第五章生化反应器.ppt
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4)三级串联: 5)十级串联: 单级CSTR 两级串联 三级串联 十级串联 总体积(m3) 10 3.6 2.7 1.8 体积变化率 - 64% 73% 82% 总反应时间 5.43h 1.98h 1.43h 1.0 综上所述,实际生产中CSTR串联的个数以不超过3个为宜。 利用多级串联优化青霉素的生产 在采用多级串联前,需先在BSTR中测得产黄青霉X、S、P、、rX、rP和时间t之间的关系曲线。 两级串联:应使第一级的菌体的生长速率最大,第二级产物的生成速率最大。而第一级反应器,相当于单级,有下式成立, ,在分批发酵的第24h,菌体生长速率达到最大,此时 所以第一级CSTR的稀释率为D1opt=0.0593h-1 第二级CSTR主要是产物产量最大,因此第二级的稀释率应为rP最大时的稀释率,对第二级的产物进行物料衡算得 分批培养时第48小时产物的生成速率最大,此时产物浓度P2=0.4g/L,产物的生成速率为rPmax=0.018g/(hL),而24小时时产物浓度P1=0.07g/L,所以第二级反应器的稀释率为 因此二级CSTR串联所需的时间为 在分批培养的第48小时,尽管产物的生成速率最大,但此时培养基中残糖浓度还很高,为此采用三个CSTR串联,使第三个CSTR维持在60小时的水平,此时的P3=0.62g/L,rP3=0.012g/(Lh),所以第三级CSTR的稀释率为 5.5 SBSTR 流加操作的反应器:是指在生化反应过程中仅按确定的一种加料策略,加入反应基质,而不同时取出产物的一种生化反应器。其目的之一是减缓底物对反应的抑制作用,能够人为控制流加底物在反应器中的浓度,将底物浓度控制在最佳值附近。 反应与分离相耦合操作:在反应过程中,以一种合适的方式将反应产物或副产物选择性移走的过程,以降低反应中产物的抑制作用。 5.5.1 流加操作 概述 流加操作的物料衡算 指数流加 恒速流加 5.5.1.1 流加操作概述 流加操作是为解决底物抑制而产生的,它能在较长时间内维持反应器内所需底物的供应,又能使反应器内底物浓度维持在较低的水平。 目前已应用于氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸、核苷酸和单细胞蛋白(如活性干酵母)的生产。 流加操作的核心是控制底物浓度,其关键是流加什么物质和怎样流加。对于前者,应该流加效果最明显的底物,在工业上更关心的是怎样流加的问题。 分类: 无反馈控制,包括恒速流加、指数流加、间歇流加等 有反馈控制,控制指标包括[DO]、pH值、X、S等 第五章 生化反应器的设计 反应器的分类 反应器设计的基本方程 BSTR的设计 CSTR的设计 SBSTR的设计 CPFR的设计 各反应器性能比较 5.1 反应器的分类 可按操作方式 能量的输入方式:机械搅拌式和气升式 反应器的结构特征(H/D):罐式、管式和塔式 反应器内流体的流动类型 :全混流、活塞流 分批操作 连续操作 半连续操作 5.2 反应器设计的基本方程 变量: 控制体积:即建立衡算式的空间范围,其原则是以反应速率视为相同值的最大空间范围作为控制体积,可以是微元体积,也可以是整个反应器的有效体积。 基本方程:物料衡算式、能量衡算式、动量衡算式、反应动力学方程 输入量=输出量+反应量+累积量 自变量:时间和空间 因变量:物料浓度、温度、压力 5.3 BSTR的设计 BSTR的基本特点 BSTR设计基本关系式 不同反应过程反应时间的求取 反应器有效体积的计算 5.3.1 基本特点 因为反应是一次进料,反应结束后一次出料,因此BSTR在反应过程中反应液体积不变 由于有高速搅拌装置,因此物料混合均匀,即浓度处处相同,且只随反应时间的变化而变化 控制体积为反应器的有效体积 5.3.2 设计关系式 对底物进行物料衡算输入=输出+反应消耗+累积 即:-反应消耗=累积 5.3.3 不同反应器反应时间的求取 均相酶反应 固定化酶反应 微生物反应 1、均相酶反应 当为单底物无抑制时,且酶无失活,将米氏方程代入积分得: 当酶有失活且满足一级失活模型时, 则 ,代入上式积分得 当体系中StKm时, 当 2、固定化酶 设反应器中液相物料占有的体积分率为 ,单位时间内底物的消耗量为 ,累积项为 ,对反应器内底物进行物料衡算仍有:反应=-累积,即 分离变量积分得 注意在进行积
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