间歇式操作反应器.pptxVIP

间歇式操作反应器;第四章 生物反应器的操作模型;4.1 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。 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）。 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分类有利于对反应器进行模拟与放大。;;几种酶反应器;第7页/共82页;第8页/共82页;几种细胞反应器;第10页/共82页;生物反应器的选型与几何尺寸确定及运行模式 ;2 基本设计方程 生物反应器设计的主要目标是寻求反应目的产物的高生成速率和高浓度，从而达到优质高产低成本的目的。 生物反应器设计的基本内容包括： ①选择合适的反应器型式与操作方式。即根据生物催化剂和生物反应动力学特征，以及物料的特性和生产工艺特点，选择合理的结构类型、流动方式和相关的传递过程条件； ②确定最佳的操作条件与控制方式，如温度、压力、PH、通气量、物料流量等工艺参数； ③计算所需的反应器体积，设计各种结构参数等。;反应器设计的核心内容是确定反应器有效体积;4.2 间歇式操作反应器的设计 4.2.1 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;缺点;4.2.2 反应时间的计算;若设反应组分s的转化率为Xs，即;1 均相酶反应过程;当cS0Km时，即反应呈一级反应特征时:;第21页/共82页;对于存在酶失活的反应，如果符合一级失活模型．则有：;假定反应过程发生在固定化酶颗粒内，反应速率不受外扩散限制，但受内扩散限制。 设反应器中的空隙串(液相体积／反应器有效体积)为?L，则固定化酶颗粒所占的体积分数为(1- ?L)。 在单位时间内、反应器中底物的消耗量为(1- ?L)VR?rS，累积项则为反应器内液相中底物随时间的变化率为 ?LVRdcS/dt;第24页/共82页;通常当酶反应为一???反应，即cSK m时．内扩散有效因子η与转化率Xs的大小无关，等于常数。此时有：;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η ＝1，则反应时间可由下式计算，即 ;3 细胞反应过程;第28页/共82页; 4 最优反应时间的确定;第30页/共82页;例如对均相酶反应，假定其动力学符合M—M方程，如果不考虑酶的失活，产物的初始浓度cP0=0：;4.2.3 有效体积的计算;一．牛顿型流体 ;二．非牛顿型流体;2 涨塑性流体(膨胀型) 流动特性表达式：?＝K ?n (n1)； n值越大，流体的非牛顿特性越明显。;3 宾汉(Bingham)塑型流体 流动特性表达式: ?＝ ?0＋? ? 式中: ?0－屈服应力； ?－刚度系数 特点：当? ?0 时，流体不发生流动。;第37页/共82页;总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热量传递、混合特性及菌体生长等产生影响，这给工艺过程控制与设备放大带来困难。 在微生物反应过程中，随着细胞浓度和形态的变化、发酵液里营养物质的消耗和代谢产物的积累，以及补料操作等等，都会使发酵液流动模型中的参数发生明显的变化，表现出明显的时变性。;下图是金色链霉菌发酵液的稠度系数K和流动特性指数n随发酵时间的变化情况。;当发酵液中的颗粒呈球形或接近球形，且其浓度较低时，悬浮液一般为牛顿流体，其粘度可根据Einstein公式计算： ?s=?L(1+2.5?) 式中：?s－悬浮液粘度； ?L－悬浮液中纯液相粘度； ? －颗粒的体积分率。 当颗粒所占的体积分率较大时，可按下式计算。 ?s=?L(1+2.5?+7.35?2);4.3.3 流体的剪切作用;第42页/共82页;对于处于较高雷诺数(ReM625)的反应器系统．这时可得df／d＝0.625;第44页/共82页;（3）最小湍流漩涡长度;第46页/共82页;4.3.3.2 气流搅拌的剪切力;4.4 生物反应器中的氧传递 ;一．几个基本概念 ①溶解氧浓度COL：单位体积液体中可溶解氧的量 ②比耗氧速率(呼吸强度) qO2：单位质量的细胞(干重)在单位时间内所消耗氧的量(mol O2/kg·s) ③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/m3·s) r = qO2·CX 其中： CX －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.