生化工程,第五章理想流動(dòng)生化反應(yīng)器

1、生化工程生化工程第五章理想流動(dòng)生化反應(yīng)器第五章理想流動(dòng)生化反應(yīng)器 3連續(xù)操作的反應(yīng)器連續(xù)操作的反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器(CPFR)填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器全混式反應(yīng)器全混式反應(yīng)器（CSTR）攪拌罐反應(yīng)器攪拌罐反應(yīng)器非理想反應(yīng)器非理想反應(yīng)器4 停留時(shí)間停留時(shí)間 反應(yīng)器體積反應(yīng)器體積V VR R 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 =(S=(S0 0-S)/S-S)/S0 0 生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力( (生產(chǎn)強(qiáng)度生產(chǎn)強(qiáng)度)P)PX X: : 單位時(shí)間單位體積單位時(shí)間單位體積的細(xì)胞的生產(chǎn)量的細(xì)胞的生產(chǎn)量(kg m(kg m-3 -3 h h-1 -1) )。55.1.1 反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算

2、：反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算：特征：無物料輸入和輸出，物料充分混合特征：無物料輸入和輸出，物料充分混合問題：將底物問題：將底物S0轉(zhuǎn)化至轉(zhuǎn)化至S所需的反應(yīng)時(shí)間？所需的反應(yīng)時(shí)間？tSrdds根據(jù)反應(yīng)速率定義式：根據(jù)反應(yīng)速率定義式：積分初始條件：積分初始條件：t=0, S=S0; 分離變量積分得，分離變量積分得，SSSrSt0dSubstratesCell or enzyme(5-1)(5-2)6SSSrSt0dmKSSrvdtdSmaxSrSrKKSSrStSSmSSm)d1dmaxmaxmax(00(a). 對于均相酶促催化反應(yīng)，因此，積分得到，(5-3)(5-4)(5-5)SSlnKSS(rtmmax0

3、01(5-6)M-MM-M方程方程7 rSS Stime對于單底物酶促反應(yīng)BSTR的反應(yīng)器，S 1/rStS0SSSrSt0d圖解法圖解法8(b).對于細(xì)胞反應(yīng)，延滯期，對數(shù)生長期，減速期，靜止期。對數(shù)生長期細(xì)胞生長時(shí)間的計(jì)算.XXXrdXt0(5-7)XrXmax 代入積分式后積分得到001XXtXXtlnlnmaxmax 對數(shù)生長期，比生長速率達(dá)到最大(5-8)(5-9)9減速期細(xì)胞生長時(shí)間的計(jì)算.XXrdXt0XSXKSSXrmax 假設(shè)底物全部用于合成菌體，則：減速期，比生長速率受到底物濃度的限制SXYX-XSS/00000011XYSKkSSkXXktSXS/SSmax wherel

4、nKlnK 代入積分式得：10XXXrdXt0BSTR圖解法求反應(yīng)時(shí)間圖解法求反應(yīng)時(shí)間t5.1.2 反應(yīng)體積反應(yīng)體積對于間歇操作的反應(yīng)器，反應(yīng)物要達(dá)到一定的反應(yīng)程度，對于間歇操作的反應(yīng)器，反應(yīng)物要達(dá)到一定的反應(yīng)程度，僅與過程的速率有關(guān)，而與反應(yīng)器的大小無關(guān)。僅與過程的速率有關(guān)，而與反應(yīng)器的大小無關(guān)。X0XXr111SiirSSVVR變換方程得到：)(SSrrSSVViSSiiRm1平均停留時(shí)間反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起，至離開反應(yīng)器時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間(5-15)(5-16)RsooiiVrSVSVVi SiVo So PoinputoutputVR S ERsooiiVrSVSVooiSSVV

