间歇式操作反应器.ppt

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1、第四章第四章第四章第四章 生物反应器的操作模型生物反应器的操作模型4.1 4.1 操作模型概论操作模型概论分类与特征按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同：酶反应器；细胞生物反应器反应器；细胞生物反应器根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇根据反应器物料的加入和排出方式的不同：间歇反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器反应器；连续反应器；半间歇半连续反应器根据生物催化剂在反应器的分布力式：生物团块根据生物催化剂在反应器的分布力式：生物团块反应器；生物膜反应器反应器；生物膜反应器根据相态来分：有均相反应器；非均相反应器。根据相态来分：有均相反应器；非

2、均相反应器。理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型理想的机械搅拌反应器和理想管式反应器的流型（即全混流和平推流）。（即全混流和平推流）。实际的连续流动反应器的流动和混合状态处于它实际的连续流动反应器的流动和混合状态处于它们之间，为非理想流动，对生物反应器进行这种们之间，为非理想流动，对生物反应器进行这种分类有利于对反应器进行模拟与放大。分类有利于对反应器进行模拟与放大。根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、根据反应器的结构：包括罐式、管式、塔式、膜式等。膜式等。若根据反应器所需能量的输入方式不同来分，若根据反应器所需能量的输入方式不同来分，则有通过机械搅拌输入能量的机械搅拌反应器、则有通

3、过机械搅拌输入能量的机械搅拌反应器、利用气体喷射动能的气流搅拌反应器和利用泵对利用气体喷射动能的气流搅拌反应器和利用泵对液体的喷射作用而使液体强制循环的反应器。液体的喷射作用而使液体强制循环的反应器。几种酶反应器几种细胞反应器生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式 生物反应器分析（优化和放大）与设计生物反应器分析（优化和放大）与设计反反应应器器体体积积反反应应器器型型式式反反应应器器操操作作方方式式反反应应器器结结构构传递特性、流动与混合特性传递特性、流动与混合特性生物反应动力学生物反应动力学生物反应器设计、生物反应器设计、优化与放大优化与放大本本征征

4、动动力力学学（微微观观动动力力学学）宏宏观观动动力力学学（总总包包动动力力学学）生物反应速度生物反应速度2 基本设计方程l生生物物反反应应器器设设计计的的主主要要目目标标是是寻寻求求反反应应目目的的产产物物的的高高生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。l生物反应器设计的基本内容包括：生物反应器设计的基本内容包括：选选择择合合适适的的反反应应器器型型式式与与操操作作方方式式。即即根根据据生生物物催催化化剂剂和和生生物物反反应应动动力力学学特特征征，以以及及物物料料的的特特性性和和生生产产工工艺艺特特点点，选选择择合理的结构类型、流动方式和

5、相关的传递过程条件；合理的结构类型、流动方式和相关的传递过程条件；确确定定最最佳佳的的操操作作条条件件与与控控制制方方式式，如如温温度度、压压力力、PHPH、通通气气量、物料流量等工艺参数；量、物料流量等工艺参数；计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。反反应应器器体体积积反反应应器器型型式式反反应应器器操操作作方方式式反反应应器器结结构构反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积l反应器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡算式、能量衡算式和各种传递过程参数的计算式。4.2 4.2 间歇式操作反应器的设计间歇式

6、操作反应器的设计 间歇式操作的特点非稳态过程所有物料具有相同的停留时间和反应时间随着反应的进行，反应器的效率将降低优点优点较适合多品种、小批量的生产过程。有不少较适合多品种、小批量的生产过程。有不少生物制品是小批量生产的，因此使用同一台反生物制品是小批量生产的，因此使用同一台反应装置，可进行多品种的生产。应装置，可进行多品种的生产。较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数较适合反应速率较慢的生物反应。由于多数生物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使生物反应的速率较化学反应慢，故工业过程使用具有间歇操作特征的大容量生物反应器。用具有间歇操作特征的大容量生物反应器。分批进行的过程染菌率较低。分批进行

7、的过程染菌率较低。缺点缺点间歇操作反应器的缺点是这种操作需要一间歇操作反应器的缺点是这种操作需要一定的辅助操作时间，生产效率较低；定的辅助操作时间，生产效率较低；细胞或酶的反应环境随时间改变，产物生成细胞或酶的反应环境随时间改变，产物生成速率与反应时间有关；速率与反应时间有关；下游产物分离必须分批进行等。下游产物分离必须分批进行等。4.2.2 4.2.2 反应时间的计算反应时间的计算对液相反应如反应器有效体积不随时间发生变化，则有对液相反应如反应器有效体积不随时间发生变化，则有 反应组分的转化速率一反应组分的累积速率反应组分的转化速率一反应组分的累积速率若设反应组分若设反应组分s的转化率为的转

