生物过程的反应原理3(PPT66)

来自生化反应器的分类生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备．可从多个角度对其进行分类。按照所使用的生物催化刑的不同，可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。根据反应器的操作方式，可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。来自—2几种酶反应器及操作方式示意图(1)间歇式搅拌罐;(2)连续式搅拌罐;(3)多级连续搅拌罐;〔4)填充床(固定床)(5)带循环的固定床;(6)列管式固定床;(7)流化床;(8)搅拌罐-超滤器联台装置;(9)多釜串联半连续操作;(10)环流反应器;(11)螺旋卷式生物反应器来自—3几种细胞反应器示意图来自生化反应器的基本设计方程生化反应器设计的最基本内容有：①选择合适的反应器型式，根据反应及物料的特性和生产工艺特征，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；②确定量佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、PH、通气量、物料流量等；③计算出所需反应器体积，设计各种结构参数等。来自中国最大的资料库下载反应器设计的基本方程有三类：①描述浓度变化的物料衡算式；②描述温度变化的能量衡算式。或称为能量方程；③描述压力变化的动量衡算式；(建立这三类方程的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。)④反应动力学方程式；⑤热力学计算式；⑥各种传递参数的计算式等。变量分因变量和自变量两种。在反应器设计和分析中，建立物料衡算式时通常以反应组分的浓度或某组分的转化率做为因变量；能量衡算式和动量衡算式则分别以反应物系的温度和压力做因变量。来自中国最大的资料库下载对于自变量，有时间自变量和空间自变量两种。对于定态过程。由于因变量与时间无关，因此在建立衡算式时就不须考虑时间变量，非定态过程则两种自变量均要考虑。考虑空间自变量时，一般只限于一维——以反应器的轴向距离为空间自变量。所谓控制体积是指建立衡算式的空间范围，即在多大的空间范围内进行衡算。其选择原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。输入＝输出十消耗十累积来自生化反应器的分类生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备．可从多个角度对其进行分类。按照所使用的生物催化刑的不同，可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。根据反应器的操作方式，可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。来自间歇操作搅拌槽式反应器(BSTR)tr;tb5.2.1反应时间的计算对间歇搅拌槽式反应器做物料衡算时，应掌握其两个主要特性：一是在反应进行过程中无物料的输入和输出；二是由于搅拌的作用，反应器内物料充分混合，浓度均一，而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可以对整个反应器做物料平衡。根据式(5—1)，对间歇操作的搅拌稿式反应器，其物料衍算式应为来自中国最大的资料库下载(5-5)dtdNsVdtdNsVRSSRrr1反应组分转化速率＝一反应组分的累积速率对液相反应:dtdCsSr(5-6)若令t=0,Cs=Cs0;t=tr,Cs=Cs，分离变量积分可得：XssrCsCssrrdXsCstsrdCst000表示，则有：若以转化率X(5-8)(5-7)来自中国最大的资料库下载(1)均相酶催化反应。当为单底物无抑制的反应时，可将M-M方程代入式(5-8)，并积分可得:CsCsXsCstrKCsCsCsKXsKtrKCsCsCsKCsCstrXsKXsCstrrmmmrmmrmr00max00max000max0maxln11lnln)(11ln时，当时，当(5-9)(5-10)(5-11)(5-12)对不同Xs值，以tr—Cs0/Km对应作图，得到图5-4。来自下，间歇反应时间tr与Cs0/Km关系从图中可以看出当Cs0/Km值较小时，近似为一级反应。当XS一定，tr将不随Cs0/Km值而变化；当Cs0/Km值较大时，近似为零级反应，此时tr将随Cs0/Km值成比例增加。