5、, 物料平衡方程：對于底物S(5-14)12CSTR的反應(yīng)時(shí)間圖示求解的反應(yīng)時(shí)間圖示求解)(SSrrSSVViSSiiRm1反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起，至離開反應(yīng)器時(shí)算起，至離開反應(yīng)器時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間為止所經(jīng)歷的時(shí)間mSiS,SoSr1m酶反應(yīng)過程酶反應(yīng)過程細(xì)胞反應(yīng)過程細(xì)胞反應(yīng)過程 m mS,SoSiSr1RsooiiVrSVSVVi SiVo So PoinputoutputVR S E P135.2.1. 對于CSTR中的酶促反應(yīng)：SKSrrmmS(5-17)(SSSKSrimmm代入平均停留時(shí)間公式得:(5-18)變換后得到：S-SSKSSrimimm)(5-19)因

6、此，也可以用稀釋率因此，也可以用稀釋率D可以算出反應(yīng)器中可以算出反應(yīng)器中底物的濃度。底物的濃度。Dm1145.2.2 對于對于CSTR中的中的細(xì)胞生長反應(yīng)細(xì)胞生長反應(yīng)：RsooiiVrSVSVXi Vi SiVo So Xo PoinputoutputVR S X P恒化器恒化器恒濁器恒濁器細(xì)胞生長反應(yīng)是一種細(xì)胞生長反應(yīng)是一種自催化自催化反應(yīng)反應(yīng)細(xì)胞質(zhì)量細(xì)胞質(zhì)量增加速率增加速率流出細(xì)胞流出細(xì)胞細(xì)胞生長速率細(xì)胞生長速率oioigrowthRRooiiRRVV,XXXX)tX,dtV)tX(VXVXVtVXtXV , ,dd( d whereddddddgrowth00(a)對對細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度X

7、進(jìn)行物料衡算：進(jìn)行物料衡算：(5-20)growthdddd)tX(VXVXVt)XV(RooiiR流入細(xì)胞流入細(xì)胞15RoRiVVVVD def.對于單級對于單級CSTR,當(dāng)當(dāng)Xi=0時(shí)，穩(wěn)態(tài)條件下，時(shí)，穩(wěn)態(tài)條件下，應(yīng)存在應(yīng)存在0tXdd growthdddd)(tXXVVtXRoD 因此，因此，(5-22)對于單級對于單級CSTR,穩(wěn)態(tài)條件穩(wěn)態(tài)條件下，應(yīng)存在下，應(yīng)存在(5-21)XDDXXdtdX)( 上式成立的前提條件是：上式成立的前提條件是：16對于單級CSTR,穩(wěn)態(tài)條件下，應(yīng)存在00tXtSdd ,dd(b)類似地對于底物S作物料平衡計(jì)算：XYSSDrSSDtSSXiSi/)( )(

8、dd1(5-23)從式5-22知,因此,從式5-22,5-23可得,D(5-22)XYSX /1S-Si(5-24)17變換方程可得到求解S和X的公式,DDKSYSSYXDDKSSiSXiSXmax/max)(SDXPX5-265-27生產(chǎn)強(qiáng)度對于單級CSTR,在穩(wěn)態(tài)條件下,SKSDSmax(5-25)18DCXPX=DXX=YX/S(Si-S)SiDDDKSmSDopt生產(chǎn)強(qiáng)度生產(chǎn)強(qiáng)度PX=DX)()(/DDKDSYSSYDDXPmSiSXiSXX2 要使要使PX達(dá)到最大，令達(dá)到最大，令dPX/dD=0,得到得到Dopt)(iSSmoptSKKD1當(dāng)當(dāng)D達(dá)到臨界稀釋率達(dá)到臨界稀釋率(DC)時(shí)

