生物过程的反应原理3(PPT).ppt
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1、来自中国最大的资料库下载,第5章 生化反应器的设计与分析5.1概论生化反应器的分类 生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备可从多个角度对其进行分类。按照所使用的生物催化刑的不同,可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。根据反应器的操作方式,可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。,来自中国最大的资料库下载,来自中国最大的资料库下载,图52 几种酶反应器及操作方式示意图(1)间歇式搅拌罐;(2)连续式搅拌罐;(
2、3)多级连续搅拌罐;4)填充床(固定床)(5)带循环的固定床;(6)列管式固定床;(7)流化床;(8)搅拌罐-超滤器联台装置;(9)多釜串联半连续操作;(10)环流反应器;(11)螺旋卷式生物反应器,来自中国最大的资料库下载,图53几种细胞反应器示意图,来自中国最大的资料库下载,生化反应器的基本设计方程 生化反应器设计的最基本内容有:选择合适的反应器型式,根据反应及物料的特性和生产工艺特征,确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等;确定量佳操作条件及其控制方式,如温度、压力、PH、通气量、物料流量等;计算出所需反应器体积,设计各种结构参数等。,来自中国最大的资料库下载,反应器设计的基本
3、方程有三类:描述浓度变化的物料衡算式;描述温度变化的能量衡算式。或称为能量方程;描述压力变化的动量衡算式;(建立这三类方程的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。)反应动力学方程式;热力学计算式;各种传递参数的计算式等。变量分因变量和自变量两种。在反应器设计和分析中,建立物料衡算式时通常以反应组分的浓度或某组分的转化率做为因变量;能量衡算式和动量衡算式则分别以反应物系的温度和压力做因变量。,来自中国最大的资料库下载,对于自变量,有时间自变量和空间自变量两种。对于定态过程。由于因变量与时间无关,因此在建立衡算式时就不须考虑时间变量,非定态过程则两种自变量均要考虑。考虑空间自变量时,
4、一般只限于一维以反应器的轴向距离为空间自变量。所谓控制体积是指建立衡算式的空间范围,即在多大的空间范围内进行衡算。其选择原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。输入输出十消耗十累积,来自中国最大的资料库下载,第5章 生化反应器的设计与分析5.1概论生化反应器的分类 生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备可从多个角度对其进行分类。按照所使用的生物催化刑的不同,可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。根据反应器的操作方式,可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜
5、式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。,来自中国最大的资料库下载,5.2 间歇操作搅拌槽式反应器(BSTR)tr;tb反应时间的计算 对间歇搅拌槽式反应器做物料衡算时,应掌握其两个主要特性:一是在反应进行过程中无物料的输入和输出;二是由于搅拌的作用,反应器内物料充分混合,浓度均一,而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可以对整个反应器做物料平衡。根据式(51),对间歇操作的搅拌稿式反应器,其物料衍算式应为,来自中国最大的资料库下载,(5-5),反应组分转化速率一反应组分的累积速率,对液相反应:,(5-6),若令t=0,Cs=Cs0;t=tr,Cs=Cs,分离变量
