第五章 間歇式操作反應(yīng)器

1、 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-101 1、生化反應(yīng)器？、生化反應(yīng)器？利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。 回顧一下：回顧一下：生化反應(yīng)器中可進(jìn)行的反應(yīng)類型？生化反應(yīng)器中可進(jìn)行的反應(yīng)類型？ 再想想：再想想：反應(yīng)器可采取的操作方式？反應(yīng)器可采取的操作方式？2 2、研究反應(yīng)器的目的？、研究反應(yīng)器的目的？ 研究生化反應(yīng)器的基本反應(yīng)規(guī)律研究生化反應(yīng)器的基本反應(yīng)規(guī)律 研究生化反應(yīng)器的基本傳遞規(guī)律研究生化反應(yīng)器的基本傳遞規(guī)

2、律 研究生化反應(yīng)器的研究生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法 上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 5.1.1 生化反應(yīng)器的分類生化反應(yīng)器的分類（ 生化反應(yīng)器可從不同角度分類）生化反應(yīng)器可從不同角度分類） 1、按催化劑類型分類、按催化劑類型分類 酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器 細(xì)胞生化反應(yīng)器細(xì)胞生化反應(yīng)器 上述兩類反應(yīng)有什么區(qū)別？上述兩類反應(yīng)有什么區(qū)別？ 酶反應(yīng)器相對(duì)比較簡(jiǎn)單，酶促反應(yīng)與一般的化學(xué)催化反應(yīng)相同，在反應(yīng)的過(guò)程中酶本身無(wú)變化； 細(xì)胞生化反應(yīng)器相對(duì)比較復(fù)雜，因涉及到避免外界各種雜菌污染、有適應(yīng)細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖以及維持其活性的要求。上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一

3、內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 5.1.1 生化反應(yīng)器的分類生化反應(yīng)器的分類（ 生化反應(yīng)器可從不同角度分類）生化反應(yīng)器可從不同角度分類） 2 2、按操作方式分類、按操作方式分類 間歇反應(yīng)器(分批操作反應(yīng)器)：底物一次加入反應(yīng)器，在反應(yīng)過(guò)程中無(wú)底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，底物和產(chǎn)物的濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化。 連續(xù)反應(yīng)器：底物等連續(xù)輸入反應(yīng)器 產(chǎn)物連續(xù)從反應(yīng)器輸出，反應(yīng)器的任何部位的各組分均不隨反應(yīng)時(shí)間變化（穩(wěn)定態(tài)）。 半間歇反應(yīng)器：半連續(xù)反應(yīng)器 在一次反應(yīng)的過(guò)程中，底物分次補(bǔ)入的操作。上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 5.1.1 生化反應(yīng)器的

4、分類生化反應(yīng)器的分類（ 生化反應(yīng)器可從不同角度分類）生化反應(yīng)器可從不同角度分類）2 2、按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類 有釜式、管式、塔式、膜式等反應(yīng)器有釜式、管式、塔式、膜式等反應(yīng)器3、按反應(yīng)體系的相態(tài)分類、按反應(yīng)體系的相態(tài)分類 均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器4、根據(jù)催化劑在反應(yīng)器的分布方式分類、根據(jù)催化劑在反應(yīng)器的分布方式分類 生物團(tuán)塊生物團(tuán)塊( (包括細(xì)胞、絮狀物、菌絲體包括細(xì)胞、絮狀物、菌絲體) )反應(yīng)器；生物膜反應(yīng)器反應(yīng)器；生物膜反應(yīng)器上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10Batch operationContinuous返混

