生物過程的反應(yīng)原理3(PPT-66)

第5章生化反應(yīng)器的設(shè)計與分析5.1概論5.1.1生化反應(yīng)器的分類

生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進行生化反應(yīng)的設(shè)備．可從多個角度對其進行分類。

按照所使用的生物催化刑的不同，可將其分為酶催化反應(yīng)器和細胞生化反應(yīng)器。

根據(jù)反應(yīng)器的操作方式，可分為間歇操作(分批操作)、連續(xù)操作和半間歇操作(半連續(xù)操作)等多種方式。常用的另一種反應(yīng)器分類方法是根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征來分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它們之間的主要差別反映在其外型(長徑比)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。1精選課件ppt

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圖5—2幾種酶反應(yīng)器及操作方式示意圖(1)間歇式攪拌罐;(2)連續(xù)式攪拌罐;(3)多級連續(xù)攪拌罐;〔4)填充床(固定床)(5)帶循環(huán)的固定床;(6)列管式固定床;(7)流化床;(8)攪拌罐-超濾器聯(lián)臺裝置;(9)多釜串聯(lián)半連續(xù)操作;(10)環(huán)流反應(yīng)器;(11)螺旋卷式生物反應(yīng)器3精選課件ppt

圖5—3幾種細胞反應(yīng)器示意圖4精選課件ppt

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程生化反應(yīng)器設(shè)計的最基本內(nèi)容有：①選擇合適的反應(yīng)器型式，根據(jù)反應(yīng)及物料的特性和生產(chǎn)工藝特征，確定反應(yīng)器的操作方式、結(jié)構(gòu)類型、傳遞和流動方式等；②確定量佳操作條件及其控制方式，如溫度、壓力、PH、通氣量、物料流量等；③計算出所需反應(yīng)器體積，設(shè)計各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等。5精選課件ppt

反應(yīng)器設(shè)計的基本方程有三類：①描述濃度變化的物料衡算式；②描述溫度變化的能量衡算式?；蚍Q為能量方程；③描述壓力變化的動量衡算式；(建立這三類方程的依據(jù)分別是質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律。)④反應(yīng)動力學(xué)方程式；⑤熱力學(xué)計算式；⑥各種傳遞參數(shù)的計算式等。變量分因變量和自變量兩種。在反應(yīng)器設(shè)計和分析中，建立物料衡算式時通常以反應(yīng)組分的濃度或某組分的轉(zhuǎn)化率做為因變量；能量衡算式和動量衡算式則分別以反應(yīng)物系的溫度和壓力做因變量。6精選課件ppt

對于自變量，有時間自變量和空間自變量兩種。對于定態(tài)過程。由于因變量與時間無關(guān)，因此在建立衡算式時就不須考慮時間變量，非定態(tài)過程則兩種自變量均要考慮?？紤]空間自變量時，一般只限于一維——以反應(yīng)器的軸向距離為空間自變量。

所謂控制體積是指建立衡算式的空間范圍，即在多大的空間范圍內(nèi)進行衡算。其選擇原則是以能把反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積。

輸入＝輸出十消耗十累積7精選課件ppt

第5章生化反應(yīng)器的設(shè)計與分析5.1概論5.1.1生化反應(yīng)器的分類

生化反應(yīng)器是利用生物催化劑進行生化反應(yīng)的設(shè)備．可從多個角度對其進行分類。

按照所使用的生物催化刑的不同，可將其分為酶催化反應(yīng)器和細胞生化反應(yīng)器。

根據(jù)反應(yīng)器的操作方式，可分為間歇操作(分批操作)、連續(xù)操作和半間歇操作(半連續(xù)操作)等多種方式。常用的另一種反應(yīng)器分類方法是根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征來分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它們之間的主要差別反映在其外型(長徑比)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。8精選課件ppt

5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器(BSTR)tr;tb5.2.1反應(yīng)時間的計算

對間歇攪拌槽式反應(yīng)器做物料衡算時，應(yīng)掌握其兩個主要特性：一是在反應(yīng)進行過程中無物料的輸入和輸出；二是由于攪拌的作用，反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合，濃度均一，而且反應(yīng)物系的濃度僅隨反應(yīng)時間而變化。因此可以對整個反應(yīng)器做物料平衡。根據(jù)式(5—1)，對間歇操作的攪拌稿式反應(yīng)器，其物料衍算式應(yīng)為

