第五章生化反应器

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第五章生化反应器

1000 mol的产品，底物转化率为0.8，辅助操作时间为10分钟，
求反应器的有效体积。 • 解：根据 tr rmax S0 X S K m ln
1 1 tr 2 0.8 2 ln 4.82 min 1 X S 1 0.8
Pr 1000mol / h Pr 1000mol / h,V0 10.42 L / min S0 X S 2 0.8mol / L VR V0 (tr tb ) 10.42 (4.82 10) 154.4 L
3、微生物反应
• 微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时
tr tr1 tr 2 ，若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1，减速期间，
末为X2，则在分批培养中对菌体作物料衡算：生长量＝累积量即
VR rX d (VR X ) dX rX dt dt
t r1 dX rX X0
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
分批操作
• 可按操作方式
连续操作半连续操作
• 能量的罐式、管式和塔式
状态参数与操作变量的关系
• 对反应器的底物进行物料衡算得：
X1 YX / S ( S 0 S1 ) W
• 根据故
DW
X1
max S1
Ks S1
得
S1
KsDW max DW
同样，带循环CSTR也存在有临界稀释率
Dcr 1 max S 0 1 max W Ks S 0 W

第5章生化反应器的设计与分析

其中 tb 是间歇反应所需辅助时间， V0 =
5、对于连续搅拌槽式反应器（CSTR）来说，有四个特点：输入流量与输出流量相等；反应器体积不变；反应器内物料混合达到最大；出口处浓度等于反应器内浓度。
38
生物反应工程习题精解
第五章
生化反应器的设计与分析
6、在 CSTR 中进行的酶反应过程，其反应的平均停留时间由反应流量和反应器体积决定，而反应转化率由平均停留时间和反应动力学方程决定，因此，在反应
1 ；当固定化酶颗 1− X S
1 。 1− X S
14、在 CPFR 中进行细胞培养需要不断向反应器中接种，一般有两种方式：加循环和与 CSTR 相串连。这两种方式在实际使用过程中均易造成染菌现象，因此使用较少。
（1）从通用的 15、CSTR 与 CPFR 的酶反应比较而言，可体现在以下几个方面：计算公式上有区别；（2）在反应器内的浓度分布上有区别，CSTR 反应器中浓度对时间、空间均无变化，而 CPFR 中浓度对时间无变化，对空间有变化。当存在有底物抑制时应采用 CSTR，当存在有产物抑制时应采用 CPFR；（3）要达到同样的转化率，CSTR 所需要的反应器体积要大于 CPFR 的反应器体积。在同样体积反应器里，CSTR 所需要的酶量要大于 CPFR 的酶量。半连续半间歇操作反应器主要是针对生化反应过程中存在的抑制现象而使用 16、的，当存在有底物抑制时，为了使反应器内底物浓度较低，需要采用流加操作来实现。当存在有产物抑制时，为了使反应器内产物浓度较低，需要采用反应与分
9、当 CSTR 带有外循环时，存在有 D =
39
KS ) ，使得反应器单位时间 K S + CS0
µ
生物反应工程习题精解

生化反应器

生物产品生产过程
1-1 生物反应过程
利用生物催化剂将原料转化为产品过程中发生的一系
列生物化学变化过程。生物催化剂是游离的或固定化的细胞和酶的总称。 • 当采用游离的整体活微生物细胞作催化剂时，其生物反应过程称为发酵过程(在特定情况下有时也称之为微生物转化过程)； • 当所用生物催化剂为游离或固定化酶时，其生物反应过程
1.酶的命名
• 习惯命名法：通常根据底物和酶所催化的反应性质来命名，如淀粉酶，氧化酶等；有些酶的命名还加上酶的来源或酶的特点，如胃蛋白酶等。 • 系统命名法：酶的名称应包括酶的系统名和分类编号，其中酶的系统名依次由底物名称、反应类型和表示酶的后缀词-ase构成。
2.酶的分类和用途
按酶的催化反应类型，可将酶分成六类：
关于产物动力学研究，首先需要通过实验找
到细胞生长、基质消耗和产物生成的规律，然后建立合理的数学模型并确定模型参数，用数学模型就可以模拟分批培养过程从而达到优化控制过程的目的。
§3 生化反应器
3-1 生化反应器的特殊要求
Km 1 1 1 rp rmax rmax cs
• ②伊迪-霍夫施蒂（Eadic-Hofstee）法
由rp
k 2 c E , 0 cS cS K m
rmaxcs cs K m rp cs
得：rp rmax K m
• ③黑尼斯-伍尔夫（Hanes-Woolf，简称H-W法，又称兰格缪尔（Langmuir））作图法
称为酶反应过程(有时也称为酶促反应过程或酶催化反应
过程)。
1-2 生物反应过程的特点
1.发酵过程的特点
• 反应步骤简单。
• 反应条件温和，消耗能量较少。 • 反应产物的含量低，副产物较多，产品分离过程复杂。 • 在反应过程中反应体系容易被杂菌污染。 • 利用微生物作为催化剂时，细胞的稳定性较高。