5、將不同停留時(shí)間的物料之間的混合重要概念：重要概念：Packed bed全混流完全返混理想流動(dòng)模型（全混、活塞流）與非理想流動(dòng)模型活塞流（完全無(wú)返混）在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液象活塞樣流動(dòng)。活塞流反應(yīng)器內(nèi)的物料停留時(shí)間一致。上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10間歇全混型反應(yīng)器（間歇全混型反應(yīng)器（batch stirred-tank reactor， BSTR）連續(xù)全混型反應(yīng)器（連續(xù)全混型反應(yīng)器（continuous stirred-tank reactor，CSTR ） 活塞流反應(yīng)器（活塞流反應(yīng)器（plug flow reactor，PFR） 5.1.1 生化反應(yīng)器

6、的分類生化反應(yīng)器的分類5 5、按流動(dòng)方式分類、按流動(dòng)方式分類全混型反應(yīng)器全混型反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器間歇全混型反應(yīng)器間歇全混型反應(yīng)器連續(xù)全混型反應(yīng)器連續(xù)全混型反應(yīng)器這是兩類典型的理想反應(yīng)器上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10Batch operationContinuousMulti-cascade reactorFluid flow bedStir vesselsuper-filter integration setMulti-cascade semi-operationLoop flow reactorCoil membrane reacto

7、r Packed bedCycle immobilized bedPiping immobilized bed常見(jiàn)反應(yīng)器類型常見(jiàn)反應(yīng)器類型上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10反應(yīng)器計(jì)算的基本內(nèi)容反應(yīng)器計(jì)算的基本內(nèi)容 選擇合適的反應(yīng)器型式選擇合適的反應(yīng)器型式 根據(jù)生物催化劑和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，如反應(yīng)過(guò)程的濃根據(jù)生物催化劑和生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，如反應(yīng)過(guò)程的濃度效應(yīng)、溫度效度效應(yīng)、溫度效 應(yīng)及反應(yīng)的熱效應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)器的流動(dòng)特征應(yīng)及反應(yīng)的熱效應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)器的流動(dòng)特征和傳遞特性，如反應(yīng)器的返混程度，選擇合適的反應(yīng)器，以滿和傳遞特性，如反應(yīng)器的返混程度，選擇合適的

8、反應(yīng)器，以滿足反應(yīng)過(guò)程的需要，使反應(yīng)結(jié)果最優(yōu)。足反應(yīng)過(guò)程的需要，使反應(yīng)結(jié)果最優(yōu)。 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10確定最佳操作條件與控制方式確定最佳操作條件與控制方式 操作條件，如反應(yīng)器的進(jìn)口物料配比、流量、溫度、壓操作條件，如反應(yīng)器的進(jìn)口物料配比、流量、溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率等工藝條件，直接影響反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果，力和最終轉(zhuǎn)化率等工藝條件，直接影響反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果，也影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。對(duì)正在運(yùn)行的裝置，因原料組也影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。對(duì)正在運(yùn)行的裝置，因原料組成的改變，工藝參數(shù)調(diào)整是常有

9、的事。現(xiàn)代化大型化工廠成的改變，工藝參數(shù)調(diào)整是常有的事?，F(xiàn)代化大型化工廠工藝參數(shù)的調(diào)整，是通過(guò)計(jì)算機(jī)集散控制完成的。計(jì)算機(jī)工藝參數(shù)的調(diào)整，是通過(guò)計(jì)算機(jī)集散控制完成的。計(jì)算機(jī)收到參數(shù)變化的信息，并根據(jù)已輸入的數(shù)學(xué)模型和程序，收到參數(shù)變化的信息，并根據(jù)已輸入的數(shù)學(xué)模型和程序，計(jì)算出結(jié)果，送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成參數(shù)的調(diào)整。計(jì)算出結(jié)果，送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成參數(shù)的調(diào)整。 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程反應(yīng)器計(jì)算的基本內(nèi)容反應(yīng)器計(jì)算的基本內(nèi)容上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 計(jì)算完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積計(jì)算完成生產(chǎn)任務(wù)所需

