第五章理想操作反應(yīng)器

第五章理想操作反應(yīng)器IdealReactor目錄5.1生物反應(yīng)器概論5.2間歇操作反應(yīng)器5.3連續(xù)操作反應(yīng)器（CSTR）5.4連續(xù)操作反應(yīng)器（CPFR）5.5半連續(xù)操作反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)問題（一）：

對磷脂酶D催化DHA-磷脂生成DHA-磷脂酰絲氨酸，符合均相酶催化反應(yīng):S→P，假定其反應(yīng)動力學(xué)方程符合M-M方程，已知Km=1.2molL-1,rmax=0.03molL-1min-1.根據(jù)設(shè)計要求年產(chǎn)產(chǎn)物P為72000mol,并已知S0=2molL-1,S=0.1molL-1,全年反應(yīng)器的操作時間為7200h,若采用分批反應(yīng)，則每一操作周期內(nèi)所需的輔助時間為2h。選擇什么類型的反應(yīng)器最合適（BSTR\CSTR\CPFR）？試求所需反應(yīng)器有效體積應(yīng)為多少升？5.2間歇式操作反應(yīng)器substratebiomassproductconcentrationtimeChangesofcomponentsinbatchreactor5.2.2Reactiontimetr

反應(yīng)時間Integration：AssumingconversionratioofSisXs：then間歇反應(yīng)器基本方程顯然具體的反應(yīng)時間取決于反應(yīng)速率rs的表達(dá)形式：零級？一級？二級？簡單？復(fù)雜？游離酶的反應(yīng)動力學(xué)Suspensionenzymereaction(M-M)equation：Introduceditinandintegratedit：Howtocalculationtr：Discussion：1storderreactionZeroorderreaction假設(shè)反應(yīng)

器中的空隙率（液相體積/反應(yīng)器有效體積）為

，固定化酶所占的體積分?jǐn)?shù)為。假定反應(yīng)過程速率不受外擴散影響，但受內(nèi)擴散限制，在單位時間內(nèi)，反應(yīng)器中底物的消耗量為：。2)固定化酶反應(yīng)動力學(xué)-Immobilizedenzymereaction物料衡算：積分得:累積項，反應(yīng)器內(nèi)液相中底物隨時間的變化率VS—固相催化劑體積；VL—液相體積；rs—以催化劑體積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率；η—內(nèi)擴散有效因子Inordertocalculatetr,understandingtherelationshipbetweenη-cs

orη-Xisrequired!!1storderreaction內(nèi)擴散有效因子η與轉(zhuǎn)化率XS的大小無關(guān)，等于常數(shù)。則有，當(dāng)固定化酶的顆粒很小，內(nèi)擴散的影響可以忽略時，有效因子

η≈1,則反應(yīng)時間可以下式計算:3)細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)-Cellreaction設(shè)指數(shù)期開始時細(xì)胞濃度為cX0，底物濃度為cS0；指數(shù)末期為細(xì)胞濃度為cX，底物濃度為cS，需要的反應(yīng)時間tr

。(1)并有，(2)根據(jù)Monod方程，(3)(3)帶入(1)，并積分，得：分部積分，得反應(yīng)時間計算式：(4)5.2.3反應(yīng)器有效體積VRForbatchreactor,thereactiondegree(level)orthetimerequiredtoreachaconstantreactiondegree(orconversionratio)isonlydependedoncatalysisreactionrater,itisindependedonreactionsize.Thusforbatchprocess,thevolumeofreactorisonlydeterminedbytheproducingscale.AperiodofbatchoperationtT

isexpressedascS0,XS

為反應(yīng)物的初始濃度和反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率如果要求單位時間的產(chǎn)物生成量為Pt，則有：根據(jù)規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)，要求該反應(yīng)器在單位時間內(nèi)所處理的物料量為V0，則反應(yīng)器的有效體積為：最小的費用最大的收益Objectives產(chǎn)量生產(chǎn)率利潤Factors反應(yīng)時間培養(yǎng)基組成溫度pH值其它影響目標(biāo)的因素5.2.4最優(yōu)反應(yīng)時間的確定IftheconcentrationofproductcP，theamountofPproducedperunittime(單位時間的產(chǎn)物產(chǎn)量)isFP：Optimizationobjective:Mostproductswithsmallestreactorandshortestoperationtime.MaximizationconditionofFpis：then：Optimalreactiontime使生產(chǎn)率最高的最優(yōu)反應(yīng)時間的圖解產(chǎn)業(yè)問題（一）：

