反應(yīng)工程 半間歇半連續(xù)操作反應(yīng)器

1、8 半間歇半連續(xù)操作反應(yīng)器半間歇半連續(xù)操作反應(yīng)器8.1 8.1 概述概述8.1.1 8.1.1 半間歇半連續(xù)操作的特點(diǎn)半間歇半連續(xù)操作的特點(diǎn)底物和副產(chǎn)物的濃度得到控制，酶或細(xì)底物和副產(chǎn)物的濃度得到控制，酶或細(xì)胞的反應(yīng)環(huán)境可處于穩(wěn)定的最優(yōu)條件；胞的反應(yīng)環(huán)境可處于穩(wěn)定的最優(yōu)條件；可對(duì)反應(yīng)過程靈活調(diào)控，可用于連續(xù)操可對(duì)反應(yīng)過程靈活調(diào)控，可用于連續(xù)操作不適合的情況，而過程特性又優(yōu)于間作不適合的情況，而過程特性又優(yōu)于間歇操作。歇操作。獲得較高的細(xì)胞濃度、產(chǎn)物濃度和生成獲得較高的細(xì)胞濃度、產(chǎn)物濃度和生成速率；速率；補(bǔ)料分批操作反復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)反復(fù)分批培養(yǎng)8.1.2 8.1.2 半間歇半連續(xù)操作的分類半間歇

2、半連續(xù)操作的分類t1t2t3t1t2t3t4t4t1t2t3t4t0t0t0有反饋和無(wú)反饋操作8.2 8.2 補(bǔ)料分批培養(yǎng)過程的操作模型補(bǔ)料分批培養(yǎng)過程的操作模型8.2.18.2.1基礎(chǔ)模型方程的建立基礎(chǔ)模型方程的建立cFdtdcVdtcVdRR)(dtdVFRdtdVcdtdcVdtcVdRRR)(0RV rFc反應(yīng)流入ccDrccVFrdtdccFdtdcVFcrVRRR000XXXDccdtdcSSXSXSccDcYdtdc0/SSXSXSccDcmYdtdc0/SSXPSXSccDcqmYdtdc0/底物消耗僅用底物消耗僅用于細(xì)胞生長(zhǎng)于細(xì)胞生長(zhǎng)底物消耗用底物消耗用于細(xì)胞生長(zhǎng)于細(xì)胞生長(zhǎng)和

3、維持活動(dòng)和維持活動(dòng)底物消耗用底物消耗用于細(xì)胞生長(zhǎng)、于細(xì)胞生長(zhǎng)、維持活動(dòng)和維持活動(dòng)和產(chǎn)物生成產(chǎn)物生成SSXSXSccDcYdtdc0/XXXDccdtdc0SX/SXX/SSSdcYcDYccdt 0XX/SSXX/SSSd(cYc )D cYccdt 8.2.28.2.2恒流速流加操作模型恒流速流加操作模型 對(duì)補(bǔ)料分批培養(yǎng)對(duì)補(bǔ)料分批培養(yǎng)(FBC)，若以底物消耗，若以底物消耗僅用于細(xì)胞生長(zhǎng)而與維僅用于細(xì)胞生長(zhǎng)而與維持活動(dòng)和產(chǎn)物生成無(wú)關(guān)持活動(dòng)和產(chǎn)物生成無(wú)關(guān)的過程為例的過程為例 相加相加0XX/SSSXX/S S0XX/SSS0XX/SSSd cYccd(cY c )dtdtd cYccD cYcc

4、dtRRRVFDFtVV/0RRRRR0dVdlnVFDF/VdtdtVVFt0XX/SSS0XX/SSSd cYccD cYccdt 0XX/SSSdln cYccDdt R0dlnVFtDdt0XX/SSSR0dln cYccdlnVFtdtdt SSSXXSSSXXRRccYcccYcVV0/00/00XX/SSSdln cYccDdt RRRdVdlnVFDF/Vdtdt0XX/SSSRdln cYccdlnVdtdt XRXXXXcVFcDccdtdc/maxFtVtcVcRSRX0max00)exp(FtVtcVYcYcVtFccRXRSXXSXsRss0max00/0/000)e

5、xp(118.2.3 8.2.3 恒定生長(zhǎng)參數(shù)的流加操作模型恒定生長(zhǎng)參數(shù)的流加操作模型XRXRd(c V )1c Vdt )exp(cc000tVVRXRX0/cdtdsSSXSXSccDcYdtdc0/00XRX/SSSc VYF cc底物消耗底物消耗僅用于細(xì)僅用于細(xì)胞生長(zhǎng)胞生長(zhǎng)RFDV0XR0X/SSS0X0R000X/SSSc VF(t)Ycc cVexp(t)Ycc8.2.4 8.2.4 定值控制的流加模型定值控制的流加模型1、恒pH法2、恒溶氧法8.3 8.3 補(bǔ)料分批培養(yǎng)過程的優(yōu)化補(bǔ)料分批培養(yǎng)過程的優(yōu)化明確過程的目標(biāo)函數(shù)或優(yōu)化準(zhǔn)則。分析影響反應(yīng)過程速率的主要因素及其相互關(guān)系，建立數(shù)