9、時(shí),S=Si,細(xì)胞濃度為細(xì)胞濃度為0,反應(yīng)器不能正常操作反應(yīng)器不能正常操作.iSimCSKSD19因此，在CSTR連續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)，稀釋率D是有限制的。一般認(rèn)為，當(dāng)D Dc m時(shí)，才存在一穩(wěn)定操作狀態(tài)。(c) 對于產(chǎn)物P作物料平衡計(jì)算： 與細(xì)胞生長方程式5-21類似，可得到，DPXqdtdPP所以得到CSTR條件下的總衡算方程組PPiSPPX/SqDPXqdtdPSSDmXYXqYXdtdSDXXdtdX)(/穩(wěn)態(tài)條件下穩(wěn)態(tài)條件下000dtdPdtdSdtdX2021(d) P與X的相關(guān)關(guān)系產(chǎn)物合成類型生長偶聯(lián)型 生長非偶聯(lián)型 生長半偶聯(lián)型XPDPPDPXPDPXDDDXPDP22(e) 反應(yīng)時(shí)

10、間,即平均停留時(shí)間 D1m23經(jīng)經(jīng)濃縮后濃縮后的細(xì)胞懸液被送回反應(yīng)器，細(xì)胞的的細(xì)胞懸液被送回反應(yīng)器，細(xì)胞的循環(huán)循環(huán)相當(dāng)于不斷地給反應(yīng)器接種相當(dāng)于不斷地給反應(yīng)器接種RsooiiVrSVSVVi SiVo So XoinputoutputVR S XVr Sr =S1 Xr PrR = Vr / Vi = Xr / X1 濃縮比濃縮比R 循環(huán)比循環(huán)比Vo+Vr S1 X1D=Vi/VR濃縮濃縮24(a)在穩(wěn)態(tài)的條件下對CSTR做細(xì)胞(X)的物料衡算輸入量輸入量+循環(huán)量循環(huán)量+生長量輸出量生長量輸出量ViXi+VrXr+VRrX=(Vo+Vr)X1因?yàn)橐驗(yàn)閄i=0, Vr=RVi, rX=X, Vo

11、=DVR, Xr=X1, X=X1所以，所以，由于由于1R0, 1, 所以所以1+R- R 恒小于恒小于1, 因此因此 D)(R RDR RD11or 令令 W= 1+R- R 0W1 0 +R DVR X + VR X = (DVR + R DVR)XR D + = D + R D25(b)在穩(wěn)態(tài)的條件下對CSTR做基質(zhì)(S)的物料衡算ViSi+RViS1+VRrS=Vi (1+R)S1假設(shè)則整理得到，SXYXr/1S所以，所以，SXiYX)SD(S/11 11)S(SWYXiSX/因此，因此，WDWDKSmS1WD26因?yàn)橐驗(yàn)閃 1, 反應(yīng)器出口的細(xì)胞濃度比無循環(huán)時(shí)的細(xì)胞濃度大，出口處基質(zhì)

12、濃度比無循環(huán)時(shí)的基質(zhì)濃度低，有利于基質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)提高了細(xì)胞的生產(chǎn)率。在有循環(huán)的條件下，其臨界稀釋率在有循環(huán)的條件下，其臨界稀釋率DCr為為由于循環(huán)作用，使其臨界稀釋率提高，允許的加料速率亦由于循環(huán)作用，使其臨界稀釋率提高，允許的加料速率亦可提高。如果加料速率不變，則所需反應(yīng)器體積可減小?？商岣摺Ｈ绻恿纤俾什蛔?，則所需反應(yīng)器體積可減小。CCrCCrDDDWSKSWDiSi11max27RsooiiVrSVSVVi SiVo So XoinputoutputVR S XVr Sr =S1 Xr PrR = Vr / Vi = Xr / X1 濃縮比濃縮比R 循環(huán)比循環(huán)比Vo+Vr S1 X1D

13、=Vi/VRDXXoXoDXoDXo紅色紅色表示表示帶循環(huán)帶循環(huán)的的CSTR黑色表示不帶循環(huán)的黑色表示不帶循環(huán)的CSTR28RsooiiVrSVSVVi SiVo So XoinputoutputVR S XVr Sr =S1 Xr PrR = Vr / Vi = Xr / X1 濃縮比濃縮比R 循環(huán)比循環(huán)比Vo+Vr S1 X1D=Vi/VRSiS,SoSr1mSiS,SoSr1m不帶循環(huán)帶循環(huán)不帶循環(huán)帶循環(huán)循環(huán)操作對平均停留時(shí)間的影響循環(huán)操作對平均停留時(shí)間的影響rmrSWDWDKS1由前述推導(dǎo)的公式由前述推導(dǎo)的公式SSrSrrrDRRWWSKSWD111111 where, ,max得到：