10、的反應(yīng)器體積 反應(yīng)器體積的確定是反應(yīng)器計(jì)算的反應(yīng)器體積的確定是反應(yīng)器計(jì)算的核心內(nèi)容。核心內(nèi)容。根據(jù)根據(jù)所確定的操作條件，針對(duì)所選定的反應(yīng)器型式，計(jì)算所確定的操作條件，針對(duì)所選定的反應(yīng)器型式，計(jì)算完成規(guī)定生產(chǎn)能力所需的反應(yīng)器有效體積，同時(shí)由此完成規(guī)定生產(chǎn)能力所需的反應(yīng)器有效體積，同時(shí)由此確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和尺寸。確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和尺寸。 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程反應(yīng)器計(jì)算的基本內(nèi)容反應(yīng)器計(jì)算的基本內(nèi)容上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10反應(yīng)器計(jì)算的基本方程包括：反應(yīng)器計(jì)算的基本方程包括：描述濃度變化的物料衡算式；描述濃度變

11、化的物料衡算式； 描述溫度變化的能量衡算式；描述溫度變化的能量衡算式； 描述壓力變化的動(dòng)量衡算式；描述壓力變化的動(dòng)量衡算式； 描述反應(yīng)速率變化的動(dòng)力學(xué)方程式。描述反應(yīng)速率變化的動(dòng)力學(xué)方程式。 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程+=Input components /unit volumeconverted components /unit volumeOutput components /unit volumeAccumulatio

12、n of components /unit volume1、Mass balance（Accumulatn is 0 under steady state)Calculation of Mass balance for substrates and products+=Grown cells /unit volumeAccumulated cells /unit volumeDied cells /unit volumeOutput cells /unit volumeInput cells /unit volumeCalculation of Mass balance for cells上一

13、內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10+=2、Energy balance (Heat balance )In a definite time:Input heat /unit timeOutput heat /unit timeReaction heat /unit timeAccumulated heat /unit time3、 Momentum balance It is usually negligible for bioreactors because of operation conducted under constant pressure.

14、5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程In conclusion, each balance in the same model as follows:Input = output + consumption +accumulation上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10底物量消耗的體系內(nèi)底物量生成的體系內(nèi)物質(zhì)量系的底離開(kāi)體物質(zhì)量系的底進(jìn)入體底物質(zhì)量體系內(nèi)累積耗組分量體系內(nèi)消組分量離開(kāi)體系的組分量進(jìn)入體系積組分量體系內(nèi)累1、物料衡算式 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程對(duì)底物，有上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一

15、內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10成產(chǎn)物質(zhì)量體系內(nèi)生產(chǎn)物質(zhì)量離開(kāi)體系產(chǎn)物質(zhì)量進(jìn)入體系積產(chǎn)物質(zhì)量體系內(nèi)累長(zhǎng)細(xì)胞質(zhì)量體系內(nèi)生細(xì)胞質(zhì)量離開(kāi)體系細(xì)胞質(zhì)量進(jìn)入體系積細(xì)胞質(zhì)量體系內(nèi)累對(duì)產(chǎn)物，有對(duì)細(xì)胞，有 5.1.2 生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程生化反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-102、能量衡算式累的熱量體系內(nèi)積單位時(shí)間熱內(nèi)的反應(yīng)單位時(shí)間的熱量輸出體系單位時(shí)間的熱量輸入體系單位時(shí)間上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間（操作時(shí)間（操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間tr+輔

16、助時(shí)間輔助時(shí)間tb） BSTRBSTR特征：特征： 在反應(yīng)的過(guò)程中，無(wú)物料的輸入和輸出；在反應(yīng)的過(guò)程中，無(wú)物料的輸入和輸出； 物料的各組分的濃度在反應(yīng)體系內(nèi)是均一的；物料的各組分的濃度在反應(yīng)體系內(nèi)是均一的； 物料的各組分的濃度僅隨反應(yīng)時(shí)間變化。物料的各組分的濃度僅隨反應(yīng)時(shí)間變化。 BSTRBSTR的底物的物料衡算式為的底物的物料衡算式為: :內(nèi)積累的速率底物在反應(yīng)消耗速率的底物在BSTRBSTRdtdNrVSSRdtdCdtdNVrSSRS1或Batch operation式中 NS底物的質(zhì)量，g或mol VRBSTR的有效體積， VR=常數(shù)上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返