6、學(xué)模型。明確過程的現(xiàn)有初始條件和最終要達(dá)到狀態(tài)變量的范圍。按目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)方程選擇最優(yōu)操作與控制策略。反復(fù)分批操作反復(fù)分批操作全混式生物反應(yīng)器V(Xf,Pf)V(Xf,Pf)(1-)V分離器離心或膜分離V(Pf)(1-)VffPX ,11VXVXVXffi菌體量衡算：fiXX1產(chǎn)物衡算：) (VPVPVPVPfffiVPVPVPiff)1 ( fiPP) 1 (fifiPPXX產(chǎn)物生產(chǎn)能力：RBfRBifRBtPtPPP)(4.3 4.3 流加操作流加操作流加操作的特點(diǎn)是控制基質(zhì)的濃度流加操作的特點(diǎn)是控制基質(zhì)的濃度dtXVdXV)(1dtSVdSFXVin)(1dtPVdXV)(1無(wú)反饋控制的

7、流加操作無(wú)反饋控制的流加操作d(XV)XVdt inX/Sd(VS)1d(VX)FSmVXdtYdtvapdVFKdt菌體生長(zhǎng)速率：基質(zhì)消耗速率：培養(yǎng)基體積變化：1.1.定流量流加操作定流量流加操作菌體衡算：X/Sin0000XVY(FS tV S )X V菌體濃度：X/Sin00000Y(FS tV S )X VXFtVLd(XV)Kdt2.指數(shù)流加操作流量：)exp(0tFF比生長(zhǎng)速率：VFVXXdtdV4.3.2 反饋控制的流加操作（反饋控制的流加操作（略略）比生長(zhǎng)速率恒定培養(yǎng)液體積：)exp(0tVV菌體的量：)exp(00tVXVXVXdtVXd)(4.4 4.4 連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)

8、分批培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞濃度、限制性基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度隨時(shí)間變化。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗或有害代謝物的積累，反應(yīng)只能在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，而不能維持很長(zhǎng)時(shí)間。如果向生物反應(yīng)器中以一定的流量加入新培養(yǎng)基，同時(shí)不斷排除有害代謝物，生物反應(yīng)可長(zhǎng)期進(jìn)行下去。這種培養(yǎng)方法就是連續(xù)培養(yǎng)，可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。4.4.1單級(jí)連續(xù)培養(yǎng)dtdXVFXXVFX 0以反應(yīng)器作細(xì)胞的物料平衡加入 生長(zhǎng) 流出 積累FXXVdtdXVVXSSFdtSdVin)(PFXVdtdPV菌體生長(zhǎng)速率：基質(zhì)消耗速率：產(chǎn)物生成：DXXdtdXXSSDdtSdin)(PDXdtdP菌體生長(zhǎng)速率：基質(zhì)消耗速率：產(chǎn)物生成：DXXdtdXXSSDdtSdin)(PDX

9、dtdPXDSKSdtdXsmax)(max/SKSYXSSDdtSdsSXinmax/PDXSKSYdtPdsXP0maxXDSKSdtdXs)(max/SKSYXSSDdtSdsSXin當(dāng)穩(wěn)態(tài)時(shí)：0dtPddtSddtdX)(max/SSDSKSYXinsSX)(/maxSSDYSKSXinSXs)(/SSDYDXinSX)(/SSYXinSX0maxDSKSs)(max/DDKSYXSinSX)(max/DDKSYXSinSXDDKSSmax)(max/DDKSYPSinSP這些式子分別表明了稀釋率與各物質(zhì)濃度之間的關(guān)系。在穩(wěn)定狀態(tài)下，在穩(wěn)定狀態(tài)下，=D。由于由于D= F/ V，所以當(dāng)，

10、所以當(dāng)V一定時(shí)，反應(yīng)也的流量一定時(shí)，反應(yīng)也的流量F可以控制可以控制的大小。的大小。0)(max/DDKSYXSinSXinSincriSKSDDmaxDcri為臨界稀釋率.微生物的培養(yǎng)一般在微生物的培養(yǎng)一般在SinKS的條件系進(jìn)行的，的條件系進(jìn)行的，所以所以Dcrimax當(dāng)當(dāng)Dmax,X-，此時(shí)實(shí)際上為零，此時(shí)已無(wú)連，此時(shí)實(shí)際上為零，此時(shí)已無(wú)連續(xù)操作的意義。續(xù)操作的意義。)(max/DDKSYXSinSX)(max/DDKSYPSinSP)(max/DDKSDYXDSinSX)(max/DDKSDYPDSinSP最高產(chǎn)物產(chǎn)率：0)( max/DDKSDYPDSinSP0max2DDKSDSin02maxmax2max2DDDDDKSSin 02maxmax2max2DDDDDKSSin022max2maxDDDDKSSin022max2maxDDDKSSin022max222maxmaxmaxDDDKSSin02max22maxmaxDDKSSin2max2maxDKKSSSin22maxmaxDKSKSinSmaxmaxDKSKSinSSinSKSKD /1maxmaxSinSSinSPKSKKSYP /maxSinSSinSXKSKKSYX /max2/maxmaxmaxSSinSXKKSYXD當(dāng)Ks1,R0, 因此1