来自中国最大的资料库下载如果在酶催化反应过程中，酶发生失活现象，若为不可逆失活，则:XsKmXsCsCkkkttkCkCkrEddrrdEE11ln1ln1)exp(000222max(5-13)(5-14)代入式(5-8)，积分得(2)固定化酶催化反应XssrXssrXsssssrWLPLLLLLrdXsWVCstrdXsVVCstrdXsCsCCrdCst000000011(5-16)(5-15)(5-17)如果反应速率是以单位催化剂的质量来定义的，此时速率以rsw表示，则有：来自11ln111lnln100maxmax(5-18)(5-19)一级不可逆反应，即Cs。Km时，内扩散有效因子η与转化率Xs的大小无关，η可作常数处理。此时有：如果固定化酶颗粒很小，反应为动力学控制，η＝1，则可表示为：(3)微生物反应。由于间歇操作的微生物反应过程的动力学比较复杂，很难用一个统一的动力学方程来表示全过程，并且由于细胞生长过程又包括延迟期、指数生长期、减速期、静止期等，使得反应时间tr的范围亦难以十分明确。比较容易确定的是指数生长期和减速期所需要的时间。21rrrttt(5-20)来自，(5-21)(5-22)(5-23)(5-24)在指数期内，基质浓度高，营养物充分，细胞生长不受限制，比生长速率可达到最大值，即对减速期，由于基质的消耗，细胞的生长速率会受到基质浓度的限制，此时有：2121maxmaxXXXXrCsKsXCCCsCCsdCKstCsr(5-26)(5-25)来自)1()(1maxXXXrXXCYCsKskCsCskKsCCkKstCCYCsCsSXSX(5-27)(5-29)(5-28)并根据：积分得到：式中：但是，由于CX1值很难确定，而CX2值很易确定，因此采用一种近似的计算方法，即从指数期开始到减速期末，总的反应时间tr用一个统一公式来计算：来自)1(0maxmaxXSSXXtrXCsKsXXXXXrCYCsKskCCkKsCCkKstCCsCCdCtSXttrr(5-30)(5-31)(5-32)5.2.2反应器有效体积的确定)(0brRbrttVVttt(5-44)(5-45)反应器的有效体积：来自(5-46)如果要求单位时间内得到产物的量为Pr,则有：例5.1在一间歇操作的反应器内进行一均相的无抑制的酶催化反应，已经测得该酶催化反应的动力学参数为k+2=1min-1，Km=2mol／L，加入酶的初始浓度CE0＝1mol／L。加入反应底物的初始浓度为2mol／L。试求要求每lh生产某产品1000m0l，反应底物的转化率为0.80，并且每一操作周期内所需要的辅助时间为l0min。此时所需要的反应器有效体积VR为多少7解：(1)先求出达到一定转化率所需反应时间，根据题意，本反应符合M-M方程。因此，根据XsKXsCstrmr11ln0max来自)/(11102maxrrEttLmolCkr将已知值代入上式：(2)求反应器有效体积VR。根据VR＝V0(tr十tb)和Pr＝V0·，可分别求出:V0=Pr/(Cs0·Xs)=(1000/60)/(20.80)=10.42L/minVR＝10.42(4.82+10)=154.4L5.2.3间歇反应过程的优化brPRPttCVFPS对于一定反应：(5-47)1.单位时间的产物产量：来自为最大，则对反应时间tr求导并令其＝0，boptrPrPttCdtdC,(5-49)图5-5使生产率最高的最优反应时间图解来自)(,要使生产成本最低，应使0rTdtdC(5-52)(5-50)采用和图5-5相同的方法求出tr,opt值。来自连续操作的搅拌槽式反应器(CSTR)有单级CSTR、多级CSTR串联、带有循环的CSTR等。5.3.1CSTR的基本设计式来自做物料衡算，以反应组分S为例：输入速率=输出速率+反应消耗速率sssssssrCCrXsCVVrCCrXsCVVCVFrXsFVVrXsFXsFFVrFFSSSmRmSSSRSSSRRSSSRSS0000000000000,)1(，则有：若令故又由于因此因为(5-56)(5-57)(5-58)(5-59)来自均相酶催化反应：ssssmsssssmXXKmXCrCCCKmCCr1)(000maxmax(5-61)(5-60)来自中国最大的资料库下载(5-62)PsssssPmssssmsssPmssssmssSIsssssmKXCXXCKKXXKmXCrXXCKKXXKmXCrXXKCXXKmXCr20200200200)1(1)1(1)(1maxmaxmax22，则有：若为非竞争性产物抑制则有：若为竞争性产物抑制，：若荐在底物抑制，则有(5-63)(5-64)如果为固定化酶催化反应，由于有液固两相和内扩散影响的存在，底物的物料平衡式为：：SPSPLrrRVFsFs)1(0以固定化酶颗粒体积为基准所定义的催化反应速率(5-65)来自000000max0,1)1()1(有：酶单位质量为基准，则如果反应速率以固定化示为：动力学时，则上式