6、积分可得:,(5-8),(5-7),来自中国最大的资料库下载,(1)均相酶催化反应。当为单底物无抑制的反应时,可将M-M方程代入式(5-8),并积分可得:,(5-9),(5-10),(5-11),(5-12),对不同Xs值,以trCs0/Km对应作图,得到图5-4。,来自中国最大的资料库下载,图5-4 不同转化率XS下,间歇反应时间tr与Cs0/Km 关系,从图中可以看出当Cs0/Km 值较小时,近似为一级反应。当XS一定,tr将不随Cs0/Km值而变化;当Cs0/Km值较大时,近似为零级反应,此时tr将随Cs0/Km值成比例增加。,来自中国最大的资料库下载,如果在酶催化反应过程中,酶发生失活
7、现象,若为不可逆失活,则:,(5-13),(5-14),代入式(5-8),积分得,(2)固定化酶催化反应,(5-16),(5-15),(5-17),如果反应速率是以单位催化剂的质量来定义的,此时速率以rsw表示,则有:,来自中国最大的资料库下载,(5-18),(5-19),一级不可逆反应,即Cs。Km时,内扩散有效因子与转化率Xs的大小无关,可作常数处理。此时有:,如果固定化酶颗粒很小,反应为动力学控制,1,则可表示为:,(3)微生物反应。由于间歇操作的微生物反应过程的动力学比较复杂,很难用一个统一的动力学方程来表示全过程,并且由于细胞生长过程又包括延迟期、指数生长期、减速期、静止期等,使得反
8、应时间tr的范围亦难以十分明确。比较容易确定的是指数生长期和减速期所需要的时间。,(5-20),来自中国最大的资料库下载,(5-21),(5-22),(5-23),(5-24),在指数期内,基质浓度高,营养物充分,细胞生长不受限制,比生长速率可达到最大值,即,对减速期,由于基质的消耗,细胞的生长速率会受到基质浓度的限制,此时有:,(5-26),(5-25),来自中国最大的资料库下载,(5-27),(5-29),(5-28),并根据:,积分得到:,式中:,但是,由于CX1值很难确定,而CX2值很易确定,因此采用一种近似的计算方法,即从指数期开始到减速期末,总的反应时间tr用一个统一公式来计算:,
9、来自中国最大的资料库下载,(5-30),(5-31),(5-32),5.2.2 反应器有效体积的确定,(5-44),(5-45),反应器的有效体积:,来自中国最大的资料库下载,(5-46),如果要求单位时间内得到产物的量为Pr,则有:,例5.1 在一间歇操作的反应器内进行一均相的无抑制的酶催化反应,已经测得该酶催化反应的动力学参数为 k+2=1min-1,Km=2molL,加入酶的初始浓度CE01mol L。加入反应底物的初始浓度为2mol L。试求 要求每lh生产某产品1000m0l,反应底物的转化率为0.80,并且每一操作周期内所需要的辅助时间为l0min。此时所需要的反应器有效体积VR为
10、多少7 解:(1)先求出达到一定转化率所需反应时间,根据题意,本反应符合M-M方程。因此,根据,来自中国最大的资料库下载,将已知值代入上式:,(2)求反应器有效体积VR。根据VR V0(tr十tb)和PrV0,可分别求出:V0=Pr/(Cs0 Xs)=(1000/60)/(2 0.80)=10.42L/min VR 10.42(4.82+10)=154.4L,5.2.3 间歇反应过程的优化,对于一定反应:,(5-47),1.单位时间的产物产量:,来自中国最大的资料库下载,若使FP为最大,则对反应时间tr求导并令其0,,(5-49),图5-5 使生产率最高的最优反应时间图解,来自中国最大的资料库
11、下载,2.单位质量产物的总费用CT,要使生产成本最低,应使,(5-52),(5-50),采用和图5-5相同的方法求出tr,opt值。,来自中国最大的资料库下载,5.3 连续操作的搅拌槽式反应器(CSTR),有单级CSTR、多级CSTR串联、带有循环的CSTR等。5.3.1 CSTR的基本设计式,来自中国最大的资料库下载,单级CSTR做物料衡算,以反应组分S为例:输入速率=输出速率+反应消耗速率,(5-56),(5-57),(5-58),(5-59),来自中国最大的资料库下载,图5-7 单级CSTR设计关系式的图示,5.3.2 酶催化反应时的单级CSTR均相酶催化反应:,(5-61),(5-60