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(5-5)反應(yīng)組分轉(zhuǎn)化速率＝一反應(yīng)組分的累積速率對液相反應(yīng):(5-6)若令t=0,Cs=Cs0;t=tr,Cs=Cs，分離變量積分可得：(5-8)(5-7)10精選課件ppt

(1)均相酶催化反應(yīng)。當(dāng)為單底物無抑制的反應(yīng)時，可將M-M方程代入式(5-8)，并積分可得:(5-9)(5-10)(5-11)(5-12)

對不同Xs值，以tr—Cs0/Km對應(yīng)作圖，得到圖5-4。11精選課件ppt

圖5-4不同轉(zhuǎn)化率XS下，間歇反應(yīng)時間tr與Cs0/Km關(guān)系從圖中可以看出當(dāng)Cs0/Km值較小時，近似為一級反應(yīng)。當(dāng)XS一定，tr將不隨Cs0/Km值而變化；當(dāng)Cs0/Km值較大時，近似為零級反應(yīng)，此時tr將隨Cs0/Km值成比例增加。12精選課件ppt

如果在酶催化反應(yīng)過程中，酶發(fā)生失活現(xiàn)象，若為不可逆失活，則:(5-13)(5-14)代入式(5-8)，積分得(2)固定化酶催化反應(yīng)(5-16)(5-15)(5-17)如果反應(yīng)速率是以單位催化劑的質(zhì)量來定義的，此時速率以rsw表示，則有：13精選課件ppt

(5-18)(5-19)一級不可逆反應(yīng)，即Cs。<<Km時，內(nèi)擴散有效因子η與轉(zhuǎn)化率Xs的大小無關(guān)，η可作常數(shù)處理。此時有：如果固定化酶顆粒很小，反應(yīng)為動力學(xué)控制，η＝1，則可表示為：(3)微生物反應(yīng)。由于間歇操作的微生物反應(yīng)過程的動力學(xué)比較復(fù)雜，很難用一個統(tǒng)一的動力學(xué)方程來表示全過程，并且由于細胞生長過程又包括延遲期、指數(shù)生長期、減速期、靜止期等，使得反應(yīng)時間tr的范圍亦難以十分明確。比較容易確定的是指數(shù)生長期和減速期所需要的時間。(5-20)14精選課件ppt

(5-21)(5-22)(5-23)(5-24)在指數(shù)期內(nèi)，基質(zhì)濃度高，營養(yǎng)物充分，細胞生長不受限制，比生長速率可達到最大值，即對減速期，由于基質(zhì)的消耗，細胞的生長速率會受到基質(zhì)濃度的限制，此時有：(5-26)(5-25)15精選課件ppt

(5-27)(5-29)(5-28)并根據(jù)：積分得到：式中：但是，由于CX1值很難確定，而CX2值很易確定，因此采用一種近似的計算方法，即從指數(shù)期開始到減速期末，總的反應(yīng)時間tr用一個統(tǒng)一公式來計算：16精選課件ppt

(5-30)(5-31)(5-32)5.2.2反應(yīng)器有效體積的確定(5-44)(5-45)反應(yīng)器的有效體積：17精選課件ppt

(5-46)如果要求單位時間內(nèi)得到產(chǎn)物的量為Pr,則有：例5.1在一間歇操作的反應(yīng)器內(nèi)進行一均相的無抑制的酶催化反應(yīng)，已經(jīng)測得該酶催化反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)為k+2=1min-1，Km=2mol／L，加入酶的初始濃度CE0＝1mol／L。加入反應(yīng)底物的初始濃度為2mol／L。試求要求每lh生產(chǎn)某產(chǎn)品1000m0l，反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率為0.80，并且每一操作周期內(nèi)所需要的輔助時間為l0min。此時所需要的反應(yīng)器有效體積VR為多少7解：(1)先求出達到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間，根據(jù)題意，本反應(yīng)符合M-M方程。因此，根據(jù)18精選課件ppt

