生物反應(yīng)器操作模式

本章主要內(nèi)間歇操作反應(yīng)器計算連續(xù)操作反應(yīng)器計算流加操作反應(yīng)器計算生物反應(yīng)器分形式：間歇操作:生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式，根據(jù)反應(yīng)及物料的特性和生產(chǎn)工藝。 確定最佳操作條件及其控制方式，如溫度、壓力、pH、通氣量、物料流量等；計算出所需反應(yīng)器體積，設(shè)計各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等反應(yīng)器設(shè)計的基本方程描述濃度變化的物料衡算式（依據(jù)質(zhì)量守恒定律 恒定律）；描述壓力變化的動量衡算式（依據(jù)動量守恒定律）生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方反應(yīng)器設(shè)計變量的確定控制體積(ControlVolume)生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方物料衡算式：以質(zhì)量守恒定律 能量衡算式：以能量守恒定律第一 間歇操作——非定態(tài)過間歇操作基本特征:反應(yīng)物料一次加入一次卸出;反應(yīng)器物優(yōu)點對設(shè)備和控制的要求較低設(shè)備的通用性較可獲得較高的轉(zhuǎn)化率染菌和細胞突變的風(fēng)險

缺點生產(chǎn)輔助時間較檢測傳感器較易損壞用繼代的 培養(yǎng)負擔(dān)較需要較多的操作人員間歇生物反應(yīng)器特點物料衡算式：累積速率= 間歇培養(yǎng)過程的物料衡 間歇操作反應(yīng)時間的計過程中無物料的輸入與輸出反應(yīng)器內(nèi)混合均勻，控制體取為整個反應(yīng) ??????=? ?? +間歇反應(yīng)器酶促反應(yīng)時間歇反應(yīng)器內(nèi)的細胞反針對對數(shù)生長期 CXCX

YX/SCS1CS KSYX/

KSYX/

maxtr

X/

X1 X1

X/

X S2

反應(yīng)器有效體積的確 是反應(yīng)所需時間， 是輔助操作時V??=

=

????+

例在一間歇操作的反應(yīng)器內(nèi)進行一均相無抑制的酶催化反應(yīng)，反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)如下：酶初始濃度為1mol/L,底物初始濃度為2mol/L?，F(xiàn)生產(chǎn)要求每小時生產(chǎn)產(chǎn)品1000mol，且反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的得率為80%，每一操作周期輔助操作時10min。試求反應(yīng)器的有效體積

= 第二 連續(xù)操作采用連續(xù)操作的反應(yīng)器叫做連續(xù)式反應(yīng)器。原料連續(xù)輸入反應(yīng)器， 應(yīng)速度容易控制；可提高生產(chǎn)率；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、勞動強度低、可以對微生物施加一個特定的強制力(比生長速率、溫度、pH或培基組成)來提供特殊的生長條件，從而篩選出所需的微生物各過程變量可以獨立改變，故特別適用于研究微生物的生理特性使細胞的某些生化活性組份增加或減少染菌和微生物突變的風(fēng)險大只適用于生產(chǎn)能力大，微生物變異小，酶活穩(wěn)定，產(chǎn)品需連續(xù)處理的工業(yè)體系。僅限用于純培養(yǎng)要求不高的情況。連續(xù)操作的分恒化器：在沒有任何反饋控制機構(gòu)時，以一定不變的流量作狀態(tài)。恒濁器：在有反饋控制機構(gòu)條件下，控制培養(yǎng)基的加料速連續(xù)操作的攪拌槽式反應(yīng)器）流入培養(yǎng)液的體積流量反應(yīng)器內(nèi)液體的體積;分別為定常態(tài)下的X,S,的濃單罐連續(xù)發(fā)酵通用物料衡算方d(VRcX)V

V

F

0

d )V

F

dd

d(VRcP)V

F

d

d(VRcS

V

)F

dVR

0

D=F/V,XX

X0X

)非活細胞

d

)PP產(chǎn)物

P0P

)SS底物

(

rX

)

) 總體積

X/ P/RR

單罐連續(xù)培養(yǎng)的變到的狀

單罐連續(xù)培養(yǎng)的變(1)非限制性生長假設(shè):細 速率與所有底物濃度無關(guān)（包括溶氧），所以對于cS和cO 間歇轉(zhuǎn)為連續(xù)操作菌體量可能出現(xiàn)三種現(xiàn)??????=