14、得到：29Vi=V1=V2=V3=V, VR1=VR2=VR3=VRRsooiiVrSVSVRsooiiVrSVSVRsooiiVrSVSVVi Si XiV1 S1 X1V2 S2 X2V3 S3 X3穩(wěn)態(tài)操作，穩(wěn)態(tài)操作，各個(gè)反應(yīng)器內(nèi)為全混流，反應(yīng)器之間無返混各個(gè)反應(yīng)器內(nèi)為全混流，反應(yīng)器之間無返混各反應(yīng)器操作條件相同，得率為常數(shù)各反應(yīng)器操作條件相同，得率為常數(shù)對第對第2個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：(5-20)growthdddd)tX(VVXVXt)XV(RR221222212growth2R21R22RX)XD(XdtdX)dtdX(V)XV(XdtdVXdtdXV30X1

15、Xi=0X2X31/rX當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，dX2/dt=0所以，所以，)XXD(1212在上二式中，需要先求出在上二式中，需要先求出S2后后才可以求出才可以求出X2，進(jìn)而求得，進(jìn)而求得 2X2=X1+YX/S(S1-S2) =Xi+YX/S(Si-S2) =YX/S(Si-S2)為求得為求得S2，對底物，對底物S時(shí)行物料衡算時(shí)行物料衡算S/XY22212X)SD(SdtdS與與Monod方程聯(lián)立可得：方程聯(lián)立可得：)XSSD(Y212X/S2穩(wěn)態(tài)時(shí)，求得：穩(wěn)態(tài)時(shí)，求得：2S2m212X/S2SKS)XSSD(Y(a)式式(b)式式DDKSmS1(c)式式310DDKD)SKDDKS(

16、D)S(m22S2Sm2Sim22m聯(lián)立式聯(lián)立式(a), (b)和和(c),消去消去X2和和S1得到一元二次方程得到一元二次方程此方程的此方程的S2有兩個(gè)解，一個(gè)解小于有兩個(gè)解，一個(gè)解小于S1，另一個(gè)大于，另一個(gè)大于S1，小于，小于S1的解有效。的解有效。根據(jù)求解得到的根據(jù)求解得到的S2，可得到相應(yīng)的，可得到相應(yīng)的X2。X1XiX2X31/rX由左圖所示，隨著串聯(lián)由左圖所示，隨著串聯(lián)CSTR個(gè)數(shù)的增加，個(gè)數(shù)的增加，X增加增加的幅度越來越小；同理，的幅度越來越小；同理，S下降的幅度也趨于變下降的幅度也趨于變小。因此，對提高細(xì)胞產(chǎn)量來說，采用更多的小。因此，對提高細(xì)胞產(chǎn)量來說，采用更多的CSTR串

17、聯(lián)，其意義不大。串聯(lián)，其意義不大。從左圖也可以看出，從左圖也可以看出，CSTR的操作方式很難使細(xì)的操作方式很難使細(xì)胞的濃度達(dá)到很大。胞的濃度達(dá)到很大。由于由于VR1= VR2= VR3 因而因而 m1= m2= m332X1Xi=0X2X31/rX上一頁中求解上一頁中求解S2的方法也可以根據(jù)右的方法也可以根據(jù)右圖寫出公式，由于反應(yīng)器體積相等，圖寫出公式，由于反應(yīng)器體積相等，流量相等，因而反應(yīng)停留時(shí)間相等：流量相等，因而反應(yīng)停留時(shí)間相等：D1)X(Xr1Xr112X21X1)X(XXSSKXXSSK1222m2S111m1S由，由，)S(SYX)D-DK(SY)S(SYXD-DKS2iX/S2m