將已知值代入上式：(2)求反應(yīng)器有效體積VR。根據(jù)VR＝V0(tr十tb)和Pr＝V0·，可分別求出:V0=Pr/(Cs0·

Xs)=(1000/60)/(20.80)=10.42L/minVR＝10.42(4.82+10)=154.4L5.2.3間歇反應(yīng)過程的優(yōu)化對于一定反應(yīng)：(5-47)1.單位時間的產(chǎn)物產(chǎn)量：19精選課件ppt

若使FP為最大，則對反應(yīng)時間tr求導(dǎo)并令其＝0，(5-49)圖5-5使生產(chǎn)率最高的最優(yōu)反應(yīng)時間圖解20精選課件ppt

2.單位質(zhì)量產(chǎn)物的總費用CT要使生產(chǎn)成本最低，應(yīng)使(5-52)(5-50)采用和圖5-5相同的方法求出tr,opt值。21精選課件ppt

5.3連續(xù)操作的攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)有單級CSTR、多級CSTR串聯(lián)、帶有循環(huán)的CSTR等。5.3.1CSTR的基本設(shè)計式22精選課件ppt

單級CSTR做物料衡算，以反應(yīng)組分S為例：輸入速率=輸出速率+反應(yīng)消耗速率(5-56)(5-57)(5-58)(5-59)23精選課件ppt

圖5-7單級CSTR設(shè)計關(guān)系式的圖示5.3.2酶催化反應(yīng)時的單級CSTR均相酶催化反應(yīng)：(5-61)(5-60)24精選課件ppt

(5-62)(5-63)(5-64)如果為固定化酶催化反應(yīng)，由于有液固兩相和內(nèi)擴散影響的存在，底物的物料平衡式為：以固定化酶顆粒體積為基準所定義的催化反應(yīng)速率(5-65)25精選課件ppt

5.3.3微生物反應(yīng)時的單級CSTR恒化器，恒濁器在CSTR中進行微生物反應(yīng)時，由于CSTR具有的返混性質(zhì)，只要反應(yīng)器內(nèi)有細胞存在，則依靠細胞的自催化能力，即使加入的反應(yīng)基質(zhì)中不合有微生物細胞，在一定加料速率范圍內(nèi)CSTR亦能在穩(wěn)態(tài)下操作。1.無代謝產(chǎn)物生成(5-66)(5-67)(5-68)(5-69)26精選課件ppt

細胞質(zhì)量增加速率=加入細胞－流出細胞＋細胞生長的速率(5-70)(5-71)(5-73)(5-74)(5-75)27精選課件ppt

(5-76)(5-80)(5-81)(5-82)(5-83)(5-84)(5-85)28精選課件ppt

(5-86)(5-87)(5-88)(5-89)(5-90)式(5-84)、(5-85)、(5-90)表示的Cs、CX、PX分別與D的關(guān)系可參看圖5-829精選課件ppt

圖5-8單線CSTR中Cs、CX、PX分別與D的關(guān)系PX-D的關(guān)系圖，可知PX有一極大值。30精選課件ppt

(5-91)(5-92)(5-93)(5-94)由式(5-83)可有：當(dāng)Cs＝Cs0時，(5-95)31精選課件ppt

（Dc:稱為臨界稀釋率，是操作中允許的上限此時稱反應(yīng)器處于“洗出”操作狀態(tài)。）(5-96)(5-97)(5-98)Levenspiel定義一參數(shù)N，(5-99)(5-100)(5-101)(5-102)32精選課件ppt

基質(zhì)消耗速率為最大處的基質(zhì)濃度為：(5-103)對在CSTR中進行細胞反應(yīng)時，D是有限制的。一般認為，當(dāng)D小于μmax值時，才存在一穩(wěn)定操作狀態(tài)，如果D＝μmax，則CX值是不確定的；當(dāng)D大于μmax值時，則CX將減少并一直到零。在設(shè)計CSTR時，式（5-80）和式(5-82)必須同得到滿足。對式(5-82)，當(dāng)基質(zhì)完全消耗盡時，細胞是不能再生長；對式（5-80），表示的則是動力學(xué)限制的關(guān)系，μ做為Cs的函數(shù)。歸納于起來，基于Monod動力學(xué)的單級CSTR，有下述關(guān)系。33精選課件ppt

