響很容易因反響器溶氧才干的限制遭到影響，以反響器到影響，以反響器KLa的一樣作為放大準(zhǔn)那的一樣作為放大準(zhǔn)那么，可以收到較好的效果。么，可以收到較好的效果。以以KLa值一樣值一樣放大時(shí)，一放大時(shí)，一定要選一個(gè)定要選一個(gè)適宜的適宜的KLa值，值，可根

7、據(jù)微生可根據(jù)微生物發(fā)酵產(chǎn)物物發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與的產(chǎn)率與KLa大小的關(guān)系大小的關(guān)系 (四)以攪拌葉尖線端速度相等的準(zhǔn)那么進(jìn)展反響器放大n適用于生物細(xì)胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過(guò)程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。n攪拌葉尖線端速度Dn是決議攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。n葉尖端線速度1 12 2nD nD2112nDnD五混合時(shí)間一樣的準(zhǔn)那么n混合時(shí)間是指在反響器中參與物料，到它們被混混合時(shí)間是指在反響器中參與物料，到它們被混合均勻時(shí)所需的時(shí)間。在小反響器中，比較容易合均勻時(shí)所需的時(shí)間。在小反響器中，比較容易混合均勻，而在大反響器中，那么較為困難混合均勻，而在大反響器中，那么較為困難.32111362222()M

8、iiLitnDgDHD21MMtt142112()nDnD對(duì)于幾何類(lèi)似的反響器，時(shí)，從上式可以得出： 六以單位培育液體積的空氣流量一樣的原那么進(jìn)展放大n單位培育液體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣量規(guī)范態(tài)，即： 0LQVVMV，m3/m3minl操作形狀下空氣的線速度gu，m/h。 (). ()()40Lg2iLiL60Q 273t9 81027465 6 VVM273t VuDpD273p4，m3/m3min.()2gLi0Lu p DQ27465 6273t V.()2gLiLu p DVVM27465 6273t V，m3/m3minn以單位培育液體積的空氣流量一樣的原那么進(jìn)展放大時(shí)，有()()

9、21VVMVVM()()iLg2LiLVVM DVVM Vup Dp2112gL2g1LupDuDp七以空氣線速度一樣的原那么進(jìn)展放七以空氣線速度一樣的原那么進(jìn)展放大大 n以空氣線速度一樣的原那么進(jìn)展放大時(shí)有21gguu122211()()iLLiDVVMpVVMpD214.64DD21()1()4.64VVMVVM由上式可知，當(dāng)體積放大100倍時(shí)，即假設(shè)忽略液柱壓力，即 即通風(fēng)量減少4.64倍，其結(jié)果是通風(fēng)量過(guò)小。酶反響器的放大根底和準(zhǔn)那么酶反響器放大設(shè)計(jì)計(jì)算方法第三節(jié)第三節(jié) 酶反響器的放大酶反響器的放大一、酶促反響動(dòng)力學(xué)根底一、酶促反響動(dòng)力學(xué)根底n與普通化學(xué)反響相比，酶促反響要復(fù)雜與普通化

10、學(xué)反響相比，酶促反響要復(fù)雜一些，影響酶促反響的主要要素有：酶一些，影響酶促反響的主要要素有：酶濃度，底物濃度，溫度壓力，溶液的介濃度，底物濃度，溫度壓力，溶液的介電常數(shù)與離強(qiáng)度，電常數(shù)與離強(qiáng)度，PHPH、內(nèi)部構(gòu)造要素等。、內(nèi)部構(gòu)造要素等。n最根本的是濃度要素最根本的是濃度要素n1 1、零級(jí)反響：酶促反響速率與底物濃度、零級(jí)反響：酶促反響速率與底物濃度無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。n2 2、一級(jí)反響：反響速率與底物濃度的一、一級(jí)反響：反響速率與底物濃度的一次方成正比。即酶催化次方成正比。即酶催化ABAB的過(guò)程的過(guò)程二、單底物酶促反響動(dòng)力學(xué)二、單底物酶促反響動(dòng)力學(xué)1、米氏方程、米氏方程根據(jù)根據(jù)“酶酶-底物中間復(fù)合體