生物工程设备第五章生物反应器的放大与控制

又因为
D ug (VVM ) pL
所以
(VVM )2 ( D1 )23 ( pL2 )
(VVM )1 D2
pL1
QG ug Di2,VL: Di3
第二篇生物反应设备
第五章生物反应器的放大与控制
生物反应器的放大过程
1）利用实验室规模的反应器进行种子筛选和工艺试验；
2）在中间规模的反应器中试验（中试），确定最佳的操作条件；
3）在大型生产设备中投入生产。
放大的重要性
为生物技术产品从实验室到工业生产的关键。
对一个生物反应过程，在不同大小反应器中进行生物反应虽相同，但三传有明显差别，从而导致不同反应器中生物反应速率有差别。
放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数
H1 H2 常数 D1 D2
V2 V1
D2 D1
3
m
所以
H2
1
m3
和
D2
1
m3
H1
D1
H1,H2-模型反应器和放大反应器的高度，m；D1,D2-模型反应器和放大反应器的内径，m；V1,V2-模型反应器和放大反应器的体积，m3；
（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大
ug
60Q0 (273 t) 9.8 104
4
Di 2
273
pL
27465.6(VVM )(273 t)VL Di2 pL
Q0
ug pL Di2 27465.6 (273 t)VL
VVM
ug pL Di2
27465.6 (273 t)VL
（四）以空气线速度相同的原则进行放大
u g1 u g2
欲使整个生物反应器处于最优条件下进行操作，必须使反应器中每个细胞都处于最优环境之下，达到整体优化。

通风发酵

第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C

生物反应工程原理五六七章

第五章生化反应器第一节概述一、生化反应器的定义1、生化反应器又可称生物反应器，是为适应生化反应特点而设计的反应设备。

生化反应器在生化反应过程中处于极为重要的中心地位，它是影响整个生产过程经济效益的重要方面。

生化反应器包括微生物反应器（发酵罐）、酶反应器、动植物细胞培养用反应器等。

2、生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一由图可见，生物反应器在生物过程中，具中心作用，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。

反应器中，通过产物合成，廉价原料被升值了。

生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。

二、生化反应器的基本要求如：发酵罐，要有能控制温度、压力，通氧量、密封防漏、防止杂菌污染的设施，并根据发酵特点和要求，选择合适的发酵罐结构和型式。

第二节生化反应器的特点与设计目标与原则一、生化反应器的特点生化反应器的特点，是与生化反应的特点相伴随的。

1. 生化反应器提供的反应条件都是在低温、近中性pH等接近细胞生理的条件。

2. 生化反应的酶系都是复杂的，要求生化反应器能很好的控制反应进程并使其最优化。

尤其是传质和传热。

3.生化反应器要控制反应条件的相对恒定及协调，考虑辅酶的添加以及能量的供应，同时还要注意底物及产物浓度的控制。

4. 利用生化反应器可以定向的生产一些用一般化学方法难以甚至不能获得的产品。

5. 由于回收设备提高了生化产品的成本，生化反应器需要更关注产品的分离纯化。

二、生化反应器的设计目标与原则（一）一个优良的生物反应器应具备的条件：生物反应器的作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。

一个优良的生物反应器应具备：（1）严密的结构（2）良好的液体混合性能（3）高的传质和传热速率（4）灵敏的检测和控制仪表（二）判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。

（三）生物反应器设计的重要方面包括：生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。

生物工程设备5 第五章生物反应器的检测与控制设备

2.溶氧浓度和氧化还原电位
好气性发酵过程中，液体培养基中均需维持一定水平的溶解氧，以满足生物细胞呼吸、生长及代谢需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是发酵生产水平和技术经济指标的重要影响因素。
对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产，在产物积累时，只需很低的溶解氧水平。这样低的溶解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。
5．氧比消耗速率（rO2）
氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度，即每小时每单位重量的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧/克干菌
体小时。
三、生物参数
1.细胞浓度及酶活特性
耗能上升等不良影响。
通气量和pH对苹果酸发酵的影响
4.液位
液位的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液位的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液位。
对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无菌水，以维持最佳液位。
过程检测参数的类型
物理参数
温度、压力、搅拌器转速、动力消耗、通气量、流加物料量、料液总质量、料液体积、发酵液黏度、流动特性、放热量、添加物质的累积量
化学、生物参数
氧化还原电位、DO、DCO2浓度、尾气氧分压和PCO2分压、KLa、菌体浓度、细胞内物质组成、碳源、氮源、金属离子、诱导物质、目的代谢产物、副产物等的浓度、酶的比活力、各种比速率、呼吸熵
物理参数的作用与检测方法