18、SiX/S1iX/S1mS1代入上式，得：代入上式，得：)S-)(SS(KS)S-)(SS(KS212S12i1S2解一元二次方程可得到解一元二次方程可得到S233 測定測定Monod方程的參數(shù)方程的參數(shù) 測定代謝維持常數(shù)測定代謝維持常數(shù)ms 測定理論得率系數(shù)測定理論得率系數(shù) 研究細(xì)胞反應(yīng)過程中的生理狀態(tài)研究細(xì)胞反應(yīng)過程中的生理狀態(tài) 進(jìn)行代謝流分析和代謝控制分析進(jìn)行代謝流分析和代謝控制分析34RsooiiVrSVSVVi SiVo So Xo PoinputoutputVR S X PVi=Vo=V在穩(wěn)態(tài)條件下，做細(xì)胞的物料平衡：在穩(wěn)態(tài)條件下，做細(xì)胞的物料平衡：以反應(yīng)器為考察系統(tǒng)，以反應(yīng)器為考

19、察系統(tǒng)，每小時(shí)每小時(shí)進(jìn)入進(jìn)入反應(yīng)器的細(xì)胞量為：反應(yīng)器的細(xì)胞量為：0 mol/h在在反應(yīng)器中反應(yīng)器中每小時(shí)的生長量為：每小時(shí)的生長量為：VR rX mol/h每小時(shí)每小時(shí)流出流出反應(yīng)器的細(xì)胞量為：反應(yīng)器的細(xì)胞量為：V Xo mol/h物料平衡：物料平衡： VR rX = V Xo XrVVDXRmaxmaxmax111SKDSKSDSS 35(1/D)=10(1/S)+0.05由方程的斜率和截距由方程的斜率和截距可得動(dòng)力學(xué)參數(shù)可得動(dòng)力學(xué)參數(shù) mmol/L 200 ,h 20-1SmK0.000.010.020.030.040.050.00.10.20.30.40.50.6 1/D1/S在雙倒數(shù)坐

20、標(biāo)系中，對Monod方程進(jìn)行了線性化處理.36 5.75qPqSqP qS P/SpSX/SS YqmYq37 174012017406811740.mY.Y.qS/X SX/SS22017406811740.Y.Y.S/XX/S0211740120.m S注意注意：當(dāng)體系達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，：當(dāng)體系達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，Xi=0, = DqP=D Po/XqS=D (Si-So)/X38活塞流活塞流滯流滯流湍流湍流dL是一種理想的流動(dòng)模型是一種理想的流動(dòng)模型全混流全混流是一種理想的流動(dòng)模型是一種理想的流動(dòng)模型39SiSoinputoutputV =ViV =Vo平穩(wěn)，等速流動(dòng)，不存在返混，所有微元體在反應(yīng)器中

21、的停留時(shí)間都是相同的。返混返混：反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的微元流體之間的：反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的微元流體之間的“混合混合”。CSTRCSTR反應(yīng)器可使這種返混的程度達(dá)到最大，常稱為反應(yīng)器可使這種返混的程度達(dá)到最大，常稱為全混流全混流反應(yīng)器，反應(yīng)器，CPFRCPFR是另一個(gè)極端，在反應(yīng)器中不存在返混，是是另一個(gè)極端，在反應(yīng)器中不存在返混，是活塞流活塞流反應(yīng)器。反應(yīng)器。主要用途主要用途：對剪切敏感的組織培養(yǎng)過程，廢水處理過程，固定化酶和：對剪切敏感的組織培養(yǎng)過程，廢水處理過程，固定化酶和固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程。固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：較高的產(chǎn)率，易優(yōu)化控制：較高的產(chǎn)率，易優(yōu)化控制40對CPFR微