11、底物中間復(fù)合體 的假設(shè)，對(duì)酶的假設(shè)，對(duì)酶E催化底物催化底物S生成產(chǎn)物生成產(chǎn)物P的反響的反響SP，其反，其反響機(jī)制可表示為響機(jī)制可表示為 k+1 k+2 E + S ES E+P k-1 E S X Pk+1 k-1 k+2-相應(yīng)各步的反響速度常數(shù)相應(yīng)各步的反響速度常數(shù)E S X P-對(duì)應(yīng)物質(zhì)的濃度對(duì)應(yīng)物質(zhì)的濃度P的生成速度可表示為：的生成速度可表示為：rp= k+2Xn三點(diǎn)聽(tīng)說(shuō)：三點(diǎn)聽(tīng)說(shuō)：n1 1底物濃度底物濃度SS遠(yuǎn)大于酶濃度遠(yuǎn)大于酶濃度E E時(shí)，時(shí)，X X的構(gòu)成不會(huì)降低底物濃度的構(gòu)成不會(huì)降低底物濃度SS，底物濃，底物濃度以初始濃度計(jì)算；度以初始濃度計(jì)算；n2 2不思索不思索 E+PES E

12、+PES這個(gè)可逆反響的這個(gè)可逆反響的存在。存在。n3 3ES E+PES E+P是整個(gè)反響的限速階段是整個(gè)反響的限速階段 米氏方程：米氏方程： ,max121()ppsmpsmmrSrrKSrrKkkKk 底物的消耗速率產(chǎn)物的生成速率米氏常數(shù)三、固定化酶促反響動(dòng)力學(xué)n固定化酶促反響過(guò)程中，需思索分散傳質(zhì)與固定化酶促反響過(guò)程中，需思索分散傳質(zhì)與催化反響的相互影響，有外部與內(nèi)部分散的催化反響的相互影響，有外部與內(nèi)部分散的不同傳質(zhì)方式，內(nèi)部分散與催化反響有時(shí)是不同傳質(zhì)方式，內(nèi)部分散與催化反響有時(shí)是同時(shí)進(jìn)展的，外分散通常先于反響。同時(shí)進(jìn)展的，外分散通常先于反響。n1、外部分散過(guò)程、外部分散過(guò)程n 底物

13、由液體主體向固定化酶顆粒外表的底物由液體主體向固定化酶顆粒外表的分散速率分散速率Ns正比于傳質(zhì)外表積及傳質(zhì)推進(jìn)力，正比于傳質(zhì)外表積及傳質(zhì)推進(jìn)力，即即n 分散速率分散速率 Ns=KLaSSsnKL-液膜傳質(zhì)系數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù)na-傳質(zhì)比外表積傳質(zhì)比外表積nS-液體主體中的底物濃度液體主體中的底物濃度nSs-固定化酶外表處底物濃度固定化酶外表處底物濃度n在穩(wěn)定形狀下，傳質(zhì)速率等于酶促反在穩(wěn)定形狀下，傳質(zhì)速率等于酶促反響速率，當(dāng)反響按米氏方程規(guī)那么時(shí)響速率，當(dāng)反響按米氏方程規(guī)那么時(shí)有：有：nNs=KLaSSsn當(dāng)當(dāng) SsS時(shí)，主體傳送阻力可以忽時(shí)，主體傳送阻力可以忽略略n當(dāng)當(dāng)Ss遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于S時(shí)，整個(gè)

14、反響速率由時(shí)，整個(gè)反響速率由外分散控制外分散控制n固定化酶的反響體系中效率因子外分散的固定化酶的反響體系中效率因子外分散的定義為定義為out0outoutrr有 外 擴(kuò) 散 影 響 時(shí) 實(shí) 際 反 應(yīng) 速 率無(wú) 外 擴(kuò) 散 影 響 時(shí) 固 定 化 酶 外 表 面 處 的 反 應(yīng) 速 率2 2、內(nèi)部分散過(guò)程、內(nèi)部分散過(guò)程n對(duì)于具有大量?jī)?nèi)孔的球形固定化酶顆粒，內(nèi)部是對(duì)于具有大量?jī)?nèi)孔的球形固定化酶顆粒，內(nèi)部是酶促反響的主要場(chǎng)所酶促反響的主要場(chǎng)所n顆粒內(nèi)部各處底物和產(chǎn)物的濃度不同，各處的反顆粒內(nèi)部各處底物和產(chǎn)物的濃度不同，各處的反響速率和選擇性有差別。響速率和選擇性有差別。 00.502SsPsPrV