17、回返回2022-5-10SSCCSSrrdCt00001SSSSSSCCCCCX一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間對(duì)上式積分，B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ，反應(yīng)時(shí)間為:令底物轉(zhuǎn)化率令底物轉(zhuǎn)化率:有:SXSSSrrdXCt00上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間（1 1）BSTRBSTR的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間SXSSSrrdXCt00計(jì)算計(jì)算BSTR反應(yīng)時(shí)間的通式反應(yīng)時(shí)間的通式若酶促反應(yīng)符合若酶促反應(yīng)符合M-MM-M反應(yīng)，反應(yīng)，SXSSmSCCSmSSCCSSRd

18、XXCKrCCKCrdCVdCtSSSSS00max0max1100)1 (0SSSXCC上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10SmSSRXKXCrt11ln0maxSSmSSRCCKCCrt00maxln一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間積分得：或SSmSmRCCKXKrt0maxln11lnSSSSRCCXCrt00max當(dāng)CsoKm時(shí)，（1 1）BSTRBSTR的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-1011010010000.1110100CS0/KmtRXS=0.9

19、8XS=0.60XS=0.10一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間（1 1）BSTRBSTR的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間不同轉(zhuǎn) 化率下間歇反應(yīng)時(shí)間與Cs0/Km的關(guān)系上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 P123 例5-1一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10L內(nèi)積累的速率底物在反應(yīng)消耗速率的底物在BSTRBSTRL（2 2）BSTRBSTR的固定化酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的固定化酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間 在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)液相占的體積分率

20、為在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)液相占的體積分率為L(zhǎng) ，則固定化酶相，則固定化酶相所占的體積分率為（所占的體積分率為（1 1L ），酶促反應(yīng)應(yīng)該發(fā)生在固相，在考），酶促反應(yīng)應(yīng)該發(fā)生在固相，在考慮到載體內(nèi)擴(kuò)散的影響等因素有底物在慮到載體內(nèi)擴(kuò)散的影響等因素有底物在BSTRBSTR中的物料衡算式中的物料衡算式: :dtdCVrVSRLSRL1式中 內(nèi)擴(kuò)散的有效因子上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10只有在一級(jí)反應(yīng)時(shí)， 與轉(zhuǎn)化率XS無(wú)關(guān)，積分有:L（2 2）BSTRBSTR的固定化酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的固定化酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間且在載體的體積很

21、小時(shí)，可視為反應(yīng)限制 =1SmSSLLRXKXCrt11ln10maxSSmSSLLRXCKCCrt00maxln1上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10（3 3）BSTRBSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間 由于細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)速率在培養(yǎng)的不同階段的表達(dá)形式是由于細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)速率在培養(yǎng)的不同階段的表達(dá)形式是不同的。因而對(duì)其反應(yīng)時(shí)間的表達(dá)有不同的形式，比較簡(jiǎn)單的不同的。因而對(duì)其反應(yīng)時(shí)間的表達(dá)有不同的形式，比較簡(jiǎn)單的是指數(shù)生長(zhǎng)和減速生長(zhǎng)的所需的時(shí)間。是指數(shù)生長(zhǎng)和減速生長(zhǎng)的所需的時(shí)間。L一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間 設(shè)設(shè) 指數(shù)生長(zhǎng)期所需的時(shí)