22、元中的反應(yīng)組分進(jìn)行物料衡算輸入量輸出量+反應(yīng)量V S V (S + dS ) + dVRrS所以-V dS = dVRrS得到由于P=VR/VdVRdLSS +dSSiSoinputoutputV =ViV =VooiSSSRrSVVd(5-25)oiSSSrSdP(5-26)41oiSSSrSdPCPFR的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算與的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算與BSTR相同，相同，但不同于但不同于CSTR(5-26) P PSoSiSr1 P PSoSiSr1酶催化反應(yīng)過程酶催化反應(yīng)過程細(xì)胞反應(yīng)過程細(xì)胞反應(yīng)過程42(a) 酶促催化反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算SKSrrmSmax代入式5-26，積分后得到)(maxoimoimS

23、SmSSKSSrSSrSKoilndP1與BSTR反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間關(guān)系式式5-6相似(5-27)43(b) 培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算對細(xì)胞生長來說，對細(xì)胞生長來說，SXSSKYrSVVoioiSSSSXSSSRd dPmax/)(dVRdLSS +dSSiXi=0SoXoinputoutputVV(5-28)44(c) 帶有循環(huán)的CPFRCPFR在軸向上在軸向上無返混無返混，因此在進(jìn)行細(xì)胞反應(yīng)時(shí)，必須向，因此在進(jìn)行細(xì)胞反應(yīng)時(shí)，必須向反應(yīng)器中不斷地接種反應(yīng)器中不斷地接種,否則細(xì)胞將被洗出否則細(xì)胞將被洗出.一般情況下一般情況下不單獨(dú)使用不單獨(dú)使用CPFR解決方法：解決方法：1. 在在CPFR加上循

24、環(huán)加上循環(huán)2. 與與CSTR組合起來使用組合起來使用45dVRdLSS +dSSiXi=0So=S2Xo=X2inputoutputVVV1V1S1X1S2X2V2, S2, X2M當(dāng)當(dāng)有循環(huán)有循環(huán)時(shí)，上述時(shí)，上述基本基本關(guān)系式關(guān)系式仍然成立，但物仍然成立，但物料出入口的料出入口的體積流量體積流量和和物料濃度物料濃度發(fā)生了改變。發(fā)生了改變。帶有循環(huán)時(shí)培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算oiSSSrSdP P PSoSiSr1R=V2/V46dVRdLSS +dSSiXi=0So=S2Xo=X2inputoutputVVV1V1S1X1S2X2V2, S2, X2M定義循環(huán)比定義循環(huán)比RV2/V, 則反應(yīng)器

25、入口處物料處理量為則反應(yīng)器入口處物料處理量為V1V+V2V(1+R)反應(yīng)器入口處的濃度可通過做反應(yīng)器入口處的濃度可通過做M點(diǎn)物料平衡求出點(diǎn)物料平衡求出VSi+RVSoV1S1V(1+R)S1代入式5-26，得到，RRSSSoi11(5-29)SrRVVRRSoSiSoSRd P111)(5-30)47根據(jù))( ,110/0max/SSYXXXSKSYrYrSXSSXXSXS若X00，則對式5-30積分得，RRRSRSSSKRooiiSP11lnln)(maxP, R, So 只要已知兩個(gè)參數(shù)，就可確定第三個(gè)。對帶循環(huán)的CPFR，可通過改變循環(huán)比R，以使過程優(yōu)化。如令dX/dR=0,得到RRSS

26、KRRRRSRSSSKoiSooiiS111R)(lnln用數(shù)值法求解方程可得到最佳循環(huán)比R。485.4 BSTR、CSTR與與CPFR的性能比較的性能比較RsooiiVrSVSVVi SiVo So Xo PoinputoutputVR S X PdVRdLSiSoV =ViV =VoRsooiiVrSVSVVR S X PS-tS-LSiSoSiSoSiSoStL49(a) 對于酶催化過程對于酶催化過程達(dá)到同一轉(zhuǎn)化率時(shí)，達(dá)到同一轉(zhuǎn)化率時(shí)，CSTR所需反應(yīng)時(shí)間比所需反應(yīng)時(shí)間比CPFR所需反應(yīng)時(shí)間多，或需要所需反應(yīng)時(shí)間多，或需要更多的酶。并且轉(zhuǎn)化率越高，兩者的差距就越大，這表明，轉(zhuǎn)化率越高，更