12、),来自中国最大的资料库下载,(5-62),(5-63),(5-64),如果为固定化酶催化反应,由于有液固两相和内扩散影响的存在,底物的物料平衡式为:,以固定化酶颗粒体积为基准所定义的催化反应速率,(5-65),来自中国最大的资料库下载,微生物反应时的单级CSTR 恒化器,恒浊器 在CSTR中进行微生物反应时,由于CSTR具有的返混性质,只要反应器内有细胞存在,则依靠细胞的自催化能力,即使加入的反应基质中不合有微生物细胞,在一定加料速率范围内CSTR亦能在稳态下操作。1.无代谢产物生成,(5-66),(5-67),(5-68),(5-69),来自中国最大的资料库下载,细胞质量增加速率=加入细胞
13、流出细胞细胞生长的速率,(5-70),(5-71),(5-73),(5-74),(5-75),来自中国最大的资料库下载,(5-76),(5-80),(5-81),(5-82),(5-83),(5-84),(5-85),来自中国最大的资料库下载,(5-86),(5-87),(5-88),(5-89),(5-90),式(5-84)、(5-85)、(5-90)表示的Cs、CX、PX分别与D的关系可参看图5-8,来自中国最大的资料库下载,图5-8 单线CSTR中Cs、CX、PX分别与D的关系PX-D的关系图,可知PX有一极大值。,来自中国最大的资料库下载,(5-91),(5-92),(5-93),(5
14、-94),由式(5-83)可有:当CsCs0时,,(5-95),来自中国最大的资料库下载,(Dc:称为临界稀释率,是操作中允许的上限此时称反应器处于“洗出”操作状态。),(5-96),(5-97),(5-98),Levenspiel定义一参数N,,(5-99),(5-100),(5-101),(5-102),来自中国最大的资料库下载,基质消耗速率为最大处的基质浓度为:,(5-103),对在CSTR中进行细胞反应时,D是有限制的。一般认为,当D小于max值时,才存在一稳定操作状态,如果D max,则CX值是不确定的;当D大于max值时,则CX将减少并一直到零。在设计CSTR时,式(5-80)和式
15、(5-82)必须同得到满足。对式(5-82),当基质完全消耗尽时,细胞是不能再生长;对式(5-80),表示的则是动力学限制的关系,做为Cs的函数。归纳于起来,基于Monod动力学的单级CSTR,有下述关系。,来自中国最大的资料库下载,(5-104),(5-105),(5-106),(5-107),2.有代谢产物生成可对产物做质量衡算,则有:,来自中国最大的资料库下载,(5-108),(5-109),(5-110),3.产物对细胞生长有抑制作用,(5-116),(5-117),来自中国最大的资料库下载,(5-122),(5-121),(5-120),(5-119),图510 CSTR中产物有抑制
16、时最佳操作示意图 1一洗出点,2最佳操作点,4.有细胞的内代谢或死亡存在 Dkd kd:细胞内源代谢或死亡速率常数,h-15.反应限制基质,(5-126),来自中国最大的资料库下载,(5-131),6.既有内源代谢又有代谢产物生成,(5-132),(5-133),(5-134),(5-136),来自中国最大的资料库下载,7.固定化细胞催化反应,(5-140),在某一稀释率D时,有了固定化细胞,可以明显提高基质转化率,但是随着扩散限制作用的加大,反应速率明显在下降。例5.2,来自中国最大的资料库下载,5.3.4 带有细胞循环的单级CSTR,(5-141),(5-142),来自中国最大的资料库下载
17、,(5-145),(5-147),(5-148),(5-149),(5-150),来自中国最大的资料库下载,(5-151),(5-152),由于循环作用,使其临界稀释率提高,允许的加料速率亦可提高。如果加料速率不变,则所需反应器体积可减小。上述各式中,V。、Cs0为反应器新加入基质的体积流量和浓度;Cs1、Cx1为反应器出口处(亦为反应器内)基质和细胞浓度;Vr、Cx r为循环物料的体积流量和其细胞浓度;Dc、Dcr分别为无循环和有循环时的临界稀释率。,来自中国最大的资料库下载,多级CSTR串联可分为三大类:,图516 不同类型的多级CSTR操作(1)单流多级系统,(2)多流多级系统,(3)带
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