連續(xù)式操作反應器演示文稿

連續(xù)式操作反應器演示文稿第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)酶反應連續(xù)操作反應器（1）全混合式反應器（CSTR）對底物的物料衡算式有：

——物料流量——進料、反應器中的底物濃度——反應器有效體積第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二在連續(xù)穩(wěn)態(tài)時，，并由上式可得：均相酶反應，符合M-M方程反應：第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二（2）平推流式反應器（CPFR)連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作時，,于是第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二對整個反應器有，有第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二對符合M-M方程的反應，積分：

第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

由以上積分式可知，平推流式反應器（CPFR)與間歇操作全混合反應（BSTR），其反應時間相同，不同之處是，一個是反應濃度隨著反應時間而變化，一個是隨著反應器的位移而變化。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

連續(xù)操作反應器的特點：CSTR：反應器濃度均一，濃度不隨時間變化，流出的物料濃度與反應器內物料濃度相同。CPFR：物料濃度在橫截面上濃度均一，隨著在反應器內位移而發(fā)生變化。第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二（3）影響酶反應速率的因素1、酶濃度

2、溫度3、PH第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

（4）CSTR與SPFR選擇與結合酶反應過程，首先以單底物、無抑制的均相酶反應動力學為例對CSTR和CPFR作比較與選擇。第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二達到同一轉化率時，CSTR所需體積要比CPFR所需體積大，或需要更多的酶。并且轉化率愈高，兩者比值愈大。這表明，轉化率愈高，返混對反應影響程度愈大。隨著Km/Cs0值從零到最大，反應速率與底物濃度的關系由零級升為一級，兩種反應器的體積比隨之增大。這表明，隨著反應級數(shù)提高，返混的影響亦在增大。第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二對底物抑制的酶反應，由于在CPFR中維持了比CSTR中更高的底物濃度，因而在CPFR中底物的抑制作用更強烈，此時顯然采用CSTR更為有利。若為使反應器體積最小，可以采用一個CSTR與一個CPFR的串聯(lián)設計方案，底物在CSTR中的濃度可保持在反應速率最大時的濃度。也可采用循環(huán)式CPFR的設計。對產物抑制酶反應，由于在CSTR中維持了比CPFR中較高的產物濃度，因而在CSTR中產物的抑制作用較大，此時顯然應采用CPFR更為有利于。第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)微生物細胞連續(xù)操作反應器第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二如左圖所示：V–發(fā)酵罐（生物反應器）有效容積（L）F–培養(yǎng)基體積流量（L/h）；CS0

–底物初始濃度（g/L）；CS__—發(fā)酵罐內底物濃度（g/L）；CX—發(fā)酵罐內菌體濃度（g/L）；一、單級連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)）（CSTR)VμCXCSFCSoCXoFCSCXCX0-初始接種菌體濃度（g/L）；第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二生長比速率與稀釋率的關系發(fā)酵罐濃度視為均一開始接入微生物細胞（連續(xù)進料后不再加入)，當連續(xù)穩(wěn)定進料一定時間后，對細胞平衡：生長量=排出量

VμCX=FCX

令：

D-稀釋率（h-1）即：μ=D第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二稀釋率是人為控制的，因此在連續(xù)發(fā)酵過程生長比速率可以人為控制。連續(xù)發(fā)酵的必要條件

D＜μmax當D＞μmax，發(fā)酵就發(fā)生“沖出”現(xiàn)象。

******連續(xù)發(fā)酵μ隨著D的變化而變化，自動趨向穩(wěn)態(tài)，即μ=D第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二底物濃度（CS）與稀釋率的關系：

第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二菌體相對基質得率系數(shù)Yx/s菌體濃度與稀釋率的關系微生物細胞生產強度(PX)與稀釋率的關系第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二菌體濃度（CX）、底物濃度（CS）、生產強度（Px）與稀釋率（D）的關系作圖如下：D(h-1)DoptCXDCXCSDCXCXCSDc第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二從上圖看出：1）在一定的稀釋率下，微生物細胞生產強度(生長速率）（DCX）,隨著稀釋率（D）增大而增大，當達到一定的稀釋率后，其細胞生產強度隨著稀釋率增大而降低。2）稀釋率在一定范圍內變化，細胞濃度（CX）和底物濃度（CS）變化很小。當增大到一定程度，其變化迅速增加。第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二3）稀釋率增大到一定程度時，微生物細胞沖出，罐內菌體濃度為零，底物濃度等于初始濃度，此時的稀釋率稱臨界稀釋率（DC）。4）對細胞生產強度而言，有一個最佳稀釋率（D0pt），即細胞生產強度最高。5）稀釋率越小，底物濃度越低，細胞產率越高（轉化率高）。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

單罐連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)），當轉化率要求不高時，可以使用。如果既要轉化率高，又要細胞生產強度高，單罐連續(xù)發(fā)酵就滿足不了這個條件。如何設計才能使轉化率和生產強度都高，用多級串聯(lián)連續(xù)就能解決這個問題，一般用兩個罐就可滿足生產要求，第一個罐用作提高生產強度，第二個罐用作提高轉化率。第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二最佳稀率（Dopt)

最佳稀釋率是細胞生產強度（生長速率）最大時的稀釋率。生產強度對D求導，等于零，即求得稀釋率最大值Dopt第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二最佳稀釋率對應的最佳細胞濃度（CXopt）及最大生產強度（PX)opt第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二二、兩級串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)）FCSoCXoμ1CX1V1CS1μ2CX2V2CS2FCS2CX2FCS1CX1第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二連續(xù)穩(wěn)定時，CX0=0對第一個罐細胞平衡：第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二對第二個罐細胞平衡：第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二兩罐串聯(lián)與單罐連續(xù)發(fā)酵時間的對比