22、間為指數(shù)生長(zhǎng)期所需的時(shí)間為tR1，減速生長(zhǎng)期所需的時(shí)間為，減速生長(zhǎng)期所需的時(shí)間為tR2，則總時(shí)間為則總時(shí)間為 tR= tR1 + tR1101021maxmax1ln1XXXXCCXXXXCCXXRCCCdCrdCt2121max2XXXXCCXSSSXCCXXRCCKCdCrdCt上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10)(112/12XXSXSSCCYCC12122maxlnln1SSSXXSRCCKKCCKKt1/11XSXSSCYCKK且則其中一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間上一內(nèi)容上一內(nèi)容下

23、一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10XXXCdtdCr)(10/0XXSXSSCCYCC一、一、BSTR的反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)時(shí)間（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間若指數(shù)生長(zhǎng)期和減速期統(tǒng)一用下述方程表示細(xì)胞生長(zhǎng)速率并有：式中CS0、CX0指數(shù)期開(kāi)始時(shí)底物濃度、細(xì)胞濃度CS、CX減速期結(jié)束時(shí)底物濃度、細(xì)胞濃度上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10XXCCXXSSXXXSSXSSXrdCCCCCYCCCYKYtXX1000/00/max（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間)(1)(10/00/maxXXSX

24、SSXXSXSOCCYCKCCYC代入M-M方程得：上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-100/00/0maxlnlnSSXxXSSXxxrCYCCCYBccAt00/00/XSSXXSSXSSXCCYCCYKYA00/XSSXSSXCCYKYB（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間分部積分可得反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10二、二、BSTRBSTR的有效體積的有效體積在BSTR的操作周期為：（生產(chǎn)時(shí)間） t= tR + tb式中 tR反應(yīng)時(shí)間 tb輔助操作時(shí)間 要求的生產(chǎn)能力（單位

25、時(shí)間的產(chǎn)物的產(chǎn)量）為Pr，單位時(shí)間處理的反應(yīng)液量為V0， Pr與V0的關(guān)系為：SSrXCPV00)(0bRRttVV有反應(yīng)器的有效體積：Cso、Xs初始濃度和最終轉(zhuǎn)化率上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10例： 求某間歇酶促反應(yīng)的BSTR的有效體積VR 。 酶促反應(yīng)符合M-M方程 該酶促反應(yīng)生產(chǎn)的參數(shù)為: k+2=1(1/min)， Km=2mol/L， 加入的初始酶的濃度CE0=1mol/L， 底物的初始濃度CS0=2mol/L， 要求每小時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品1000mol， 反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率XS=0.8， 輔助操作時(shí)間tb=10min上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容

26、回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10min82. 48 . 011ln28 . 0211111ln111ln10020maxSmSSESmSSRXKXCCkXKXCrt解：（1）反應(yīng)時(shí)間上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10（2）該BSTR的有效體積min/L42.108 . 0260/100000SCrXCPVL42.154)42.1082. 4(42.10)(0bRRttVV上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10三、三、BSTRBSTR反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化( (最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間的確定）最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間的確定

27、） 對(duì)生化反應(yīng)，總希望以最小的費(fèi)用獲得最大的利益對(duì)生化反應(yīng)，總希望以最小的費(fèi)用獲得最大的利益目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)以產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、利潤(rùn)或綜合效益等以產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、利潤(rùn)或綜合效益等最優(yōu)化的變量最優(yōu)化的變量在生化反應(yīng)中反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間、培養(yǎng)基的組成在生化反應(yīng)中反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間、培養(yǎng)基的組成、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)溫度、pH值等。值等。 例如簡(jiǎn)單的酶促反應(yīng)（符合例如簡(jiǎn)單的酶促反應(yīng)（符合M-M反應(yīng)）在反應(yīng)）在BSTR進(jìn)行，總操作進(jìn)行，總操作時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間和輔助操作時(shí)間（時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間和輔助操作時(shí)間（ t= tR + tb ，其中，其中tb在某一特定在某一特定的生產(chǎn)中為常數(shù)）以單位時(shí)間的產(chǎn)物量的生產(chǎn)中為常數(shù)）以單