15、Der d SA -西勒準(zhǔn)數(shù)，是外表反響速率即以固定化酶外外表處的西勒準(zhǔn)數(shù)，是外表反響速率即以固定化酶外外表處的濃度為基準(zhǔn)反響速率與內(nèi)分散速率之比濃度為基準(zhǔn)反響速率與內(nèi)分散速率之比VP-VP-固定化酶顆粒體積固定化酶顆粒體積, rs-, rs-固定化酶的反響速率固定化酶的反響速率AP-AP-固定化酶顆粒外外表的面積固定化酶顆粒外外表的面積, S-, S-平衡時(shí)的底物濃度平衡時(shí)的底物濃度De-De-載體內(nèi)部底物的分散系數(shù)載體內(nèi)部底物的分散系數(shù)SS-SS-固定化酶顆粒外外表底物濃度固定化酶顆粒外外表底物濃度n對(duì)于球形固定化酶顆粒的內(nèi)分散效率因子有對(duì)于球形固定化酶顆粒的內(nèi)分散效率因子有0ininrr

16、顆 粒 內(nèi) 的 實(shí) 際 有 效 反 應(yīng) 速 率顆 粒 內(nèi) 無(wú) 濃 度 梯 度 時(shí) 的 反 應(yīng) 速 率 n酶反響器酶反響器: :酶為催化劑進(jìn)展生物反酶為催化劑進(jìn)展生物反響的場(chǎng)所響的場(chǎng)所. .n游離酶反響器、固定化酶反響器游離酶反響器、固定化酶反響器n分：固定化單一酶、復(fù)合酶、分：固定化單一酶、復(fù)合酶、細(xì)胞器、細(xì)胞等方式細(xì)胞器、細(xì)胞等方式 酶反響器及其操作參數(shù)酶反響器及其操作參數(shù)n酶反響器的分類(lèi)酶反響器的分類(lèi)型式稱(chēng)號(hào)型式稱(chēng)號(hào)操作方式操作方式闡明闡明單相系統(tǒng)單相系統(tǒng)酶反響器酶反響器攪拌罐攪拌罐分批、流加分批、流加靠機(jī)械攪拌混合靠機(jī)械攪拌混合超濾膜反響器超濾膜反響器分批、流加或延分批、流加或延續(xù)續(xù)適用

17、于高分子底物適用于高分子底物多相系統(tǒng)多相系統(tǒng)酶反響器酶反響器攪拌罐攪拌罐分批、流加或延分批、流加或延續(xù)續(xù)靠機(jī)械攪拌混合靠機(jī)械攪拌混合固定床填充床固定床填充床延續(xù)延續(xù)適用于固定床酶適用于固定床酶或微生物反響中或微生物反響中流化床流化床分批、延續(xù)分批、延續(xù)靠溶液的流動(dòng)混合靠溶液的流動(dòng)混合膜反響器膜反響器懸濁氣泡塔懸濁氣泡塔延續(xù)延續(xù)分批、延續(xù)分批、延續(xù)膜狀或片狀固定化膜狀或片狀固定化適于氣體為底物適于氣體為底物 2延續(xù)式酶反響器的流動(dòng)形狀延續(xù)式酶反響器的流動(dòng)形狀分為理想型與非理想型分為理想型與非理想型1 1理想型理想型 活塞式：延續(xù)操作活塞式反響式活塞式：延續(xù)操作活塞式反響式CPFR continu

