第4章 生物反應器的操作模型

1、 按生物催化劑分按生物催化劑分 按操作方式分按操作方式分酶反應器酶反應器細胞反應器細胞反應器間歇操作間歇操作連續(xù)操作連續(xù)操作補料（流加）操作補料（流加）操作 按結構分（高徑比）按結構分（高徑比）釜式（槽式）釜式（槽式）管式管式 按能量的輸入方式分按能量的輸入方式分攪拌式攪拌式氣升式氣升式自吸式自吸式噴射式噴射式 把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中， 通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎， 由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現混合與溶氧傳質 轉子內部液體被甩出，形成負壓 按反應器內流動與混合狀態(tài)分（返混：具有不同停留時間的物料之間的混合）

2、理想流動反應器（活塞流、全混流）非理想流動反應器（槽列模型、一維擴散模型、組合模型） 物料衡算式物料衡算式基質基質產物產物細胞細胞 能量衡算式能量衡算式 操作參數 共5個。停留時間停留時間 -空速空速轉化率轉化率生產率生產率選擇性選擇性收率收率 攪拌釜式反應器由攪拌器和釜體組成。攪拌器包括傳動裝置，攪拌軸（含軸封），葉輪（攪拌槳）;釜體包括筒體，夾套和內件，盤管，導流筒等。工業(yè)上應用的攪拌釜式反應器有成百上千種，按反應物料的相態(tài)可分成均相反應器和非均相反應器兩大類。非均相反應器包括固-液反應器，液-液反應器，氣-液反應器和氣-液-固三相反應器。間歇釜式反應器：操作靈活，易于適應不同操作條件和產

3、品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產品質量也不易穩(wěn)定。但有些反應過程，如一些發(fā)酵反應和聚合反應，實現連續(xù)生產尚有困難，至今還采用間歇釜。連續(xù)釜式反應器：可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內物料流型可視作全混流，反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉化率高或有串聯副反應的場合，釜式反應器中的返混現象是不利因素。此時可采用多釜串聯反應器,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應條件。 物料衡算式（對基質） 通式均相酶催化反應固定化酶催化反應SSSXSSSCCSSrrdXCrd

4、Ct000SmSSmLLrXKCCKtr11lnln)1(01max 要求反應器在單位時間內所應處理的物料體積為V0 要求反應器在單位時間內得到的產物的量為Pr)(00brRttVtVV)(0/brSSSPrRttXCYPV 產率：單位時間產物的產量brPRPttCVF連續(xù)攪拌釜式反應器,是化學工業(yè)中最先應用于連續(xù)生產的一種反應設備。雖然在型式和結構上,二者基本上是相同的,由于操作方式的改變,節(jié)省了大量的輔助操作時間,使得反應器的生產能力得到充分的發(fā)揮;同時,也大大地減輕了體力勞動強度,容易全面地實現機械化和自動化;在很多場合,也降低了原材料和能量的損耗。因此,在化學工業(yè)中,連續(xù)攪拌釜式反應器

5、迄今仍然是應用得最廣泛的反應器型式之一。連續(xù)攪拌釜式反應器除了具有一般連續(xù)設備的優(yōu)點外,還有它本身的特點。由于強烈的機械攪拌作用,反應器中的物料得到了充分接觸,這對于化學反應或傳熱來說,都是十分有利的。此外,這種反應器的操作穩(wěn)定,適用范圍較廣,容易放大,也是其它類型連續(xù)反應器所不及的。 原料連續(xù)輸入，產物連續(xù)流出組成不隨時間、位置變化返混最大穩(wěn)態(tài)操作容易受到雜菌污染容易發(fā)生菌種退化變異SSSSSSmRrCCrXCVV000 均相酶催化反應 固定化酶催化反應SSmSSmXXKXCr10maxSSmSSLmXXKXCr1)1 (0max 對細胞進行物料衡算生長)()(000dtdCVCVCVdtC

6、VdXRXXXR1maxmaxmSSSKDDKC)()(max0/0/DDKCYCCYCSSSXSSSXX)(0/SSSPPCCYC00maxSSSCCKCDXXCDP)(max/0DDKCYDPSSSXX1 0maxSSSoptCKKD要求細胞產率（單位時間單位發(fā)酵罐體積的細胞產量）最大要求細胞產率（單位時間單位發(fā)酵罐體積的細胞產量）最大 0VVRr物料循環(huán)比1XXrCC濃縮倍數1000)(XrXRXrrXCVVrVCVCVWRRD1 基質濃度 細胞濃度 產物濃度SSSCKCDWmaxDWDWKCSSmax)()(0/0/SSSXSSSXXCCWYCCDYC)(10/1SSSPPCCYC00

7、max1SSSCrCKCWDDWDCr1 稀釋率 基質濃度 細胞濃度 產物濃度 臨界稀釋率 1）一股進料，穩(wěn)態(tài)操作； 2）各個CSTR體積相等； 3）每一個反應器內為全混流，各個反應器之間沒有返混； 4）各個反應器的操作條件相同，得率系數為常數。 )1 (212XXCCD)(221/2XSSSXCCCDY0)()(max222max20max22maxDDKCDKDDKCCDSSSSSS LD 相同方向，相同速度 軸向速率相同，無返混 停留時間相同 垂直截面上濃度均一且不隨時間變化 濃度是位置L的函數0)(SRSSSrdVdFFFRSSdVrdCV0SSPRrdCVV0CSTRCPFRSSSm

8、SSSSmPXCXKCCCCKr000max11lnlnSSLPrdC11SmLSSmLPXKCCKr11ln111ln111101max 球狀固定化酶 膜狀固定化酶max1ln1(1)111tan(3 )3mSLPKXrmax1ln1(1)tanh( )mSLPKXr 濃度曲線的比較 反應方程式的比較 反應器有效容積的比較 相同反應條件下達到相同轉化率所需反應器體積SSmSSSSmSCPFRRCSTRRXCKXXXCKXVV11ln)1(00, 游離酶催化反應 產物抑制 底物抑制 優(yōu)化 最佳進口濃度的確定 存在底物和產物抑制時的CPFR最佳加料出料方式 反應與透析相耦合反應與過濾相耦合灌流培養(yǎng)：是把細胞和培養(yǎng)基一起加入反應器后，在細胞增長和產物形成過程中，不斷地將部分條件培養(yǎng)基取出，同時又連續(xù)不斷地灌注新的培養(yǎng)基。1.細胞截流系統(tǒng)可使細胞或酶保留在反應器內，維持較高的細胞密度，一般可達10-10Cells/mL，從而較大的提高了產品的產量；2.連續(xù)灌流系統(tǒng)，使細胞穩(wěn)定的處在較好的的營養(yǎng)環(huán)境中，有害代謝廢物濃度積累較低；3.反應速率容易控制，培養(yǎng)周期較長，可提高生產