混合结构模型和生物反应动力学结合的研究.pdfVIP

混合结构模型与生物反应动力学结合的研究+ 黄霄赵学明“马红武 (天津大学化工学院生物化学工程系 天津300072) 摘要本文建立了对应于问歇搅拌反应嚣的混夸结构模型，包括微观混合厦，宏观混合区． 死区和微现混合区短路循环：并将试模型与不同形式的生物反应动力学相结合，讨论了不同程度 的非理想混合对反应过程的影响． 美奠词 混夸结构模型动力学非理想混合间歇搅拌反应器 l前言 反应器的设计放大模型包括动力学模型、流动模型和传递模型三部分。间歇系统的流动模型 即为混合模型。对于理想的间歇反应器，不存在混合不均问题，如果忽略传质影响，只用动力 学模型就可进行设计放大，通过对动力学方程式积分便得到物质浓度随时间变化的情况。而实 际上，大规模反应器中的混合往往与理想混合有一定差距， 甚至相差甚远，若不考虑这个因素，就将导致设计放大的不 精确。对于非理想连续流动的化学和生物反应器都有不少模 型模拟的报道；但对非理想间歇化学及生物反应器一般认为 传递是控制因素，多用经验放大法(等缸4，等单位体积功 率等)，最近仅Patnaikill、Nagyl21等结合生物反应动力学进 行了初步的模型模拟工作。 图1M蛐ngregions 本文把所建立的单桨混合模型与简单的化学反应动力学 和微生物发酵动力学相结合，初步研究非理想混合对反应过程的影响程度，所使用的混合模型 已经成功地拟合7用磁粒流动跟踪法测得的循环时间分布(CTD)实验数据，适用于O№hton)RT 桨、轴向流桨及较高粘度的拟塑性发酵液。为简化起见，本文仅考虑混台而没有考虑传质、传 热的影响。 ‘ 本课题组在前期的工作中[31，用磁粒流动 跟踪法对间歇搅拌反应器的CTD进行了测定， 考察了搅拌转速、气速，介质粘度等因素对三 种桨型一RT桨和两种翼型轴流桨(AI和AII卜 的影响，所得到的CTD图有单峰和双峰两种形 式；并且根据单桨反应器内的宏观流型(图1)建L……………√ 立了混合结构模型(图2)，通过对模型参数的 w／th 图2Physicalmodelofreactor mixing single 优化．成功地拟合了不同形状的CTD图【．1。 impel|or 2混合结构模型与生物反应动力学的结合 ’国家自然科学基金)“九五”攻关项H(96-C03-01·02)。 “通讯联系人(电话：0222741)6770)。 2l 2．1Monod方程 2．11数学模型Monod方程是描述微生物生长的经典动力学，其形式为∥=∥。i二一，假 ^．+J 设底物的消耗为生长偶联型，则可用以下方程组来表示理想反应器中的发酵过程： f出 5 {i叫一ii Ij=So一(x—XO)／E，， 将其与混合模型结合，列出各室菌体浓度的衡算式： (其慨=‰+(1叫‘) 鲁蚝2Q(XE--X0)+flmXo(”So‰)v= i=l…2．．一 I誓州1叫Q(Xl_1--Xi帅以(者)K 为了比较理想与非理想反应器中发酵结果的不同， 先作以下的假设 (1)接种前发酵罐内底物浓度均一： (2)t=O时向反应器微观混合区内脉冲接种，发酵液液体力学性质不随时间改变； (3)死区内物质浓度保持不变：