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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 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 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： 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 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 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 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： 当酶有失活且满足一级失活模型时， 则 ，代入上式积分得 当体系中StKm时， 当 2、固定化酶 设反应器中液相物料占有的体积分率为 ，单位时间内底物的消耗量为 ，累积项为 ，对反应器内底物进行物料衡算仍有：反应＝－累积，即 分离变量积分得 注意在进行积分时，须先求得 的关系才能进行，对于一级反应动力学，有效因子与转化率无关，因此 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， ，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 给定边界条件进行积分得： 在对数生长期， 减速期细胞的生长符合Monod方程，即 ， 假定此时 5.3.4 BSTR体积的计算 反应器的有效体积VR：是物料所占有的体积，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V0，则 ，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 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，求反应器的有效体积。 解：根据 5.4 CSTR 单级CSTR 带循环的CSTR 多级串联CSTR 5.4.1 单级CSTR 特点 均相酶反应 固定化酶反应 微生物反应 1、 单级CSTR特点 其基本特点：是稳态操作的反应器，反应过程中状态参数不随时间、空间的变化而变化，因此累积项为0。同时CSTR又是一全混流反应器，因此CSTR反应时间为所有粒子的平均停留时间. 整个反应器的有效体积是控制体积。 对底物作物料衡算： 输入＝输出+反应消耗 2、均相酶反应 如果没有抑制和失活，则将米氏方程代入得 前面例题，若用CSTR，则需要有效体积为多大？ 为什么同一个反应过程，在其他条件均相同的条件下，采用BSTR所需的反应时间要小于CSTR中的反应时间？ 3、固定化酶反应 对固定化酶反应过程中的底物进行物料衡算时，仍要注意其反应发生在固相。其物料衡算式为： 4 微生物反应 微生物反应具有自催化特性，反应器具有返混的特点 对稳态条件下的CSTR中的菌体作物料衡算有下式成立： 进入反应器菌体+新生成的菌体＝流出的菌体 重排后得 D为稀释率：单位时间内加入CSTR的新鲜料液的体积占反应器总体积的分率，其大小可通过加料速率来调节。 因而对于微生物反应，可以通过调节D来控制相应的μ 微生物反应过程中的状态参数 由基本设计关系式及 得到反应器出口菌体浓度与底物浓度之间