(5-104)(5-105)(5-106)(5-107)2.有代謝產(chǎn)物生成可對產(chǎn)物做質(zhì)量衡算，則有：34精選課件ppt

(5-108)(5-109)(5-110)3.產(chǎn)物對細胞生長有抑制作用(5-116)(5-117)35精選課件ppt

(5-122)(5-121)(5-120)(5-119)圖5－10CSTR中產(chǎn)物有抑制時最佳操作示意圖1一洗出點，2—最佳操作點4.有細胞的內(nèi)代謝或死亡存在

μ＝D＋kd

kd：細胞內(nèi)源代謝或死亡速率常數(shù)，h-15.反應(yīng)限制基質(zhì)(5-126)36精選課件ppt

(5-131)6.既有內(nèi)源代謝又有代謝產(chǎn)物生成(5-132)(5-133)(5-134)(5-136)37精選課件ppt

7.固定化細胞催化反應(yīng)(5-140)在某一稀釋率D時，有了固定化細胞，可以明顯提高基質(zhì)轉(zhuǎn)化率，但是隨著擴散限制作用的加大，反應(yīng)速率明顯在下降。例5.238精選課件ppt

5.3.4帶有細胞循環(huán)的單級CSTR(5-141)(5-142)39精選課件ppt

(5-145)(5-147)(5-148)(5-149)(5-150)40精選課件ppt

(5-151)(5-152)由于循環(huán)作用，使其臨界稀釋率提高，允許的加料速率亦可提高。如果加料速率不變，則所需反應(yīng)器體積可減小。上述各式中，V。、Cs0為反應(yīng)器新加入基質(zhì)的體積流量和濃度；Cs1、Cx1為反應(yīng)器出口處(亦為反應(yīng)器內(nèi))基質(zhì)和細胞濃度；Vr、Cxr為循環(huán)物料的體積流量和其細胞濃度;Dc、Dcr．分別為無循環(huán)和有循環(huán)時的臨界稀釋率。41精選課件ppt

5.3.5多級CSTR串聯(lián)可分為三大類：圖5－16不同類型的多級CSTR操作(1)單流多級系統(tǒng)，(2)多流多級系統(tǒng)，(3)帶循環(huán)的多級系統(tǒng)42精選課件ppt

5.4連續(xù)操作的管式反應(yīng)器(CPFR)5.4.1活塞流模型與設(shè)計關(guān)系式圖5-19活塞流管式反應(yīng)器物科衡算示意圖穩(wěn)態(tài)下，對反應(yīng)組分做衡算輸入量＝輸出量十反應(yīng)量(5-171)43精選課件ppt

(5-172)(5-173)(5-174)圖5-20活塞流反應(yīng)器的圖解示意圖τP為CPFR的空時（s）。5.4.2酶催化反應(yīng)時的CPFR(5-175)44精選課件ppt

(5-176)從上述兩式可以看出，該關(guān)系式與。BSTR反應(yīng)器的關(guān)系式相似．只需將τP取代tr即可。(5-177)(5-178)(5-179)45精選課件ppt

5.固定化酶催化反應(yīng)為反應(yīng)器中液相占有體積分率。(5-180)(5-181)(5-182)(5-183)46精選課件ppt

當(dāng)采用固定化酶時，上述管式反應(yīng)器一般改稱為固定床酶催化反應(yīng)器。例5.55.4.3帶有循環(huán)的CPFR圖5-21帶循環(huán)CPFR物料關(guān)系圖1.設(shè)計方程式47精選課件ppt

在CPFR中進行細胞反應(yīng)，且無循環(huán)，則設(shè)計式為：(5-184)(5-185)(5-186)(5-187)(5-188)(5-189)48精選課件ppt

(5-190)(5-191)(5-192)(5-193)(5-194)此式為CX0＝0時的總循環(huán)方程式，根據(jù)此方程，τP、R、CSF三個變量中只要已知其中兩個，就可確定第三個。49精選課件ppt