對磷脂酶D催化DHA-磷脂生成DHA-磷脂酰絲氨酸，符合均相酶催化反應(yīng):S→P，假定其反應(yīng)動力學(xué)方程符合M-M方程，已知Km=1.2molL-1,rmax=0.03molL-1min-1.根據(jù)設(shè)計要求年產(chǎn)產(chǎn)物P為72000mol,并已知S0=2molL-1,S=0.1molL-1,全年反應(yīng)器的操作時間為7200h,若采用分批反應(yīng)，則每一操作周期內(nèi)所需的輔助時間為2h。選擇什么類型的反應(yīng)器最合適（BSTR\CSTR\CPFR）？試求所需反應(yīng)器有效體積應(yīng)為多少升？解:(1)若采用BSTR每一批完成反應(yīng)所需的時間：每一批的輔助時間是2h，所以每一周期時間為:3+2=5h.每年的生產(chǎn)批次為=7200/5=1440批每一批生產(chǎn)得到的產(chǎn)物濃度為=2-0.1=1.9molL-1每一批的生產(chǎn)任務(wù)為=72000/1440=50mol因此,BSTR的有效體積VR=50/1.9=26.3L5.3連續(xù)操作反應(yīng)器unsteadysteady過程參數(shù)timeViSiVoSoPoinputoutputVRSEAnycontinuousprocessofreactormustexperienceashiftfromunsteadystagetosteadystage.優(yōu)越性：有利于過程的研究與分析；對連續(xù)反應(yīng)可進(jìn)行高效的過程控制；連續(xù)操作的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；生產(chǎn)效率較高。（輔助時間）對于細(xì)胞生產(chǎn)產(chǎn)生的副產(chǎn)物不能控制；操作周期過長，易受到雜菌的污染；檢測手段和控制設(shè)備的要求較高，費用較高。缺點：A.理想混合CSTR（Continuous-flowstirredtankreactor）(又稱完全混合pletemixingreactor)理想混合是指反應(yīng)流體在反應(yīng)器內(nèi)的混合瞬間完成，混合所需的時間可以忽略。反應(yīng)器內(nèi)各點的物料具有相同的溫度和濃度且等于反應(yīng)器出口物料的溫度和濃度。CSTR和CPFRB.理想置換CPFR（又稱平推流、活塞流或柱塞流---ContinuousPlugFlowReactor）理想置換是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)以同一流速和沿同一方向流動，所有的物料質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間都相同，不存在返混。實際生產(chǎn)中的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器幾乎都是在定態(tài)下操作的。反應(yīng)物料連續(xù)不斷地以恒定的流速流入反應(yīng)器內(nèi)，而產(chǎn)物也以恒定的速率不斷地從反應(yīng)器內(nèi)排出。5.3.1理想混合反應(yīng)器CSTRCSTR1.主要特征以相同的速率穩(wěn)定的進(jìn)料和出料；反應(yīng)器的有效體積和反應(yīng)物系組成均不隨時間發(fā)生變化；反應(yīng)物料的濃度和溫度在空間上達(dá)到完全混合，并且與出料組成相同。BalanceforCSTRCs0Fs0V0T0

CCsFsV0

Tm,outTTout

G

TTm,in，G

VRT=Tout

Ci=Ci,out

2.CSTR的基本設(shè)計方程※全混流反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)式※穩(wěn)態(tài)，此項為零物料平衡方程：對于底物S變換方程得到：平均停留時間對于CSTR中的酶促反應(yīng)：代入平均停留時間公式得:變換后得到：因此，也可以用稀釋率D可以算出反應(yīng)器中底物的濃度。單批培養(yǎng)