假定用兩個罐(等體積）串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵，第一個罐的菌體濃度為第二個罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2

兩罐與單罐排出的底物濃度相等，即：

CS2=CS單罐發(fā)酵時間用τ表示:兩罐發(fā)酵時間用τm表示：

第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

以上計算，表明用兩個罐串聯(lián)發(fā)酵（培養(yǎng)）時間是單罐發(fā)酵時間的0.3倍，或說雙罐串聯(lián)發(fā)酵罐體積是單罐體積的0.3倍。反之，也可以說單罐串聯(lián)發(fā)酵（培養(yǎng)）時間是雙罐串聯(lián)發(fā)酵時間的3.33倍，或說單罐發(fā)酵罐體積是雙罐發(fā)酵罐體積的3.33倍。第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

兩級串聯(lián)培養(yǎng)，第一級控制最佳稀釋率,達到最大生長速率。第二級保證底物的轉化率。就是根據(jù)細胞生長動力學的科學設計。第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二三、單罐連續(xù)培養(yǎng)(細胞循環(huán))FCSCX2FCS0μCXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1對菌體平衡發(fā)酵罐培養(yǎng)系統(tǒng)菌體平衡細胞濃縮分離系統(tǒng)菌體平衡第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二FCSCX2FCS0μCXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二細胞循環(huán)連續(xù)發(fā)酵討論循環(huán)與不循環(huán)相比：在轉化率和發(fā)酵罐體積不變時，可提高生產能力。在生產能力和發(fā)酵罐體積不變時，可提高轉化率（CS降低）在生產能力和轉化率一定時，可減小設備體積。如果細胞不濃縮，D=μ，對CSTR無意義。生產能力的提高在于提高了發(fā)酵罐中的細胞濃度。第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二四、帶循環(huán)的CPFRV0CS0V0CSfVrCSfV1CS1第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二對系統(tǒng)物料衡算：反應時間：第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二

帶循環(huán)的CPFR與不帶循環(huán)的相比，對底物的抑制的酶反應起到稀釋作用，可提高反應速率。對細胞反應起到了連續(xù)接種的作用。循環(huán)量大小影響反應時間，因此循環(huán)量過大反應速率下降。

帶循環(huán)的CPFR，循環(huán)量與進料量之比值成循環(huán)比，反應速率最高時的循環(huán)比稱最佳循環(huán)比。第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二八、微生物細胞反應動力學在生產中的應用1、酒精生產應用酒母培養(yǎng)連續(xù)發(fā)酵2、污水處理

厭氧發(fā)酵好氧發(fā)酵第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二酒精連續(xù)發(fā)酵

酒精連續(xù)發(fā)酵源于半連續(xù)發(fā)酵

1933年國外就用糖蜜原料進行酒精半連續(xù)發(fā)酵，采用的技術是對酵母回收利用，在利用的過程酸處理。操作要點：發(fā)酵終了醪液送入酵母分離機，分離相當醪液7%的酵母乳，將酵母乳送到酵母處理槽加硫酸至pH3，酸化6小時，然后與糖蜜稀釋液一起混合進發(fā)酵罐。該技術傳到巴西，所有的酒精工廠都利用。第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二舉例：例1：

日產120KL無水酒精，4個30KL酵母罐，1個25KL硫酸罐，15個100KL發(fā)酵罐，1個10KL糖蜜溶解罐，1個100KL醪液備用罐。3臺離心分離機。設備總容積：1770KL第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二例270年代用糖蜜連續(xù)酒精發(fā)酵，用2個發(fā)酵罐，罐徑5m，高8.6m，總容積170m3，將6T廢糖蜜稀釋22KL，將pH調到5，滅菌。送到發(fā)酵罐，穩(wěn)態(tài)后在第一、二個罐共停留時間10.5小時，第二個罐流出的醪液分離的酵母流入第一個罐，連續(xù)運行兩周后，回收的酵母在pH2下浸泡1小時后再用。酒精度，第一個罐6.1，第二個罐8.4，pH4.7~4.8，100Kg廢糖蜜出28~29L酒精。第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二糖化醪CO2發(fā)酵成熟醪酒精連續(xù)發(fā)酵第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二思考題：1、酒精間歇發(fā)酵一般用幾個發(fā)酵罐？是怎樣設計出來的？發(fā)酵罐的高徑比是多少？發(fā)酵冷卻用怎樣的形式？2、啤酒露天發(fā)酵罐，高徑比值是多少？為什么取較大的高徑比？3、連續(xù)發(fā)酵為什么自動趨向穩(wěn)態(tài)？4、為什么說稀釋率是連續(xù)發(fā)酵的重要參數(shù)?5、酒精連續(xù)發(fā)酵為什么選用5-6個罐串聯(lián)？為什么主要控制第一個罐？第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二污水好氧連續(xù)發(fā)酵清液曝氣池污泥沉淀池污泥循環(huán)泵污水污泥壓縮空氣第48頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二臥式沼氣發(fā)酵池出料進料第49頁，共52頁，2023年，2月20日，星期二連續(xù)發(fā)酵應用及控制要點

污水厭氧連續(xù)發(fā)酵上流式厭氧污泥床反應器（UASB）第50頁，共5