?221.0h,K2kg/m3msX/D：0.2h-1》0.4h-1》0.6h-1》0.8h-31t（2）底物限制性生長(進料不含細胞) 實際測定中在低值或高恒化器的操作變量為和例Acontinuoussystemforyeastpropagationand/oralcoholproductionistobedesigned.ThedataforthebatchfermentationofmolassesunderconditionssimilartothecontinuousfermentationaregiveninTable.Forafeedspeedof0.5m3/hofmolasses,compute:Primaryfermentervolumeifthefermenterisoperatedat umrateofyeastpropagation,Thevolumeofsecondaryfermenterinseireswiththefirstforoperatingatthe umrateofglucoseutilization,Volumeofthesecondaryfermenter,ifitistobeoperatedatthe umrateofalcoholproduction.例題表例題求例題求(3)過程受底物抑制時帶循環(huán)的連續(xù)培養(yǎng)帶循環(huán)的特性流量衡流量衡對反應(yīng)對系對反應(yīng)菌體衡菌體衡分離器衡濃縮比帶循環(huán)的連續(xù)培養(yǎng)特(1)cxe=0即輕相無菌體,則(2)cxe/cx=1即帶循環(huán)的連續(xù)全混流反應(yīng)器操作,在分離器內(nèi)菌體不濃縮,則(3)Fe/F=1 生化反應(yīng)器的動態(tài)特其操作運行狀態(tài)隨時間變化的特性。的變化軌跡，即當操作條件發(fā)生擾動時，穩(wěn)態(tài)點變化的軌跡和特點。目的：為了更加合理設(shè)計反應(yīng)器，特別是在建立正確的反應(yīng)器控制策略和模型方面，反應(yīng)器的動態(tài)特性是其重要穩(wěn)定性分析的基系統(tǒng)的穩(wěn)定操作狀態(tài)能否基本保持不變的一種特性。反應(yīng)器穩(wěn)定性的實質(zhì)是 的能力大小的一種表。穩(wěn)態(tài)操作點：當外界的干擾后，若系統(tǒng)能回到原來的態(tài)點。非穩(wěn)態(tài)操作點：若在外界的干擾下，系統(tǒng)自動偏離原來的反應(yīng)器不穩(wěn)定性的分一是為反應(yīng)動力學(xué)的不穩(wěn)定性，它是由反應(yīng)動力學(xué) 某種特性所 二是熱不穩(wěn)定性，它是由于反應(yīng)過程熱效應(yīng)與傳熱過分析反應(yīng)器穩(wěn)定性的方 定性分析方法分析反應(yīng)器穩(wěn)定性問題。自激體系：當體系的變化是微小的，或在時間上變化當f(X)=0時，可以得到該方程的解，即其穩(wěn)態(tài)解，該解稱為奇異點，表示成X 。在奇異點附近，若引 x表示體系與該奇異點的偏離，則有：XX 多元線性微分方程組，通過求 穩(wěn)定性分析的主要判本征值本征值實數(shù)部虛數(shù)部負0穩(wěn)定節(jié)點正0指數(shù)增長不穩(wěn)定節(jié)點負非阻尼振蕩穩(wěn)定焦點正非無阻尼振蕩不穩(wěn)定焦點0非持續(xù)振蕩舉例：連續(xù)培養(yǎng)的動態(tài) (c x)(m(ycSs)

dy

KS(ycSs 按xym(ycSs)/KS(ycSs)cSs 按dxaxa dyaxa

0, 1 2 2ym2e1tme2t 2

穩(wěn)定的充分條件是1+2<0和12>01和2為實根a.當1和2都為負實數(shù)時，式(10－14)收斂于零，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定1和2>0，x和y發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定1和2為共軛復(fù)根實部>0，x和y振蕩發(fā)散，不穩(wěn)定實部=0，x和y有界振蕩，系統(tǒng)將在某一范圍里反復(fù)變化1和2為重根1=2<0，穩(wěn)定1=-a12/YX/S＝-(μm-D)[cS0(μm-D)-KSD]/(2＝- cX

mcS

)

0

cS)

cXYX/

mcSKS

半間歇半連續(xù)操定義:指原料與產(chǎn)物只有其中一種作為連續(xù)輸入或輸出，而其余則為分批加入或輸出的操作，相應(yīng)的反應(yīng)器稱為半間歇式反應(yīng)器或半連續(xù)式反應(yīng)器。料分批培養(yǎng)，或稱流加操作技術(shù)。流加培 連續(xù)流加反應(yīng)體積不為常數(shù)dVR/dt=F，隨流加速率而變定態(tài)時限制性底物流加速率與菌體消耗該底物的速率相等，可看作一物料衡算方細胞濃度隨時間的變化率為 (V

dVR)

R

R R流加系統(tǒng)對底物的衡算：累積速率=進入速率-率d(cSVR)

d(cXVR)體積按流加速率而變化

FcS0YX/ Y擬定dcX/dt=0，=D，cS=KSD/(μm-細胞總量積累速：

d(cXVR

cX與連續(xù)