28、位時(shí)間的產(chǎn)物量FP為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10bRPRPttCVF0)()(2bRPPbRPttCdtdCttdtdFBoptRPRPttCdtdC,則為使得FP最大，對(duì)反應(yīng)時(shí)間tR 求導(dǎo)，并令其為0，有：得到三、三、 BSTRBSTR反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-1000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2tCiCPCStR,opt-tbCP,opt三、三、 BSTRBSTR反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程的

29、優(yōu)化圖解法上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10三、三、 BSTRBSTR反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化對(duì)于均相酶反應(yīng)？P125解析法)1()(,maxotpsmsootpsbotprXKcXttr)11ln1(,maxotpsotpsotpsmbXXXKtr最佳轉(zhuǎn)化率求法：上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10 xu=0yuFuy面積面積A剪應(yīng)力剪應(yīng)力F/A與速度遞度與速度遞度du/dy之間的關(guān)系之間的關(guān)系?上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10dyduAFnK剪應(yīng)力剪應(yīng)力F/A與

30、速與速度遞度度遞度du/dy之之間的關(guān)系間的關(guān)系?1、牛頓型流體、牛頓型流體流動(dòng)特性指數(shù)稠度系數(shù)nKKn;剛度系數(shù)屈服應(yīng)力；00氣體、低分子量的液體氣體、低分子量的液體2、非牛頓、非牛頓型流體型流體賓漢塑性流體賓漢塑性流體剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，不流動(dòng)剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，不流動(dòng)黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發(fā)酵液黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發(fā)酵液擬塑性流體擬塑性流體0n1n越大，非牛頓性越明顯越大，非牛頓性越明顯如，淀粉等；發(fā)酵液少見(jiàn)如，淀粉等；發(fā)酵液少見(jiàn)上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O

31、返回返回2022-5-10nK0流體流變特性的總表達(dá)式：冪定律方程對(duì)牛頓型流體：對(duì)擬塑性流體：對(duì)脹塑性流體：對(duì)賓漢型流體：Kn, 1, 0010 , 00n1, 00n1,nK上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10對(duì)非牛頓流體，用表觀黏度表示：.ra上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10多糖和胞外蛋白等分泌物都會(huì)使發(fā)酵液成多糖和胞外蛋白等分泌物都會(huì)使發(fā)酵液成非牛頓型流體非牛頓型流體上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回202

32、2-5-10流體剪 切作用來(lái)自于反應(yīng)器內(nèi)機(jī)械和氣流的攪拌作用機(jī)械攪拌的剪切力估算？氣流攪拌的剪切力的估算？上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10dDndxISFL2時(shí)均切變率時(shí)均切變率228 . 112 . 02 . 08 . 1)(1 .131dDdddDndaveKolmogoroff漩渦長(zhǎng)度漩渦長(zhǎng)度25. 03)(RPRVdnNVP53上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10RBkgdVdVVk36LBkgdHDdVVk2324或P133asavekP134鼓泡反應(yīng)器的時(shí)均切變率主要決定于氣體表觀線速度。鼓泡反應(yīng)器

33、的時(shí)均切變率主要決定于氣體表觀線速度。a-常數(shù)，0.51.0-常數(shù)，10005000Us-氣體表觀線速度，m/s上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10一、氧的傳遞過(guò)程一、氧的傳遞過(guò)程圖圖6-1 6-1 氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過(guò)程氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過(guò)程 氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞的過(guò)氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞的過(guò)程中需要克服哪幾種阻力？程中需要克服哪幾種阻力？氧的整個(gè)傳遞過(guò)程可分為供氧氧的整個(gè)傳遞過(guò)程可分為供氧和耗氧兩個(gè)方面，請(qǐng)分別指出和耗氧兩個(gè)方面，請(qǐng)分別指出這兩個(gè)過(guò)程的傳氧路線？這兩個(gè)過(guò)程的傳氧路線？問(wèn)題問(wèn)題1 1問(wèn)題問(wèn)題2細(xì)胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用細(xì)胞分散在培養(yǎng)

