第四章发酵罐的比拟放大ppt课件.ppt

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1、第五章,生物反应器比拟放大,本章重点,1、发酵罐的放大基础和准则2、以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为基准的放大法3、以搅拌功耗P0 /VL相等的准则进行反应器放大4、酶反应器的放大基础和准则难点：反应器放大设计、计算方法,放大过程中与培养-发酵环境相关的主要因素,与细胞形态学、细胞生理学和过程动力学之间的关系；与生物反应器中的流体力学性质、传质现象及发酵液的理化性质之间的关系。,一、放大目的 产品的质量高，成本低。必须使菌体在大、中、小型反应器中所处的环境（？）完全或基本一致。,第一节 生物反应器放大的目标及方法,二、生物学基础,单位体积输入的功率P0/VL 或液相体积氧传递系数 KLa,

2、有效放大区,产物的相对浓度,三、放大准则与方法,1、放大准则 搅拌功耗P0/V； 体积溶氧系数KLa；搅拌叶尖端线速度Vs；混合时间tM相等准则。,2、放大方法 主要有经验放大法、因次分析法、时间常数法、数学模拟法,第二节通气发酵罐的放大设计,一、机械搅拌通气发酵罐的功率计算 经验放大法,(一)几何相似放大,按反应器的各个部件的几何尺寸比例进行放大。放大倍数实际上就是反应器的增加倍数。,（二）以单位体积液体中搅拌功率P0 /VL相等的准则进行反应器放大,这种方法适用对于以溶氧速率控制发酵反应的生物发酵，粘度较高的非牛顿型流体或高细胞密度的培养 P0/VL 常数 1. 对于不通气的搅拌反应器 2

3、. 对于通气搅拌反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大,对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大，即：对于不通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率计算,对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大,（三）以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为基准的放大法,在耗氧发酵过程中，由于培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受到影响，所以以反应器KLa的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。 这种方法适用于高好氧的生物发酵过程的反应器的放大。,P65 图4-1,在耗氧发酵过程中，培养液中的

4、溶解度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受到影响，以反应器KLa的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。,以KLa值相同放大时，一定要选一个合适的KLa值，可根据微生物发酵产物的产率与KLa大小的关系,例题,(四)以搅拌叶尖线端速度相等的准则进行反应器放大,适用于生物细胞受搅拌剪切影响较明显的发酵过程的放大，例如丝状菌的发酵。搅拌叶尖线端速度（Dn）是决定搅拌剪切强度的关键。叶尖端线速度,（五）混合时间相同的准则,混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所需的时间。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难.,对于几何相似的反应器，,时，从上式可以得出：,（六

5、）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大,单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准态），即：,，m3/（m3min）,操作状态下空气的线速度,，m/h。,，m3/（m3min）,，m3/（m3min）,以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时，有,（七）以空气线速度相同的原则进行放大,以空气线速度相同的原则进行放大时有,由上式可知，当体积放大100倍时，即,若忽略液柱压力，即,即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。,酶反应器的放大基础和准则酶反应器放大设计计算方法,第三节 酶反应器的放大,一、酶促反应动力学基础,与一般化学反应相比，酶促反应要复杂一些，影响酶促反应的主要因

6、素有：酶浓度，底物浓度，温度压力，溶液的介电常数与离强度，pH、内部结构因素等。最根本的是浓度因素1、零级反应：酶促反应速率与底物浓度无关。2、一级反应：反应速率与底物浓度的一次方成正比。即酶催化AB的过程,二、单底物酶促反应动力学,1、米氏方程根据“酶-底物中间复合体” 的假设，对酶E催化底物S生成产物P的反应SP，其反应机制可表示为 k+1 k+2 E + S ES E+P k-1,三点据说：（1）底物浓度S远大于酶浓度E时，X的形成不会降低底物浓度S，底物浓度以初始浓度计算；（2）不考虑 E+PES这个可逆反应的存在。（3）ES E+P是整个反应的限速阶段,米氏方程：,三、固定化酶促反应

7、动力学,固定化酶促反应过程中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，有外部与内部扩散的不同传质方式，内部扩散与催化反应有时是同时进行的，外扩散通常先于反应。1、外部扩散过程 底物由液体主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率Ns正比于传质表面积及传质推动力，即 扩散速率 Ns=KLa（SSs）KL-液膜传质系数；a-传质比表面积S-液体主体中的底物浓度；Ss-固定化酶表面处底物浓度,在稳定状态下，传质速率等于酶促反应速率，当反应按米氏方程规则时有：Ns=KLa（SSs）当 SsS时，主体传递阻力可以忽略当Ss远大于S时，整个反应速率由外扩散控制,固定化酶的反应体系中效率因子（外扩散）的定义为out,2、

8、内部扩散过程,对于具有大量内孔的球形固定化酶颗粒，内部是酶促反应的主要场所颗粒内部各处底物和产物的浓度不同，各处的反应速率和选择性有差异。,-西勒准数，是表面反应速率（即以固定化酶外表面处的浓度为基准反应速率与内扩散速率之比）VP-固定化酶颗粒体积, rs-固定化酶的反应速率AP-固定化酶颗粒外表面的面积, S-平衡时的底物浓度；De-载体内部底物的扩散系数；SS-固定化酶颗粒外表面底物浓度,对于球形固定化酶颗粒的内扩散效率因子有,酶反应器: 酶为催化剂进行生物反应的场所。游离酶反应器、固定化酶反应器（分：固定化单一酶、复合酶、细胞器、细胞等形式）,酶反应器及其操作参数,酶反应器的分类,2连续

