第七章_生化反应工程.ppt

7.1 生物反应器设计基础 7.1.1 生物反应器设计的特点与生物学基础 生物反应器的操作特性 生物反应器的生物学基础 生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物生成速率，其相应的动力学模型是 细胞： （7-1） 基质： （7-2） 产物： （7-3） 反应液体积： （7-4） 式中 F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； 下标i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物,下标?表示基质的流加流量。 当采用分批式操作时,F?=F=0；采用流加式操作时，F??F=0；采用连续式操作时,F?=F?0 生物反应器设计的基本原理 生物反应器选型与设计的要点 7.1.2　生物反应器中的混合 混合过程的分类 7.1.3 生物反应器中的传热 生物反应器中的能量平衡可表示为： （7-5） 式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率； Qag为搅拌造成的单位体积产热速率； Qgas为通风造成的单位体积产热速率； Qacc为体系中单位体积的积累产热速率； Qexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率； Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率； Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速率。 实际生物反应过程中的热量计算，可采用如下方法： １、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。 2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂，在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大升温约为12℃。 3、通过生物合成进行计算。当Qsen 、Qacc和Qgas可忽略不计，由式7-5可知， （7-6） 即反应过程中产生的总热量均为冷却装置带走。 4、通过燃烧热进行计算 （7-7） 式中Q基质燃烧为基质的燃烧热，Q产物燃烧为产物的燃烧热。 生物反应器中的换热装置的设计，首先是传热面积的计算。 换热装置的传热面积可由下式确定。 （7-8） 式中 F为换热装置的传热面积m2； Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小时放出的最大热量kJ/h； K为换热装置的传热系数kJ/(m2·h·℃)； ?tm为对数温度差(℃)，由冷却水进出口温度与醪液温度而确定。 根据经验： 夹套的K值为400～700kJ/（m2·h·℃），蛇管的K值为1200～1900kJ/（m2·h·℃），如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时，K值为3300～4200kJ/（m2·h·℃）。气温高的地区，冷却水温高，传热效果差，冷却面积较大，1m3发酵液的冷却面积超过2m2。但在气温较底的地区，采用地下水冷却，冷却面积较小，1m3发酵液的冷却面积为1m2。发酵产品不同，冷却面积也有差异。 7.2 酶反应器 7.2.1酶反应器及其操作参数 酶反应器设计和操作的参数 决定酶反应器设计和操作性能的参数有停留时间τ、转化率、反应器的产率Pr、酶的用量、反应器温度、pH值和底物浓度等。当副反应不可忽视时，选择性Sp也是很重要的参数。 一、停留时间τ 停留时间τ是指反应物料进入反应器时算起，至离开反应器时为止所经历的时间。分批式搅拌罐（Batch stirred tank reactor，BSTR）中，所有物料的停留时间是相同的，且等于反