8、化率为Xs，即，即表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取表示反应组分转化至一定程度所需的反应时间，它取决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小决于反应速率的大小，反应速率越大，反应时间越小1 均相酶反应过程均相酶反应过程如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合如酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合M-MM-M方程方程l当cS0Km时，即反应呈零级反应特征时:l对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模型对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模型则有：则有：举例5-1假假定定反反应应过过程程发发生生在在固固定定化化酶酶颗颗粒粒内内，反反应应速速率率不不受受外外扩扩散限制，但

9、受内扩散限制。散限制，但受内扩散限制。设设反反应应器器中中的的空空隙隙串串(液液相相体体积积反反应应器器有有效效体体积积)为为 L，则则固定化酶颗粒所占的体积分数为固定化酶颗粒所占的体积分数为(1-L)。在在单单位位时时间间内内、反反应应器器中中底底物物的的消消耗耗量量为为(1-L)VR rS，累累积积 项项 则则 为为 反反 应应 器器 内内 液液 相相 中中 底底 物物 随随 时时 间间 的的 变变 化化 率率 为为 LVRdcS/dt2 固定化酶反应过程固定化酶反应过程通常当酶反应为一级反应，即通常当酶反应为一级反应，即cSK m时内扩散有效因子时内扩散有效因子与转化率与转化率Xs的大小

10、无关，等于常数。此时有：的大小无关，等于常数。此时有：如反应速本以单位催化剂的质量来定义，并表示为如反应速本以单位催化剂的质量来定义，并表示为rSW，则有，则有当固定化酶的颗粒很小，内扩散的影响可以忽略时，当固定化酶的颗粒很小，内扩散的影响可以忽略时，有效因子有效因子 1，则反应时间可由下式计算，即，则反应时间可由下式计算，即 3 细胞反应过程细胞反应过程 4 最优反应时间的确定最优反应时间的确定例如对均相酶反应，假定其动力学符合例如对均相酶反应，假定其动力学符合MMMM方程，如果不考方程，如果不考虑酶的失活，产物的初始浓度虑酶的失活，产物的初始浓度c cP0P0=0=0：4.2.3 4.2.

11、3 有效体积的计算有效体积的计算举例5-2一牛顿型流体 式中:F/A流体剪切应力，N/m2 /流体的粘度,Pas du/dy 流体速度梯度,s-1切变率气体、低分子液体常为牛顿型流体气体、低分子液体常为牛顿型流体表观黏度表观黏度4.3 4.3 反应过程的流体力学反应过程的流体力学4.3.1 4.3.1 反应介质的流变特性反应介质的流变特性二非牛顿型流体1 拟塑性流体（假塑性流体）拟塑性流体（假塑性流体）流动特性表达式：流动特性表达式：K n (0n1)；n值越大，流体的非牛顿特性越明显。3 宾汉宾汉(Bingham)塑型流体塑型流体流动特性表达式流动特性表达式:0 式中:0屈服应力；刚度系数特

12、点：当625)的反应器系统这时可得的反应器系统这时可得dfd0.625（3）最小湍流漩涡长度）最小湍流漩涡长度4.3.3.2 气流搅拌的剪切力气流搅拌的剪切力4.4 4.4 生物反应器中的氧传递生物反应器中的氧传递 氧的特性氧的特性：氧是一种难溶气体，25和1大气压时，空气中的氧在纯水中的平衡浓度仅8.5g/m3，由于盐析作用，8g/m3，仅是葡萄糖的1/6000。氧是构成细胞及其代谢产物的组分,通过体内糖、脂肪等生物氧化获得生命活动所需的能量。汽液相间氧的传递与反应汽液相间氧的传递与反应一几个基本概念 溶解氧浓度C COLOL：单位体积液体中可溶解氧的量 比耗氧速率(呼吸强度)qO2：单位质

13、量的细胞(干重)在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/kgs)摄氧率r：单位体积培养液在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/m3s)r=qr=qO2O2CCX X 其中：C CX X 细胞浓度二影响细胞耗氧速率的因素 营养物质的种类和浓度、培养温度、pH、有害代谢物的积累、挥发性中间代谢物的损失等等。三.氧的传递过程(1)气相扩散到气-液界面阻力R1;(2)通过气液界面的阻力R2;(3)通过滞流区的阻力R3;(4)液相传递阻力R4;(5)细胞团外液膜阻力R5;(6)液体与细胞团界面阻力R6;(7)细胞之间的扩散阻力R7;(8)进入细胞的阻力R8在克服各阻力进行氧传递时，要损失推动力。氧传递