34、液中，只能利用?氧，氧，上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10一、氧的傳遞過(guò)程一、氧的傳遞過(guò)程4、對(duì)流擴(kuò)散通過(guò)液相主體，、對(duì)流擴(kuò)散通過(guò)液相主體，R42、氧從氣泡側(cè)滯流層外分子擴(kuò)散至氣、氧從氣泡側(cè)滯流層外分子擴(kuò)散至氣-液界面處，阻力液界面處，阻力R21、氧氣對(duì)流擴(kuò)散至氣液界面氣泡側(cè)滯流層外，阻力、氧氣對(duì)流擴(kuò)散至氣液界面氣泡側(cè)滯流層外，阻力R1)界面處界面處？無(wú)阻力無(wú)阻力3、氧通過(guò)界面后，分子擴(kuò)散通過(guò)液相側(cè)滯流層，、氧通過(guò)界面后，分子擴(kuò)散通過(guò)液相側(cè)滯流層，R35、通過(guò)細(xì)胞（團(tuán)）外的滯流液膜，到達(dá)液相與細(xì)胞界面處，、通過(guò)細(xì)胞（團(tuán)）外的滯流液膜，到達(dá)液相與細(xì)胞界面

35、處，R56、通過(guò)液固界面，、通過(guò)液固界面，R6；7、細(xì)胞團(tuán)內(nèi)細(xì)胞之間的擴(kuò)散，阻力、細(xì)胞團(tuán)內(nèi)細(xì)胞之間的擴(kuò)散，阻力R78、氧進(jìn)入細(xì)胞、氧進(jìn)入細(xì)胞傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用，阻力，阻力R8上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10瓶頸在哪？瓶頸在哪？一、氧的傳遞過(guò)程一、氧的傳遞過(guò)程上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論1 1、基本定理、基本定理亨利定律： 溶質(zhì)在液相中的體積摩爾濃度溶質(zhì)在液相中的體積摩爾濃度C C與

36、其在氣相中的分壓與其在氣相中的分壓p p* *之間之間存在如下關(guān)系：存在如下關(guān)系：p p* *=C/H=C/H H H溶解度系數(shù)，溶解度系數(shù)，Pa.mol/m3Pa.mol/m3費(fèi)克定律：dzdCDJAABAJ JA A擴(kuò)散通量，單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量擴(kuò)散通量，單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量 ，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s) 。上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-102）傳質(zhì)機(jī)理，先介紹雷諾實(shí)驗(yàn)二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論滯流或?qū)恿鳒骰驅(qū)恿魍牧骰蛭闪魍牧骰蛭闪骼字Z實(shí)驗(yàn)演示

37、雷諾實(shí)驗(yàn)演示上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-102）傳質(zhì)機(jī)理層流流動(dòng)層流流動(dòng) 傳質(zhì)機(jī)理仍為分子擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理仍為分子擴(kuò)散湍流流動(dòng)湍流流動(dòng) 湍流主體中流體產(chǎn)生大量的漩渦，引起流體質(zhì)點(diǎn)間的劇烈湍流主體中流體產(chǎn)生大量的漩渦，引起流體質(zhì)點(diǎn)間的劇烈混合，促進(jìn)了橫向（傳質(zhì)方向）的物質(zhì)傳遞，流體主體的濃度混合，促進(jìn)了橫向（傳質(zhì)方向）的物質(zhì)傳遞，流體主體的濃度分布被均化。分布被均化。二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-103 3）雙膜理論雙膜理論二、氣二、氣-