第五章间歇式操作反应器

对细胞，有
积体细系胞内质累量细进胞入质体量系离细开胞体质系量长体细系胞内质生量
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第5章生化反应器设计与分析>>5.1生化反应器设计概论
2、能量衡算式
单位时间单位时间单位时间单位时间
输入体系输出体系内的反应体系内积
5.1.2 生化反应器的基本设计方程
反应器计算的基本内容 ➢ 选择合适的反应器型式
根据生物催化剂和生物反应动力学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，使反应结果最优。
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第5章间歇式操作反应器
生化反应器设计概论间歇式操作反应器的设计（BSTR）反应过程的流体力学氧的传递特性机械搅拌反应器的结构与计算反应过程的传热特性
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第5章间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
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第5章间歇式操作反应器>>5.1生化反应器设计概论
常见反应器类型
Batch operation
Continuous
Multi-cascade reactor Packed bed
Cycle immobilized bed
Piping immobilized bed
一、BSTR的反应时间
对上式积分，
B.C. t=0，CS=CS0 ， t=tr，CS=CS ，

生化工程,5理想流动生化反应器

Substrates Cell or enzyme
5
积分初始条件：t=0, S=S0; 分离变量积分得，
t
S
dS
S0
rS
(5-2)
t
S
dS
S0
rS
(5-3)
(a). 对于均相酶促催化反应，

r S dS v max dt S Km
S
M-M方程
(5-4) (5-5)
S Km dS 1 t ( )dS S S r S 0 0 r 因此， rmax max maxS S Km
Vo So Xo output
浓缩
VR S X
D=Vi/VR
R = Vr / Vi Vr Sr =S1 Xr Pr
β = Xr / X1 β 浓缩比 R 循环比
22 经浓缩后的细胞悬液被送回反应器，细胞的循环相当于不断地给反应器接种
(a)在稳态的条件下对CSTR做细胞(X)的物料衡算输入量+循环量+生长量＝输出量
D(Si S1 )
所以，
X1
YX / S (Si S1 ) W
WD
因此，
S1
KSWD m WD
24
因为W ＜1, 反应器出口的细胞浓度比无循环时的细胞浓度大，出口处基质浓度比无循环时的基质浓度低，有利于基质的转化，同时提高了细胞的生产率。在有循环的条件下，其临界稀释率DCr为
VR
dV dX2 dX X2 R V(X1 X2 ) VR ( 2 )growth dt dt dt dX2 D(X1 X2 ) μ2 X2 dt
28
当达到稳态时，dX2/dt=0 所以，

第五章_工业生化反应器

操作成本
投资成本
酒精生产
青霉素生产
62%
35%
26%
38%
12%
22%
• 和反应器有关的是操作成本和投资成本。在操作成本中，动力消耗占主要方面。 • 因此在反应器的设计中，在满足工艺要求的前提下，节能是一个重要问题。
二生物反应器设计和操作的限制因素
• • • • •
我们期望反应器的生产能力（g/L· h）越高越好。反应器的生产能力主要取决于两方面的因素： 1．生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力 2．反应器的传质和传热能力当生物催化剂浓度较低且比活力也较低时，生物催化剂的因素是反应器生产能力的限制因素；但是生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。
复习题
• 1、生物反应器设计的目标是什么？ • 2、生物反应器设计和操作的限制因素有那些？ • 3、谈谈生物反应器开发的趋势和方向。 • 4、生物反应器有哪几种操作方式？各如何操作？ • 5、好氧机械搅拌罐式反应器有哪几种基本形式？各自的结构特点如何？ • 6、动物细胞培养反应器有哪几种形式？举出一个例子进行描述。
三、生物反应器开发的趋势和未来方向
• 1．开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位。 • 主要途径是利用基因工程技术改变酶的初级结构，定向改造生物细胞，改进酶和细胞的固定化技术，得到更多的酶活性回收，更长的使用寿命。 • 2．改进生物反应器热量、质量传递的方法 • 随生物催化剂比活力的提高，生物反应器的性能受传质传热的限制就急需解决，必须改进生物反应器传质传热的方法和设施。
Batch operation间歇反应
Continuous operation连续操作