18、ous plug flow CPFR continuous plug flow reactorreactor, ,適用反響器為填充床或膜適用反響器為填充床或膜反響器反響器 活塞式流動(dòng)：指反響液在反響器內(nèi)徑活塞式流動(dòng)：指反響液在反響器內(nèi)徑呈嚴(yán)厲均一的速度分布，流動(dòng)好像活塞運(yùn)呈嚴(yán)厲均一的速度分布，流動(dòng)好像活塞運(yùn)動(dòng)，反響速度僅隨空間位置不同而變化。動(dòng)，反響速度僅隨空間位置不同而變化。 全混式：延續(xù)操作攪拌式反響式全混式：延續(xù)操作攪拌式反響式CSTR CSTR continuous-flow stirred tank continuous-flow stirred tank reactorreacto

19、r，為攪拌罐。反響速度僅隨，為攪拌罐。反響速度僅隨時(shí)間變化時(shí)間變化全混式流動(dòng)：指反響器混合足夠劇烈，因全混式流動(dòng)：指反響器混合足夠劇烈，因此反響器內(nèi)濃度分布均勻，且不隨時(shí)間此反響器內(nèi)濃度分布均勻，且不隨時(shí)間而變化。而變化。 2非理想型非理想型 具有返混的管型反響器等具有返混的管型反響器等 二、酶反響器設(shè)計(jì)和操作的參數(shù)二、酶反響器設(shè)計(jì)和操作的參數(shù)停留時(shí)間停留時(shí)間停留時(shí)間停留時(shí)間：指反響物料進(jìn)入反響器至分：指反響物料進(jìn)入反響器至分開(kāi)反響器止所閱歷的時(shí)間開(kāi)反響器止所閱歷的時(shí)間對(duì)于對(duì)于CSTR，常用平均停留時(shí)間，常用平均停留時(shí)間 =反響器容積反響器容積/物料的體積流量物料的體積流量/V F 2、轉(zhuǎn)化率

20、n轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率：闡明供應(yīng)反響器的底物發(fā)生轉(zhuǎn)變的：闡明供應(yīng)反響器的底物發(fā)生轉(zhuǎn)變的分量分量n分批式操作中：分批式操作中：初始底物濃度初始底物濃度-t-t時(shí)間底物濃度時(shí)間底物濃度/ /初始底物濃度初始底物濃度0tPSPttn延續(xù)操作中：延續(xù)操作中：n n 流入底物濃度流入底物濃度-流出底物濃流出底物濃度度/流入底物濃度流入底物濃度 inoutinSSS 3、消費(fèi)才干、消費(fèi)才干Prn消費(fèi)才干消費(fèi)才干Pr：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位反響器體積內(nèi)：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位反響器體積內(nèi)的產(chǎn)物量。的產(chǎn)物量。n分批式操作中：分批式操作中：nPt ：t時(shí)間單位反響液體積中產(chǎn)物的生成量時(shí)間單位反響液體積中產(chǎn)物的生成量0r PtPSttn

21、延續(xù)操作中：延續(xù)操作中：n Pout：?jiǎn)挝惑w積流出液中的產(chǎn)物量：?jiǎn)挝惑w積流出液中的產(chǎn)物量r PoutinPS 4、選擇性SPn選擇性SP：闡明整個(gè)反響的平均選擇性，指從1mol底物S中所得到產(chǎn)物P的摩爾數(shù)，由反響的量論關(guān)系而決議的。n平均選擇性 n瞬時(shí)或部分選擇性為n rp - 主反響速度n rs-副反響速度0 ( )pspPSaSSpppsrSrr三、理想的酶反響器三、理想的酶反響器1、CPFR型酶反響器CPFR具備的特點(diǎn)：在正常的延續(xù)穩(wěn)態(tài)操作情況下，在反響器的各個(gè)截面上，物料濃度不隨時(shí)間而變化；由于徑向有嚴(yán)厲均勻的速度分布，故反響速率隨空間位置的變化只限于軸向。 對(duì)對(duì)CPFR進(jìn)展物料衡算，