9、式酶反应器的流动状态,分为理想型与非理想型（1）理想型 活塞式：连续操作活塞式反应式（CPFR continuous plug flow reactor）,实用反应器为填充床或膜反应器 活塞式流动：指反应液在反应器内径呈严格均一的速度分布，流动如同活塞运动，反应速度仅随空间位置不同而变化。,全混式：连续操作搅拌式反应式（CSTR continuous-flow stirred tank reactor），为搅拌罐。反应速度仅随时间变化全混式流动：指反应器混合足够强烈，因而反应器内浓度分布均匀，且不随时间而变化。,（2）非理想型 具有返混的管型反应器等,二、酶反应器设计和操作的参数,停留时间停留

10、时间：指反应物料进入反应器至离开反应器止所经历的时间对于CSTR，常用平均停留时间 =反应器容积/物料的体积流量,2、转化率,转化率：表明供给反应器的底物发生转变的分量分批式操作中：,（初始底物浓度-t时间底物浓度）/初始底物浓度,连续操作中： （流入底物浓度-流出底物浓度）/流入底物浓度,3、生产能力Pr,生产能力Pr：单位时间、单位反应器体积内的产物量。分批式操作中：Pt ：t时间单位反应液体积中产物的生成量,连续操作中： Pout：单位体积流出液中的产物量,4、选择性SP,选择性SP：表明整个反应的平均选择性，指从1mol底物S中所得到产物P的摩尔数，由反应的量论关系而决定的。平均选择性

11、 瞬时或局部选择性为 rp - 主反应速度 rs-副反应速度,三、理想的酶反应器,1、CPFR型酶反应器CPFR具备的特点：在正常的连续稳态操作情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化；由于径向有严格均匀的速度分布，故反应速率随空间位置的变化只限于轴向。,对CPFR进行物料衡算，沿反应器轴向任意切出长度为dl的一个微元管段作为反应器微元，该微元的体积记为VAdl，,对于其他各级反应可得到一般的关系式:,（1）,2、CSTR型酶反应器,在稳定状态下，CSTR型酶反应器内各处的浓度和温度均不随空间位置和时间而变化，因而反应器内各处的反应速率相等，所以可对整个反应进行物料衡算，一级反应条

12、件下，对组分S（单位时间内）有：流入量 = 流出量 + 反应量 + 积累量 FS0 FSt （rs）V 0 F（FS0FSt）=（rs）V,将上式变为一般化的关系式将米式方程代入上式，得操作方程： FS0 FSt 也可写为(2) 式 总体积,（2）,3、CSTR型与CPFR型反应器性能的比较,（1）停留时间的比较将（1）（2）的结果绘于右图中横坐标为组分S的转化率X，纵坐标为反应速的倒数1/（rs）。 在相同的工艺条件下进行同一反应，达到相同转化率时，所需的停留时间不同。CSTR型的停留时间比CPFR型反应器的长，即前者所需的反应器体积比后者大。图中向右斜的线所围的面积相当于CSTR型反应器达

13、到预定转化率所需的时间，向左斜的线所围的面积为CPFR型反应器达到相同转化率所需的时间。最终转化率越高，两者的差距越大。,（2）酶需求量的比较,当Km远远大于s0时，反应速率可用一级动力学来描述，于是，（1）（2）式可简化成如下式子： 其中常数 可认为是拟一级速率常数Kf CSTR中所需酶的量与CPFR中所需的酶的量之比，可从（3式和（4）求得。,（3）,（4）,对于一级动力学,（5）式表明，转化率越高CSTR中所需酶的相对量也就越大。另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，零级反应时其比值最小。,（5）,反应体积一定达到相同转化率时 与转化率的关系,如果反应按米氏定律，则酶需求量的

14、相对比值与转化率之间的函数关系可由下图表示:,所以,可根据所需转化率X来选择反应器的类型,或者确定它们所需酶的相对量. （6）式中E反应器中的有效酶浓度 Kd酶的衰退常数 t操作时间,若把（1）（2）（6）结合起来，可得描绘酶衰变时的操作方程：,式中，X0，Xt分别为t=0和 t= t 时的转化率,（7）,（8）,CSTR,CPFR,由（7）（8）式可知，零级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区别。如果反应从零级增至一级，那么，两种反应器转化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏感。如上所述，在某些场合，操作条件相同，

15、要得到同样的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的酶量。,（4）反应器中的浓度分布,下图绘出CSTR与CPFR中底物浓度分布。S S0 S S0CPFR 0 1 CSTR 0 1 在CPFR中，虽然在出口端底物浓度较低；但进口端高,CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，那么，对CSTR而言，由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产能力也低。,例题,解：反应器出口的底物浓度,（1）,进口与出口底物的对数平均浓度,（2）,（3）,（4）,（5）,（4）,（1）CSTR设计 对CSTR固定化酶反应器，稳定状态下，底物 的衡算式有,FS0 FS 反应器体积

16、V 空隙率,由于酶促反应在固定化酶颗粒内进行有 V= （1-）V,（7）,（8）,（9）,（10）,（2）CPFR固定化酶反应器设计取长度为L，体积为V的任一微元体积进行物料衡算,FSFS+ S=（rs）V 流入 流出 微小体积内消耗 空隙率 FS V FS+ S FSin FSOUT L L反应器长度,由于酶促反应在颗粒内进行，实际体积应为AL*（1-），即V= AL*（1-） （12）由于底物在颗粒间的空隙内（A）流动，所以体积流量F与底物流动线速度u 有如下关系：F=uA （13）将（12）和（13）代入到（11）中，变为微分形式，得udS/dL =rs（1-） （14）积分（14）得,（15）,