27、多的酶。并且轉(zhuǎn)化率越高，兩者的差距就越大，這表明，轉(zhuǎn)化率越高，返混對反應(yīng)影響程度越大。返混對反應(yīng)影響程度越大。PSoSi1/rSmS,SoSi1/rS)(SSriSm1oiSSSrSdPCSTRCPFRmmmSmmSrSrKrSKSrr11 曲線是單調(diào)的50(b) 對于細(xì)胞反應(yīng)過程對于細(xì)胞反應(yīng)過程 SKSXXrSmX假設(shè)0iiiSXXSSXXY , /因此，)(/SSYXiSX因此，XYXSKYXSrSXiSSXimX/)(51PXoXi1/rXmXoXi1/rx因此因此rX-X曲線是有一最大值的曲線曲線是有一最大值的曲線CSTRCPFRPXoXi1/rXmXoXi1/rxm P52CPFRX

28、oXi1/rXCSTRXopt采用采用CSTR在前，在前，CPFR在后相互串聯(lián)的反應(yīng)器組合方式，在后相互串聯(lián)的反應(yīng)器組合方式，CSTR維持在最大速率下操作，反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度為維持在最大速率下操作，反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度為Xopt,同時(shí)同時(shí)為為CPFR連續(xù)穩(wěn)定地提供細(xì)胞。這種組合的操作方式往往可以連續(xù)穩(wěn)定地提供細(xì)胞。這種組合的操作方式往往可以減少反應(yīng)時(shí)間，或者減少反應(yīng)器的體積。減少反應(yīng)時(shí)間，或者減少反應(yīng)器的體積。RsooiiVrSVSVVi SiinputVR S X PoutputVo So XoCSTR在前，在前，CPFR在后，在后，相互串聯(lián)相互串聯(lián)53RsooiiVrSVSVF SiVR S X

29、 P恒速補(bǔ)料指數(shù)補(bǔ)料變速補(bǔ)料u 在反應(yīng)過程中不斷向反應(yīng)器中加入基質(zhì)，但又不同時(shí)在反應(yīng)過程中不斷向反應(yīng)器中加入基質(zhì)，但又不同時(shí)取出培養(yǎng)液的操作方法取出培養(yǎng)液的操作方法1. 雜菌污染機(jī)會(huì)小雜菌污染機(jī)會(huì)小2. 能解除底物抑制能解除底物抑制3. 易控制發(fā)酵過程易控制發(fā)酵過程54假設(shè)：假設(shè)：基質(zhì)的消耗僅用于合成菌體基質(zhì)的消耗僅用于合成菌體分批培養(yǎng)階段：分批培養(yǎng)階段：分批培養(yǎng)階段分批培養(yǎng)階段結(jié)束時(shí)結(jié)束時(shí)，初始底物被耗盡，初始底物被耗盡，則則)(/SSYXXSX0010101SSXX, 01SYXSX /初始底物濃度初始底物濃度55細(xì)胞的細(xì)胞的總量總量為：為：培養(yǎng)體積變化：培養(yǎng)體積變化：XVXRTV0：初始

30、培養(yǎng)體積：初始培養(yǎng)體積(L)FdtdVRFtVVR0細(xì)胞濃度：細(xì)胞濃度：RTVXX/因此，因此，XDdtdXDF/VFdtdVXdtdXVdtdVXdtdXVdtdXRRTTRRTTR)(,/,/)/()/( and 2F：流加速率：流加速率(L/h)56DSX進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)的進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)的前提條件前提條件：擬穩(wěn)態(tài)擬穩(wěn)態(tài)D=11XSSYiSX)(/Si:補(bǔ)料液中的基質(zhì)濃度補(bǔ)料液中的基質(zhì)濃度S1:分批培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的基質(zhì)濃度分批培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的基質(zhì)濃度X1:分批培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的細(xì)胞濃度分批培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的細(xì)胞濃度進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)時(shí)：進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)時(shí)：D=DDKSSKSSSmaxmaxt5758加入基質(zhì)速率隨時(shí)間呈指數(shù)變化，例如