14、过程在克服各阻力进行氧传递时，要损失推动力。氧传递过程的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各的总推动力是气相与细胞内氧分压之差。达到稳态时，各步单位面积上氧的传递速率相等步单位面积上氧的传递速率相等 四氧传递速率方程 当气液界面不存在表面活性物质时，界面阻力(R2)可忽略，主要传递阻力存在于气膜和液膜。氧传递达到稳态时：式中：ci气液界面氧浓度(mol/m3)；c液相主体氧浓度；c*为与p平衡的氧浓度；kL、kG 分别为液膜与气膜传递系数；H 亨利常数；KL 以液膜为基准的总传质系数。对于易溶气体，如氨气溶于水中时，液膜的传质阻力相对于气膜可忽略对于难溶气体，如氧气溶于水中时，气膜

15、的传质阻力相对于液膜可忽略两别同时乘以a(单位体积反应液中气液比表面积)kLa-体积传质系数五氧传递对细胞生长的影响氧的传递速率与氧的消耗速率的关系氧的传递速率与氧的消耗速率的关系六最低溶氧浓度影响氧传递的因素影响氧传递的因素（1）饱和溶氧溶度）饱和溶氧溶度c*OL(2)(2)液膜传质系数液膜传质系数k kL Ll双膜理论(3)汽液比表面积汽液比表面积a(4)反应体系的流变特性反应体系的流变特性4.4.4 4.4.4 体积传质系数的测定体积传质系数的测定一、亚硫酸氧化法 为非培养状态下测定kLa的方法 O2+2Na2SO3 2Na2SO4二、动态法 当停止通风时，有：下降到一定程度，恢复通风：

16、下降到一定程度，恢复通风：三.物料平衡法l顺磁氧分析仪4.5 4.5 机械搅拌反应机械搅拌反应器的结构与计算器的结构与计算筒体、搅拌装置、换热装置、挡筒体、搅拌装置、换热装置、挡板、消泡器、电动机与变速装置板、消泡器、电动机与变速装置和空气分布器等，并在壳体的适和空气分布器等，并在壳体的适当部位设置排气、取样、放料、当部位设置排气、取样、放料、接种、加酸或碱等管道接口以及接种、加酸或碱等管道接口以及人孔或视镜等部件。人孔或视镜等部件。4.5.1 反应器结构与操作参数反应器结构与操作参数基本结构与尺寸基本结构与尺寸H筒高度；D罐径；W挡板宽度；HL液位高度；d搅拌器直径；s两搅拌器间距；B下搅拌

17、器距底边距；2)搅拌器的类型与特性搅拌器的类型与特性全挡板条件：全挡板条件：(3)通气速率与搅拌速度涡流可以通过挡板的安置消除，但挡板会增加功率消耗。经实验证实：涡流可以通过挡板的安置消除，但挡板会增加功率消耗。经实验证实：在全挡板条件下，液面没有涡流，此时指数在全挡板条件下，液面没有涡流，此时指数y为零，为零，(Fr)y1。4.5.2 搅拌功率的计算搅拌功率的计算在全挡板条件下，液面不产生中心下降的漩涡，此时在全挡板条件下，液面不产生中心下降的漩涡，此时y=0，Np仅是仅是搅拌雷诺准数的函数。搅拌雷诺准数的函数。当搅拌雷诺准数小于当搅拌雷诺准数小于10，x=-1，液体处于滞流状态，液体处于滞

18、流状态，Np=KRem-1当搅拌雷诺准数大于当搅拌雷诺准数大于104，液体处于湍流状态，液体处于湍流状态，x=0,Np=K，即，即当不满足以上条件时，需做出修正：当不满足以上条件时，需做出修正：P*=fP带带*号表示实际搅拌设备情况。号表示实际搅拌设备情况。当有多层搅拌器，功率为：当有多层搅拌器，功率为：Pm=P1+0.6(m-1)=P(0.4+0.6m)其中，其中，m为搅拌器的层数。为搅拌器的层数。通风状态下，搅拌功率将发生变化，此时引入通风准数Na.其中，Vg为通风量m3/min。当气泡直径小于当气泡直径小于2.5mm时：时：4.5.3 体积传质系数体积传质系数kLa的计算的计算当气泡直径小于当气泡直径小于2.5mm时：时：例例5-4生物反应器操作时对温度控制要求比较严格，并且反应生物反应器操作时对温度控制要求比较严格，并且反应器设计时传热系统配置也是重要内容因此必须分析过器设计时传热系统配置也是重要内容因此必须分析过程的热量平衡相反应器的传热速率。程的热量平衡相反应器的传热速率。4.6 反应过程的传热反应过程的传热QE=QB十十QA-QS-QV-QR4.6.1.1 过程的热量衡算过程的热量衡算例例5-5 反应器的换热计算反应器的换热计算