恒濁法恒化法單批培養(yǎng) 連續(xù)培養(yǎng) 時間連續(xù)流入新鮮培養(yǎng)液lg細(xì)胞數(shù)（個/ml）連續(xù)培養(yǎng)對于CSTR中的細(xì)胞反應(yīng)：3.單級CSTR反應(yīng)模型:1)恒化器----Chemostatorbactogen加料速率保持不變，并使微生物始終在低于其最高生長速率條件下進(jìn)行生長繁殖的一種連續(xù)培養(yǎng)裝置。特征是營養(yǎng)物濃度保持不變，因而可稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置。細(xì)胞自身的生長與代謝過程達(dá)到穩(wěn)定。細(xì)胞生長速率等于反應(yīng)速率。恒化器衡算模型細(xì)胞：積累=流入-流出+生長底物：積累=流入-流出-消耗產(chǎn)物：積累=流入-流出+生成細(xì)胞：積累=流入-流出+生長底物：積累=流入-流出-消耗產(chǎn)物：積累=流入-流出+生成稀釋率：等于空速上述各式可變化為：細(xì)胞：產(chǎn)物：底物：連續(xù)培養(yǎng)在穩(wěn)態(tài)操作時，體積一般不發(fā)生變化，則有Whenreachessteady:IfcX0isverysmall,Then,恒化器的主要操作特性What’smeaning？通過操作控制培養(yǎng)基的流入速率可以控制細(xì)胞的生長：連續(xù)培養(yǎng)的“自平衡能力”：D是反應(yīng)器的操作參數(shù)，而μ則是細(xì)胞的生長特性。只要改變加料速率，就可很容易地改變穩(wěn)態(tài)下的細(xì)胞比生長速度，從而達(dá)到控制細(xì)胞生長的目的。若Ｄ>μ：dcX/dt<0,從而：cX↓,dcS/dt↓,cS↑,→μ↑直到Ｄ＝μ若Ｄ<μ:dcX/dt>0,從而：cX↑,dcS/dt↑,cS↓,→μ↓直到Ｄ＝μ恒化器主要操作特性：恒化器穩(wěn)態(tài)時細(xì)胞生長比速率等于稀釋率。Discussion:IfcellsgrowthabidebyMonodequation:and如果過程優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為單位時間單位體積的細(xì)胞產(chǎn)量PX最大，（或稱細(xì)胞產(chǎn)率）細(xì)胞產(chǎn)量PX:IfprocessoptimizationforbiomassPX,howtoadjustoperationprocess?此時反應(yīng)器中細(xì)胞質(zhì)量濃度為:D↑,cS↑,criticalpoint:cS=cS0D↑,cX↓,criticalpoint:cX=0D↑,PXfirst↑,then↓,optimumpoint:PX=PXoptOperationupperlimits,orwash-out根據(jù)上述分析，結(jié)合公式:當(dāng)cS=cS0時，變換得，臨界稀釋率Dc的數(shù)值與加料中的底物濃度cS0和培養(yǎng)條件有關(guān)。稀釋率增大到臨界稀釋率Dc時，反應(yīng)器中的細(xì)胞濃度為零，底物濃度與加料中的底物濃度相等，反應(yīng)器不能正常操作。臨界稀釋率Dc是操作中的上限，此時反應(yīng)器處于“洗出”狀態(tài)。Notes:對恒化器的連續(xù)培養(yǎng)，D是有限制的。當(dāng)D<μmax時，才存在穩(wěn)定的操作狀態(tài)當(dāng)D=μmax時，

cX

是不確定的當(dāng)D>μmax時，

cX→0WhendesignCSTR,thefollowingequationsmustbesatisfiedsimultaneously.例題5-1：確定最佳工藝條件Applicatio