2.最佳循環(huán)比（1）細胞產(chǎn)量為最大(5-196)(5-195)50精選課件ppt

(2)一定Xs，使所需反應(yīng)器體積最小圖5-23最佳循環(huán)比的確定51精選課件ppt

確定最佳循環(huán)比的原則是使反應(yīng)器入口處物料反應(yīng)速率的倒數(shù)等于物料在反應(yīng)器內(nèi)速率倒數(shù)的平均值。圖5-24帶循環(huán)的CPFR中細胞濃度對Dc的影響

β-細胞提濃系數(shù)(5-197)52精選課件ppt

對在CPFR中進行微生物反應(yīng)，若采用循環(huán)已濃縮過的細胞來操作，會使CPFR的操作性能有所改善，即Dc值可增大。從圖中可以看出，當(dāng)循環(huán)比R和細胞提濃系數(shù)β增加，其臨界稀釋率Dc亦在提高。5.4.4CPFR與CSTR的性能比較

CSTR和CPFR是理想流動生化反應(yīng)器的兩個典型代表對CSTR，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分濃度均一，且等于出口值，返混程度最大；對CPFR，反應(yīng)組分(例如基質(zhì))沿著軸向由高到低逐漸下降，且返混不存在。這兩種極端不同的特性，是優(yōu)是劣，與反應(yīng)器中所進行的反應(yīng)本身的動力學(xué)特點密切相關(guān)。53精選課件ppt

圖5-26基本反應(yīng)器的濃度分布圖54精選課件ppt

1.酶催化反應(yīng)過程①達到同一轉(zhuǎn)化率時，CSTR所需體積要比CPFR所需體積大，或需要更多的酶。并且轉(zhuǎn)化率愈高，兩者比值愈大，這表明，轉(zhuǎn)化率愈高，返混對反應(yīng)影響程度愈大。②隨著是Km／Cs。值從零到無窮大，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系由零級升為一級，兩種反應(yīng)器之體積比隨之增大，這表明，隨著反應(yīng)級數(shù)提高，返混的影響程度亦在增大。

③對底物有抑制的酶催化反應(yīng)。由于在CPFR中維持了比CSTR中更高的底物濃度，因而在CPFR中底物的抑制作用更加強烈，此時顯然采用CSTR更為有利。

④如果為產(chǎn)物抑制的酶催化反應(yīng)，由于在CSTR中維持了比CPFR中較高的產(chǎn)物濃度，因而在CSTR中產(chǎn)物的抑制作用更加明顯，此時顯然采用CPFR更為有利。55精選課件ppt

2.微生物反應(yīng)過程圖5-30不同動力學(xué)時CPFR的救佳加料方式(a)圖表示的是無抑制情況，為了保證CPFB正常連續(xù)操作，使細胞循環(huán)回到反應(yīng)器入口。并可提高細胞生長速率。(b)圖表示的是基質(zhì)對細胞生長有抑制的情況，為了減少基質(zhì)抑制，沿CPFR軸向位置實施多點加料，以便反應(yīng)器維持在盡可能低的基質(zhì)濃度，以減少其抑制作用。(c)因為反應(yīng)產(chǎn)物有抑制時的情況，為了減少產(chǎn)物抑制，應(yīng)及時將反應(yīng)產(chǎn)物排出反應(yīng)器以外，降低反應(yīng)器中產(chǎn)物濃度。(d)因為基質(zhì)和產(chǎn)物均對細胞生長有抑制時的情況，故沿反應(yīng)器軸向?qū)嵤┒帱c加入基質(zhì)和多點排出產(chǎn)物的措施以減少其抑制作用。56精選課件ppt

各種應(yīng)動力學(xué)可歸納為三種情況：第一種動力學(xué)是濃度與速率的關(guān)系為單調(diào)上升的關(guān)系，即隨著反應(yīng)組分濃度的增加，反應(yīng)速率亦增加，濃度下降，速率亦下降，這是簡單酶催化反應(yīng)和很多化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特點，對此種反應(yīng)動力學(xué)采用CPFR有利。第二種動力學(xué)是反應(yīng)組分濃度與速率系單調(diào)下降的關(guān)系，即隨著組分濃度的升高，反應(yīng)速率在下降。這種情況比較少見，它僅出現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)中反應(yīng)級數(shù)為負值的情況。對此種動力學(xué)采用CSTR有利于減少所需要的體積。第三種動力學(xué)即為隨著濃度的變化反應(yīng)速率有最大值的情況，一般出現(xiàn)在細胞反應(yīng)過程、自催化反應(yīng)過程。此時采用CSTR與CPFR相串聯(lián)的形式有利于減少反應(yīng)器體積。上述三種動力學(xué)情況分別表示在圖5-31中的曲線1．2．3。57精選課件ppt

