第四章--生物反应器的操作模型.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物反应工程,戚以政 王炳武,北京化工大学生命科学与技术学院,第四章,生物反应器的操作模型,（,12,学时）,4.1,操作模型概论,一、生化反应器的分类,按生物催化剂分,按操作方式分,酶反应器,细胞反应器,间歇操作,连续操作,补料（流加）操作,生化反应器的分类（续）,按结构分（高径比）,釜式（槽式）,管式,生化反应器的分类（续）,按能量的输入方式分,搅拌式,气升式,自吸式,喷射式,机械搅拌罐,气升式,把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，,通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，,由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质,自吸式,转子内部液体被甩出，形成负压,生化反应器的分类（续）,按反应器内流动与混合状态分（返混：具有不同停留时间的物料之间的混合）,理想流动反应器（活塞流、全混流）,非理想流动反应器（槽列模型、一维扩散模型、组合模型）,反应器设计基本方程,物料衡算式,基质,产物,细胞,能量衡算式,4.2,分批操作的搅拌槽式反应器,（,BSTR,）,反应时间的计算,反应器有效容积的确定,间歇反应过程的优化,间歇操作的特点,物料一次性加入，一次性排出,反应时间,t,r,、辅助时间,t,b,浓度仅随时间变化，与位置无关,非稳态过程,一、反应时间,t,r,的计算,物料衡算式（对基质）,通式,均相酶催化反应,固定化酶催化反应,二、反应器有效容积的确定,要求反应器在单位时间内所应处理的物料体积为,V,0,要求反应器在单位时间内得到的产物的量为,P,r,三、间歇反应过程的优化,产率：单位时间产物的产量,四、反复分批操作,4.3,连续操作的搅拌槽式反应器,（,CSTR,）,4.3.1,连续操作的特点,原料连续输入，产物连续流出,组成不随时间、位置变化,返混最大,稳态操作,容易受到杂菌污染,容易发生菌种退化变异,4.3.2,酶催化反应,均相酶催化反应,固定化酶催化反应,4.3.3,细胞反应,对细胞进行物料衡算,临界稀释率,D,C,优化操作,要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大,4.3.4,带循环的,CSTR,对细胞进行物料衡算,基质浓度,细胞浓度,产物浓度,临界稀释率,单级和带循环,CSTR,的比较,稀释率,基质浓度,细胞浓度,产物浓度,临界稀释率,CSTR与膜过滤组合,废水生物处理系统,4.3.5,多级,CSTR,串联,单流多级的前提条件,1）一股进料，稳态操作；,2）各个,CSTR,体积相等；,3）每一个反应器内为全混流，各个反应器之间没有返混；,4）各个反应器的操作条件相同，得率系数为常数。,二级,CSTR,串联,两级CSTR串联的参数变化曲线,作图估计多级CSTR串联参数,4.4,连续操作的管式反应器,（,CPFR,）,连续操作管式流动反应器的特点,LD,相同方向，相同速度,轴向速率相同，无返混,停留时间相同,垂直截面上浓度均一且不随时间变化,浓度是位置,L,的函数,对基质物料衡算,CSTR,CPFR,4.4.2,酶催化反应,一级反应,球状固定化酶,膜状固定化酶,CPFR,和,CSTR、BSTR,的比较,浓度曲线的比较,反应方程式的比较,反应器有效容积的比较,CPFR,与,CSTR、BSTR,的比较,反应器有效容积的比较,相同反应条件下达到相同转化率所需反应器体积,游离酶催化反应,产物抑制,底物抑制,优化,4.4.3 CPFR与CSTR串联,4.4.4 带细胞循环的CPFR,最佳进口浓度的确定,存在底物和产物抑制时的,CPFR,最佳加料出料方式,4.5,补料分批操作反应器,（,FBR,）,物料衡算式,发酵液体积发生变化,稀释率发生变化,无反馈流加和反馈流加,4.6,反应分离耦合操作模型,反应与透析相耦合,反应与萃取相耦合,本章完毕！,