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输入量＝输出量+反应量+累积量
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
St
tr
dS
S0 rmax S
1 rmax
S0 ( Km St S
1)dS rmax tr S0 St
Km ln
S0 St
Km S
• 当酶有失活且满足一级失活模型时，E E0 exp(kdt)
则
rS
k2E0 exp( kd t)S Km S
，代入上式积分得
S0 St Km ln
)X
由，则 YP/ X
P P0 X X0
YP / X
•X
(P P) YP/ X
• X0
rP
max
(1
P Pmax
)[(P P0 ) YP/ X
X0]
代入积分得：max tr
Pt
Pmax P0 YP/ X
X0
ln
X t (Pmax X 0 (Pmax
P0 ) Pt )
实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为
tr
Pt P0
dP rP
一般情况下，产物均有抑制作用，此时微生物生长的动力学方程可表示
为：rX
max
(1
P Pmax
)n
S Ks S
X
，当S>>Ks,n=1时，可简化为
rX
max (1
P Pmax
)X
若产物与细胞的生长完全相关，则
rP
YP / X rX
YP / X max
(1
P Pmax
• 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
VR rS
d (VR S) dt
tr S0 dS S rS
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：
S0 St
S0 X S
K
m
ln
1
1 X
S
k2 E0 kd
[1 exp( kd tr )]
• 当体系中St>>Km时，
XS
k2 E0 S0kd
[1
exp( kd
tr
)]
•当
tr
0, X S
X S,
k2 E0 S0kd
2、固定化酶
• 设反应器中液相物料占有的体积分率为 L ，单位时间内底物的消耗量
力学，有效因子与转化率无关，因此
tr
L Km (1 L )rmax
ln
S0 St
3、微生物反应
• 微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时
间，tr tr1 tr2，若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1，减速期
末为X2，则在分批培养中对菌体作物料衡算：
生长量＝累积量
即
VR rX
d (VR X ) dt
rX
dX dt
给定边界条件进行积分得：
X1 dX
tr1 X 0 rX
在对数生长期，
max , rX
max X代入积分得max tr1 ln
X1 X0
•
减速期细胞的生长符合Monod方程，即
rX 2
max S
Ks S
X,
X2
dX
，假定此时
tr 2 X1 max S X
• 反应器内流体的流动类型：全混流、活塞流
5.2 反应器设计的基本方程
• 变量：
自变量：时间和空间因变量：物料浓度、温度、压力
• 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
为V0，则 VR V0 (tr tb ) ，对于酶反应过程，若设计要求单位时间内
得到的产物的产量为Pr，则 • 反应器的体积为
V0
Pr S0 X S
VR
'
VR
例题
• 在BSTR中进行均相酶反应，已知加入底物的初始浓度为S0=2 mol/L，rmax=1.0 mol/(Lmin)，Km=2 mol/L，若要求每小时生产 1000 mol的产品，底物转化率为0.8，辅助操作时间为10分钟，
由 drP dt
0 Popt
P0 Pmax 2
综上所述，反应过程与反应速率是有关联的，凡是影
响反应速率的因素，均能影响反应时间tr,即反应时间只与动
力学有关，而与反应器大小无关。
5所占有的体积，是由物料的处理量决定的，也就是说是由设计生产能力决定的，若单位时间内物料的处理量
为
(1L)VR • • rS
，累积项为
LVR
dS ，对反应器内底物进行物料衡算仍有：
dt
反应＝－累积，即
(1 L )VRrS
LVR
dS dt
分离变量积分得
tr
L S0 dS
1L
r St
S
S0 L 1L
X S dX S
0 rS
• 注意在进行积分时，须先求得 ~ X S 的关系才能进行，对于一级反应动
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
分批操作连续操作
半连续操作
• 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
求反应器的有效体积。
•
解：根据
tr rmax
S0 X S
Km
ln
1 1 XS
tr
2 0.8 2 ln
Ks S
YX / S 常数
则
X
X1
YX
/S
(S1
S)
S
S1
1 YX / S
(X
X1)
，代入积分得
max tr2
(1
YX /S Ks ) ln X1 YX / S S1
X2 X1
YX / S Ks X1 YX / S S1
ln
S2 S1
但在对数生长期末的菌体浓度X1很难确定，而X2比较好测，所以从指数
期到减速期末的总时间tr常采用近似法来求得，常采用下式：
max tr
(1
YX /S Ks ) ln X 0 YX / S S0
X2 X0
YX / S Ks X 0 YX / S S0
ln
S2 S0
在微生物反应过程中除对菌体作物料衡算外，也可以对产物进行衡
算：生成量＝累积量，
VR rP
d (VR P) dt

第五章生化反应器

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