31、可表示為：主要的控制策略是控制基質(zhì)濃度在反應(yīng)過程中保持恒定主要的控制策略是控制基質(zhì)濃度在反應(yīng)過程中保持恒定)( tReVV0)()(SfeXVXVtR00反饋控制反饋控制檢測基質(zhì)濃度檢測基質(zhì)濃度CEROUR59解解:在在CSTR中，穩(wěn)態(tài)時(shí)有，中，穩(wěn)態(tài)時(shí)有，)(h 2 . 05/11 -RVVD因此因此g/L 402021220.maxmaxSSKSSKSg/L 56040610.).(.)(/SSiYXSX-1-1hL g 112. 056. 02 . 0XrX1 -maxh 6 . 0)6221 (2 . 11iSSoptSKKD(2)-1h L 356 . 0RoptDVV(1)SS221

32、.60RsooiiVrSVSVVi SiVo So XoinputoutputVR S XVr Sr =S1 Xr PrR = Vr / Vi = Xr / X1 濃縮比濃縮比R 循環(huán)比循環(huán)比Vo+Vr S1 X1D=Vi/VR例例5.2:在一帶循環(huán)的在一帶循環(huán)的CSTR反應(yīng)器中進(jìn)行下述反應(yīng)反應(yīng)器中進(jìn)行下述反應(yīng):已知已知Si=3 g/L, V=Vi=0.1L/h, YX/S=0.5, VR=1 L, R=0.5,=2.求求:X1,S1,Xo解：解：W=1+R-R =1+0.5-0.5x2=0.5 D=Vi/VR=0.1/1=0.1 h-1SS12SKSWWDSmax1g/LSSS0256. 0

33、 125 . 011 . 0111g/L 3)313(5 . 05 . 0)(11/1SSYWXiSXg/L 5 . 15031.WXXoWXRRXXXRVXVXRVVXVXVXVVoooooorrooro111111)()()( 61例例5-3: 對某一均相對某一均相酶催化酶催化反應(yīng)反應(yīng):SP,假定其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程符合假定其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程符合M-M方程方程,且已知且已知Km=1.2 mol L-1, rmax=0.03 mol L-1min-1. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求年產(chǎn)產(chǎn)物根據(jù)設(shè)計(jì)要求年產(chǎn)產(chǎn)物P為為72000 mol, 并已知并已知S0=2 mol L-1, S=0.1 mol L-1, 全年反應(yīng)

34、器的操作時(shí)全年反應(yīng)器的操作時(shí)間為間為7200 h, 若采用若采用BSTR，則每一操作周期內(nèi)所需的輔助時(shí)間為，則每一操作周期內(nèi)所需的輔助時(shí)間為2 h.若分若分別采用別采用BSTR、CSTR和和CPFR進(jìn)行上述反應(yīng)，試求所需反應(yīng)器有效體積應(yīng)為多進(jìn)行上述反應(yīng)，試求所需反應(yīng)器有效體積應(yīng)為多少升？少升？解解: (1)若采用若采用BSTR每一批完成反應(yīng)所需的時(shí)間：每一批完成反應(yīng)所需的時(shí)間：每一批的輔助時(shí)間是每一批的輔助時(shí)間是2h，所以每一周期時(shí)間為，所以每一周期時(shí)間為:3+2=5h.每年的生產(chǎn)批次為每年的生產(chǎn)批次為=7200/5=1440批批每一批生產(chǎn)得到的產(chǎn)物濃度為每一批生產(chǎn)得到的產(chǎn)物濃度為=2-0.1=1.9 mol L-1每一批的生產(chǎn)任務(wù)為每一批的生產(chǎn)任務(wù)