38、 -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論要點(diǎn)：要點(diǎn)：相互接觸的氣液兩相間有一穩(wěn)定相互接觸的氣液兩相間有一穩(wěn)定的界面，的界面，界面上氣液兩相處于平衡界面上氣液兩相處于平衡狀態(tài)狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在兩層膜，氣膜界面兩側(cè)分別存在兩層膜，氣膜和液膜。兩層膜均很薄，和液膜。兩層膜均很薄，膜內(nèi)流體膜內(nèi)流體是滯流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方是滯流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)式進(jìn)行傳質(zhì)。 膜外氣液相主體中，膜外氣液相主體中，流體流動(dòng)非流體流動(dòng)非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)傳質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，傳質(zhì)阻力集中阻力可以忽略不計(jì)，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。在兩層膜內(nèi)

39、。 上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-104）傳質(zhì)速率方程二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論CIPIN N氧，氧，G GN N氧，氧，L LN NO2O2N N氧，氧，G G= =k kG G(p-p(p-pI I) )N N氧，氧，L L= =k kL L(C(CI I-C)-C)N NO2O2= =K KG G(p-p(p-p* *) )或或 N NO2O2=K=KL L(C(C* *-C)-C)上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10LIGIO/kCC/kppN112LG

40、LIGIOHkkppkHpHpkppN11*/1*/12LGGkHkK114）傳質(zhì)速率方程二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論穩(wěn)態(tài)下：穩(wěn)態(tài)下：N N氧，氧，G G=N N氧，氧，L L=？N NO2O2C CI I= =p pI I.H.HC=pC=p* *.H.HN NO2O2=K=KL L(C(C* *-C)-C)K KL L= =k kL LGLLHkkK111氧氣難溶氧氣難溶上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10氧的傳遞速率總方程式氧的傳遞速率總方程式OTR=K OTR=K L L（c cL L* *-c-

41、cL L）式中：式中： OTR-OTR-單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率，單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率， mol/mmol/m3 3ss； K KL-L-以濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)（以濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s)m/s) 比表面積（比表面積（m m2 2/m/m3 3) ) K KL L-以濃度差為推動(dòng)力的體積傳遞系數(shù)，（以濃度差為推動(dòng)力的體積傳遞系數(shù)，（s s-1-1）；）； c cL L-溶液中氧的實(shí)際濃度，（溶液中氧的實(shí)際濃度，（mol/mmol/m3 3）；）； c cL L* *-與氣相中氧分壓與氣相中氧分壓p p平衡時(shí)溶液中氧濃度，（平衡時(shí)溶液中氧濃度，（mol/mmol/m3

42、3）；）；二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論式中：式中： R Ro2-o2-氧的消耗速率，氧的消耗速率， mol/mmol/m3 3ss； c cx x 細(xì)胞質(zhì)量濃度（細(xì)胞質(zhì)量濃度（m m2 2/m/m3 3) ) q qo2o2-氧消耗比速率，（氧消耗比速率，（s s-1-1）；）；xoLLLOLcqCcakROTRdtdc22)(*5)氧傳遞對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)影響氧傳遞對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)影響上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一

43、內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論式中：式中： K Ko2-o2-氧的飽和系數(shù)氧的飽和系數(shù) r ro2,maxo2,max 氧的最大呼吸速率氧的最大呼吸速率 Da-Da-氧傳遞的氧傳遞的DamkohlerDamkohler數(shù)數(shù)；0dtdcL若細(xì)胞生長(zhǎng)符合若細(xì)胞生長(zhǎng)符合Monod方程，在穩(wěn)態(tài)下，方程，在穩(wěn)態(tài)下，)(*2max,222LLLXOLOLoXoOCcakccKcqcqR若定義akKrDaLOo22max,上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10XOcqOTROUR2max*)(min,max)(LLccaKOTR二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論6）最低溶氧濃度(最低通氣條件最低通氣條件)aKcqccdtdcLXOLL2min,0在恒定狀態(tài)下，上一內(nèi)容上一內(nèi)容下一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄回主目錄O返回返回2022-5-10二、氣二、氣- -液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論液傳質(zhì)過(guò)程的基本定理及雙膜理論7 7）影響氧傳質(zhì)速率的因素）影響氧傳