圖5-31不同的ri－Ci的動力學(xué)關(guān)系1一速率與濃度單調(diào)上升；2一速率與濃度單調(diào)下降，3一速率與濃度有有大值需要特別指出的是，上述討論僅僅是從如何使反應(yīng)速率為最大、所需反應(yīng)器為最小的角度來考慮反應(yīng)器的選擇。而實際上選用何種反應(yīng)器除了要考慮上述因素外，還要考慮到一些其它因案。例如，在微生物反應(yīng)中，某些次級代謝產(chǎn)物的生成速率rP達到最大值時所需要的時間要比細胞生長速率達到最大值時延遲某一時間tM(見圖5-32)，如果為了追求最大的rP值，在連續(xù)操作的反應(yīng)器中則必須保持t＝tM58精選課件ppt

的條件，即細胞在反應(yīng)器中的平均停留時間必須等于細胞的成熟時間加。對CSTR，由于返混的作用，將使一部分細胞在反應(yīng)器中停留時間要小于tM，因而這一部分細胞對生產(chǎn)代謝產(chǎn)物沒有做出貢獻，而只有另外一部分細胞由于其t＞tM才能生成代謝產(chǎn)物。而對CPFR，由于無返混存在，所有細胞在反應(yīng)器的停留時間皆可控制在t＝tM的水平上，可使代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率達到最好的結(jié)果。還有一些次級代謝產(chǎn)物，如青霉素，在反應(yīng)器停留時間過長會分解，CSTR中由于有一部分可能t＞tM，易分解，而CPFR則易控制為tM，代謝產(chǎn)物不易分解。

綜上所述，要選擇一適宜的反應(yīng)器型式和操作方式需要綜合考慮多方面因素，才能做出客觀的選擇。59精選課件ppt

5.5半間歇操作的攪拌槽式反應(yīng)器(SCSTR)流加操作技術(shù)；反應(yīng)分離耦合技術(shù)5.5.1流加操作反應(yīng)器所謂流加操作是指在反應(yīng)過程中不斷向反應(yīng)器內(nèi)加入基質(zhì)、但又不同時取出培養(yǎng)液的操作方法。如果在上述流加操作過程中，每隔一定時間將發(fā)酵液取出一部分，然后繼續(xù)進行上述流加操作，并且將上述操作過程不斷重復(fù)下去，這種流加操作又稱為重復(fù)流加操作。流加操作的一個主要特點是在反應(yīng)進行的過程中，反應(yīng)器內(nèi)物料所占有的體積是在變化的，反應(yīng)器是在變?nèi)菹逻M行操作，并且仍然假設(shè)該反應(yīng)器內(nèi)的物料達到了最大程度的返混，反應(yīng)器的濃度分布仍是均一的，因此，此類操作又稱為變?nèi)莸腃STB操作。目的：減緩基質(zhì)對細胞生長的抑制作用；實現(xiàn)細胞的高密度培養(yǎng)。60精選課件ppt

常用的衡算模型有：(5-212)(5-213)(5-214)(5-215)如何實施流加操作呢?主要分為兩大類，一類是無反饋控制，另一類是反饋控制。無反饋控制是指加入基質(zhì)的流量按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律變化。如果按加入基質(zhì)的流量恒定的方式加入稱為恒流量流加，這種流加方式的特點是能保持細胞線性生長。61精選課件ppt