22、沿反響器軸向恣意切進(jìn)展物料衡算，沿反響器軸向恣意切出長(zhǎng)度為出長(zhǎng)度為dl的一個(gè)微元管段作為反響器微元，的一個(gè)微元管段作為反響器微元，該微元的體積記為該微元的體積記為VAdl， 對(duì)于其他各級(jí)反響可得到普通的關(guān)系式對(duì)于其他各級(jí)反響可得到普通的關(guān)系式: sd sr 1 2、CSTR型酶反響器型酶反響器n在穩(wěn)定形狀下，在穩(wěn)定形狀下，CSTR型酶反響器內(nèi)各處的濃度型酶反響器內(nèi)各處的濃度和溫度均不隨空間位置和時(shí)間而變化，因此反和溫度均不隨空間位置和時(shí)間而變化，因此反響器內(nèi)各處的反響速率相等，所以可對(duì)整個(gè)反響器內(nèi)各處的反響速率相等，所以可對(duì)整個(gè)反響進(jìn)展物料衡算，一級(jí)反響條件下，對(duì)組分響進(jìn)展物料衡算，一級(jí)反響條

23、件下，對(duì)組分S單位時(shí)間內(nèi)有：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)有：n流入量流入量 = 流出量流出量 + 反響量反響量 + 積累量積累量n FS0 FSt rsV 0 n FFS0FSt=rsV 將上式變?yōu)槠胀ɑ年P(guān)系式將米式方程代入上式，得操作方程： FS0 FSt 也可寫(xiě)為(2) 式 總體積 0tSSk S 0tsSSr 00maxmsSSKSSSVFrrS 2001mSKk E2 3、CSTR型與CPFR型反響器性能的比較1 1停留時(shí)間的比較停留時(shí)間的比較將將1 12 2的結(jié)果繪于右圖中的結(jié)果繪于右圖中橫坐標(biāo)為組分橫坐標(biāo)為組分S S的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率X X，縱坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為反響速的倒數(shù)為反響速的倒數(shù)1/1/rsrs

24、。 在一樣的工藝條件下進(jìn)展同在一樣的工藝條件下進(jìn)展同一反響，到達(dá)一樣轉(zhuǎn)化率時(shí)，所一反響，到達(dá)一樣轉(zhuǎn)化率時(shí)，所需的停留時(shí)間不同。需的停留時(shí)間不同。CSTRCSTR型的停型的停留時(shí)間比留時(shí)間比CPFRCPFR型反響器的長(zhǎng)，即型反響器的長(zhǎng)，即前者所需的反響器體積比后者大。前者所需的反響器體積比后者大。圖中向右斜的線所圍的面積相當(dāng)圖中向右斜的線所圍的面積相當(dāng)于于CSTRCSTR型反響器到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)化率型反響器到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間，向左斜的線所圍的所需的時(shí)間，向左斜的線所圍的面積為面積為CPFRCPFR型反響器到達(dá)一樣轉(zhuǎn)型反響器到達(dá)一樣轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間。最終轉(zhuǎn)化率越化率所需的時(shí)間。最終轉(zhuǎn)化率越高，兩者

25、的差距越大。高，兩者的差距越大。2酶需求量的比較酶需求量的比較n當(dāng)當(dāng)Km遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于s0時(shí)，反響速率可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)時(shí)，反響速率可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)來(lái)描畫(huà)，于是，來(lái)描畫(huà)，于是，12式可簡(jiǎn)化成如下式子：式可簡(jiǎn)化成如下式子：n n n其中常數(shù)其中常數(shù) 可以為是擬一級(jí)速率常數(shù)可以為是擬一級(jí)速率常數(shù)Kf nCSTR中所需酶的量與中所需酶的量與CPFR中所需的酶的量之比，中所需的酶的量之比，可從可從3式和式和4求得。求得。201mKkE2 0ln 1moutKk E3 4 對(duì)于一級(jí)動(dòng)力學(xué)對(duì)于一級(jí)動(dòng)力學(xué) 5式闡明，轉(zhuǎn)化率越高CSTR中所需酶的相對(duì)量也就越大。另外，比值還依賴(lài)于反響級(jí)數(shù)，一級(jí)反響時(shí)其比值最大，零

