生化工程,第五章理想流动生化反应器重点.ppt

* * * * * * * * * * 一滴红墨水在活塞流流动模型的反应器后，将在出口处仍是一滴红墨水。（理想流动模型） 一滴红墨水在滞流流动模型的反应器后，将在出口处仍是一条红墨水线。 一滴红墨水在湍流流动模型的反应器后，将在出口处是一片红墨水溶液。 一滴红墨水在全混流流动模型的反应器后，将在出口处是浓度随时间变小的均匀的红墨水溶液。（理想流动模型） * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * CER: CO2生成速率；OUR:摄氧速率 * * * * * 例5-4:Herbert等报道某细胞生长动力学为Monod动力学形式，并已知μmax=0.85 h-1, KS=0.0123 g/L, YX/S=0.53, 连续操作的加料速率控制在V=100 L/h, Si=3 g/L, 反应结束时的So=0.1g/L. 试设计一个最佳反应器组合，使得反应器体积最小。 CPFR Xo Xi 1/rX CSTR Xopt 解: 令 drX/dX=0, 即, 得, Xopt=1.4945 g/L τm=1/rX(Xopt-Xi)=0.841(1.4945-0)=1.257 τm=1/D=VR/V, VRC=τmV=1.257x100=125.7 L * τp=0.03596, τp=1/D=VRP/V, VRP=V x τp=100x0.03596=3.6 L 即,使用125.7L的CSTR反应器在前，3.6L的CPFR在后的组合，可使反应器体积最小，CSTR的出口条件为：Sopt=0.1802g/L, Xopt=1.4945g/L * * * * * * * * Page 196 书本中有错误，式5-25少了一个X * * * * * * * * * * * * * * * * * 当浓缩比和循环比过大时，最极端的情况是将反应器出口处所有的菌悬液浓缩成为菌泥，然后返回到CSTR反应器中，即W→0。这时，反应器中的生物量就无法维持在一个稳态的状态，操作过程会失去稳定性，具体情况可以参考“生化反应器动态特性”一节。 * * * * * 联立式(a), (b)和(c),消去X2和S1得到一元二次方程 此方程的S2有两个解，一个解小于S1，另一个大于S1，小于S1的解有效。 根据求解得到的S2，可得到相应的X2。 X1 Xi X2 X3 1/rX 由左图所示，随着串联CSTR个数的增加，X增加的幅度越来越小；同理，S下降的幅度也趋于变小。因此，对提高细胞产量来说，采用更多的CSTR串联，其意义不大。 从左图也可以看出，CSTR的操作方式很难使细胞的浓度达到很大。 由于VR1= VR2= VR3 因而tm1=tm2=tm3 * X1 Xi=0 X2 X3 1/rX 上一页中求解S2的方法也可以根据右图写出公式，由于反应器体积相等，流量相等，因而反应停留时间相等： 由， 代入上式，得： 解一元二次方程可得到S2 * CSTR在动力学研究中的应用 测定Monod方程的参数 测定代谢维持常数ms 测定理论得率系数 研究细胞反应过程中的生理状态 进行代谢流分析和代谢控制分析 * Vi Si Vo So Xo Po input output VR S X P Vi=Vo=V 在稳态条件下，做细胞的物料平衡： 以反应器为考察系统， 每小时进入反应器的细胞量为：0 mol/h 在反应器中每小时的生长量为：VR rX mol/h 每小时流出反应器的细胞量为：V Xo mol/h 物料平衡： VR rX = V Xo 例5-1 Monod 方程参数的实验测定(恒化器培养条件下测定)某一发酵过程是在一连续搅拌釜式反应器(CSTR)中进行，反应基质S连续稳定地以流速V(L/h)加入，反应产物连续稳定流出。假设发酵反应可表示为S+X→X+P,反应器体积VR=1L,现改变Si和V,同时测定反应器出口处So和Xo,数据如表4B. * (1/D)=10(1/S)+0.05 由方程的斜率和截距 可得动力学参数 在双倒数坐标系中，对Monod方程进行了线性化处理. * 例5-2 细胞反应动力学参数测定(CSTR条件下测定理论得率系数YX/S,YP/S和代谢维持系数ms)黄原胶的合成与其产生菌黄单孢菌的生长属于半偶联模型，代谢维持不能忽略。 通过实验测定如下数据，求理论得率系数YP/S 再通过CSTR实验测定得到以下数据， 已知黄原胶的生物合成反应关系式可表示为： 5.75 C6H12O6 + 10.75 ATP → [C33.5H51O28] + 1 CO2 +4.5 NADPH YP/S=1/5.75=0.174 mol/mol qP qS qP m qS qp=a m + b (1) (2)