線性生長期一般出現(xiàn)在培養(yǎng)的后期，在此期內(nèi)基質(zhì)濃度非常低。還有一種無反饋控制的流加方式為指數(shù)流加，它使流加基質(zhì)量以時間的指數(shù)函數(shù)增加，這樣保證細胞的生長對時間是以指數(shù)函數(shù)增加。實行指數(shù)流加法可保證基質(zhì)濃度在培養(yǎng)過程中恒定不變，同時可以控制μ，因此它類似于恒化器操作。在生產(chǎn)代謝產(chǎn)物時，還可以按照優(yōu)化方案進行基質(zhì)流加流量的控制，此時要預(yù)先通過實驗確定比生長速率與基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物比生成速率與細胞比生長速率的具體函數(shù)關(guān)系式，進而再運用最優(yōu)化方法確定最優(yōu)流量變化規(guī)律。反饋控制可分為間接控制流加法和直接控制流加法。前者是以既重要又可檢測的參數(shù)，如pH、[DO]、qCO2、以及濁度等作為控制指標(biāo)的；后者則是通過連續(xù)或間斷地測定培養(yǎng)液中的流加基質(zhì)的濃度作為指標(biāo)進行控制的。無反饋控制與反饋控制示意圖見圖5-32。62精選課件ppt

圖5-33半分批微生物反應(yīng)操作的控制方法63精選課件ppt

在進行操作時，當(dāng)培養(yǎng)液體積大到一定程度后就須從反應(yīng)器中放出進行后處理。這時若不放出全部培養(yǎng)液而僅放出一部分，然后繼續(xù)進行流加操作，如此反復(fù)進行，稱為重復(fù)流加操作。據(jù)分析，實行重復(fù)流加操作時產(chǎn)物的生產(chǎn)率和反應(yīng)器利用率都有顯著提高。重復(fù)流加操作的主要特點是過程的參數(shù)將周期性地發(fā)生變化。5.5.2反應(yīng)分離耦合技術(shù)——膜透析在生化反應(yīng)中，通過對細胞的大規(guī)模培養(yǎng)，一般都希望能使某一代謝產(chǎn)物大量積累，以至大大超過細胞的正常生理濃度，這樣勢必會對細胞的活性產(chǎn)生抑制作用。也正是由于這種抑制作用，使生化反應(yīng)一般只能在稀溶液中進行，從而增加了產(chǎn)物分離的困難和能耗，也使反應(yīng)速率下降，限制了生產(chǎn)效率的提高。因此，若能及時將產(chǎn)物從反應(yīng)體系中加以分離，就可以消除產(chǎn)物對生化反應(yīng)的抑制，從而使生化反應(yīng)能在較高的基質(zhì)濃度和較快的速度下進行。如果方法選擇得當(dāng)，還可簡化分離過程，降低分離過程的費用與能耗。64精選課件ppt

生化反應(yīng)與產(chǎn)物分離耦合過程一般有兩種類型，一種是在生化反應(yīng)器內(nèi)，通過反應(yīng)介質(zhì)與分離劑直接接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物部分地通過分配轉(zhuǎn)移到分離劑中，從而使反應(yīng)介質(zhì)中產(chǎn)物濃度降低，消除產(chǎn)物的抑制作用。另一種是將反應(yīng)器中的反應(yīng)介質(zhì)引到外部的分離器中，使產(chǎn)物得到分離，并將分離產(chǎn)物后的介質(zhì)循環(huán)回生化反應(yīng)器。前一種方法比較簡單，可在原生化反應(yīng)器中進行，但由于分離劑與細胞等直接接觸，因此分離劑必須是生物兼容的。后一種雖然過程復(fù)雜一些，但分離劑不與細胞直接接觸，而且也有利于產(chǎn)物的進一步分離和提純。當(dāng)前研究開發(fā)較多的有生化反應(yīng)與吸附、萃取、氣提和膜分離等分離方法的耦合過程。而膜在生化反應(yīng)中的功能又有超濾、滲透蒸發(fā)、膜萃取和透析等。耦合過程是一種集成式單元操作，其生物反應(yīng)器具有特殊的結(jié)構(gòu)，在選擇具體方式時，必須考慮產(chǎn)物的特性及具體的生化化反應(yīng)體系，才能做出合理的選型和設(shè)計。65精選課件ppt

1.通過氣體汽提和減壓分離2.通過吸附或離子交換進行分離的耦合過程3.通過溶劑萃取進行分離的耦合過程4.膜式生化反應(yīng)器圖5-40典型的膜透析裝置66精選課件ppt

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1vvvvvvvvvvvvvv2過眼云煙的3古古怪怪的的4的防電風(fēng)扇的的5的的6男的的7古古怪8vvvvvvv9方法

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