26、級(jí)反響時(shí)其比值最小。 1ln 1CSTRCPFRoutEE5 反響體積一定到達(dá)一樣轉(zhuǎn)化率時(shí)反響體積一定到達(dá)一樣轉(zhuǎn)化率時(shí) 與轉(zhuǎn)化率的關(guān)與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系系 /C STRC PFREE 01()KmS 一級(jí)反應(yīng)/C STRC PFREE 00(0)KmS級(jí)反應(yīng) 0()KmS一級(jí)反應(yīng)n假設(shè)反響按米氏定律，那么酶需求量的相對(duì)比值假設(shè)反響按米氏定律，那么酶需求量的相對(duì)比值與轉(zhuǎn)化率之間的函數(shù)關(guān)系可由以下圖表示與轉(zhuǎn)化率之間的函數(shù)關(guān)系可由以下圖表示: :n所以所以, ,可根據(jù)所需轉(zhuǎn)化率可根據(jù)所需轉(zhuǎn)化率X X來(lái)選擇反響器的來(lái)選擇反響器的類(lèi)型類(lèi)型, ,或者確定它們所需酶的相對(duì)量或者確定它們所需酶的相對(duì)量. .n 6

27、6n式中式中EE反響器中的有效酶濃度反響器中的有效酶濃度n Kd Kd酶的衰退常數(shù)酶的衰退常數(shù)n t t操作時(shí)間操作時(shí)間dd EKEd t假設(shè)把126結(jié)合起來(lái)，可得描畫(huà)酶衰變時(shí)的操作方程： 式中，式中，X0X0，XtXt分別為分別為t=0t=0和和 t= t t= t 時(shí)的轉(zhuǎn)化率時(shí)的轉(zhuǎn)化率 0000ln 1lnln 1mdtmtSKKtSK000001ln1mdmtttKSKtKS7 8 CSTRCPFRn由由7 78 8式可知，零級(jí)反響時(shí)，式可知，零級(jí)反響時(shí)，CSTRCSTR與與CPFRCPFR內(nèi)酶活力的衰退沒(méi)有什么區(qū)別。假內(nèi)酶活力的衰退沒(méi)有什么區(qū)別。假設(shè)反響從零級(jí)增至一級(jí)，那么，兩種反響設(shè)

28、反響從零級(jí)增至一級(jí)，那么，兩種反響器轉(zhuǎn)化率下降的差別就變得明顯。器轉(zhuǎn)化率下降的差別就變得明顯。CPFRCPFR產(chǎn)產(chǎn)量的下降比量的下降比CSTRCSTR快得多，因此快得多，因此CPFRCPFR中酶的中酶的失活比失活比CSTRCSTR中更為敏感。如上所述，在某中更為敏感。如上所述，在某些場(chǎng)所，操作條件一樣，要得到同樣的轉(zhuǎn)些場(chǎng)所，操作條件一樣，要得到同樣的轉(zhuǎn)化率，化率，CSTRCSTR所需酶的數(shù)量遠(yuǎn)大于所需酶的數(shù)量遠(yuǎn)大于CPFRCPFR所需所需的酶量。的酶量。4反響器中的濃度分布反響器中的濃度分布n以下圖繪出以下圖繪出CSTRCSTR與與CPFRCPFR中底物濃度分布。中底物濃度分布。nS S0 S

29、S S0 Sn n n n S0 S0nCPFR 0 1 CSTR 0 1CPFR 0 1 CSTR 0 1n n 在在CPFRCPFR中，雖然在出口端底物濃度較低；但進(jìn)口中，雖然在出口端底物濃度較低；但進(jìn)口端高端高,CSTR,CSTR中底物總處于低濃度范圍。假設(shè)酶促反響速中底物總處于低濃度范圍。假設(shè)酶促反響速率與底物的濃度成正比，那么，對(duì)率與底物的濃度成正比，那么，對(duì)CSTRCSTR而言，由于整個(gè)而言，由于整個(gè)反響器處于低反響速率條件下，所以其消費(fèi)才干也低。反響器處于低反響速率條件下，所以其消費(fèi)才干也低。例題m ax338*10/( . )rm ol ms31/mKmol m35.0*10pdm531*10/Fm s33 1*10/inSmol m1031*10/eDms解：反響器出口的底物濃度解：反響器出口的底物濃度 3311*10 1 0.9550/outinSSmol m 31000 50317/1000lnln50inoutinoutSSSmol mSS1進(jìn)口與出口底物的對(duì)數(shù)平均濃度進(jìn)口與出口底物的對(duì)數(shù)平均濃度2 max0.5max0.5/()121lnmminoutmSS