酶反應(yīng)連續(xù)操作反應(yīng)器介紹和計(jì)算

1、酶反應(yīng)連續(xù)操作反應(yīng)器介紹和計(jì)算（1 ）全混合式反應(yīng)器（CSTR）對(duì)底物的物料衡算式有： 物料流量 進(jìn)料、反應(yīng)器中的底物濃度反應(yīng)器有效體積在連續(xù)穩(wěn)態(tài)時(shí)， ，并由上式可得：均相酶反應(yīng)，符合M-M方程反應(yīng)：（2）平推流式反應(yīng)器（CPFR)連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，,于是對(duì)整個(gè)反應(yīng)器有，有對(duì)符合M-M方程的反應(yīng)，積分： 由以上積分式可知，平推流式反應(yīng)器（CPFR)與間歇操作全混合反應(yīng)（BSTR），其反應(yīng)時(shí)間相同，不同之處是，一個(gè)是反應(yīng)濃度隨著反應(yīng)時(shí)間而變化，一個(gè)是隨著反應(yīng)器的位移而變化。 連續(xù)操作反應(yīng)器的特點(diǎn)：CSTR：反應(yīng)器濃度均一，濃度不隨時(shí)間變 化，流出的物料濃度與反應(yīng)器內(nèi)物料濃度相同。CPFR：物料濃度

2、在橫截面上濃度均一，隨著在反應(yīng)器內(nèi)位移而發(fā)生變化。（3）影響酶反應(yīng)速率的因素1、酶濃度 2、溫度3、PH（4）CSTR與SPFR選擇與結(jié)合 酶反應(yīng)過程，首先以單底物、無抑制的均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為例對(duì)CSTR和CPFR作比較與選擇。達(dá)到同一轉(zhuǎn)化率時(shí)，CSTR所需體積要比CPFR所需體積大，或需要更多的酶。并且轉(zhuǎn)化率愈高，兩者比值愈大。這表明，轉(zhuǎn)化率愈高，返混對(duì)反應(yīng)影響程度愈大。隨著Km/Cs0值從零到最大，反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系由零級(jí)升為一級(jí)，兩種反應(yīng)器的體積比隨之增大。這表明，隨著反應(yīng)級(jí)數(shù)提高，返混的影響亦在增大。對(duì)底物抑制的酶反應(yīng)，由于在CPFR中維持了比CSTR中更高的底物濃度，因而在CP

3、FR中底物的抑制作用更強(qiáng)烈，此時(shí)顯然采用CSTR更為有利。若為使反應(yīng)器體積最小，可以采用一個(gè)CSTR與一個(gè)CPFR的串聯(lián)設(shè)計(jì)方案，底物在CSTR中的濃度可保持在反應(yīng)速率最大時(shí)的濃度。也可采用循環(huán)式CPFR的設(shè)計(jì)。對(duì)產(chǎn)物抑制酶反應(yīng)，由于在CSTR中維持了比CPFR中較高的產(chǎn)物濃度，因而在CSTR中產(chǎn)物的抑制作用較大，此時(shí)顯然應(yīng)采用CPFR 更為有利于。第二節(jié)微生物細(xì)胞連續(xù)操作反應(yīng)器如左圖所示：V 發(fā)酵罐（生物反應(yīng)器）有效容積（L）F 培養(yǎng)基體積流量（L/h）；CS0 底物初始濃度（g/L）；CS_發(fā)酵罐內(nèi)底物濃度（g/L）；CX發(fā)酵罐內(nèi)菌體濃度（g/L）；一、單級(jí)連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)）（CSTR)VC

4、XCSFCSoCXoFCSCXCX0- 初始接種菌體濃度（g/L）；生長(zhǎng)比速率與稀釋率的關(guān)系發(fā)酵罐濃度視為均一開始接入微生物細(xì)胞（連續(xù)進(jìn)料后不再加入)，當(dāng)連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料一定時(shí)間后，對(duì)細(xì)胞平衡： 生長(zhǎng)量=排出量 VCX=FCX 令： D- 稀釋率（h-1）即：=D稀釋率是人為控制的，因此在連續(xù)發(fā)酵過程生長(zhǎng)比速率可以人為控制。連續(xù)發(fā)酵的必要條件 Dmax當(dāng)Dmax，發(fā)酵就發(fā)生“沖出”現(xiàn)象。 * * * * * * 連續(xù)發(fā)酵隨著D的變化而變化，自動(dòng)趨向穩(wěn)態(tài)，即=D底物濃度（CS）與稀釋率的關(guān)系：菌體相對(duì)基質(zhì)得率系數(shù)Yx/s菌體濃度與稀釋率的關(guān)系微生物細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度(PX)與稀釋率的關(guān)系菌體濃度（CX）、

5、底物濃度（CS）、生產(chǎn)強(qiáng)度（Px）與稀釋率（D）的關(guān)系作圖如下：D(h-1)DoptCXDCXCSDCXCXCSDc從上圖看出：1）在一定的稀釋率下，微生物細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度(生長(zhǎng)速率）（DCX）,隨著稀釋率（D）增大而增大，當(dāng)達(dá)到一定的稀釋率后，其細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度隨著稀釋率增大而降低。2）稀釋率在一定范圍內(nèi)變化，細(xì)胞濃度（CX）和底物濃度（CS）變化很小。當(dāng)增大到一定程度，其變化迅速增加。3）稀釋率增大到一定程度時(shí)，微生物細(xì)胞沖出，罐內(nèi)菌體濃度為零，底物濃度等于初始濃度，此時(shí)的稀釋率稱臨界稀釋率（DC）。4）對(duì)細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度而言，有一個(gè)最佳稀釋率（D0pt），即細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度最高。5）稀釋率越小，底物濃度

6、越低，細(xì)胞產(chǎn)率越高（轉(zhuǎn)化率高）。 單罐連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)），當(dāng)轉(zhuǎn)化率要求不高時(shí)，可以使用。如果既要轉(zhuǎn)化率高，又要細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度高，單罐連續(xù)發(fā)酵就滿足不了這個(gè)條件。 如何設(shè)計(jì)才能使轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度都高，用多級(jí)串聯(lián)連續(xù)就能解決這個(gè)問題，一般用兩個(gè)罐就可滿足生產(chǎn)要求，第一個(gè)罐用作提高生產(chǎn)強(qiáng)度，第二個(gè)罐用作提高轉(zhuǎn)化率。最佳稀率（Dopt) 最佳稀釋率是細(xì)胞生產(chǎn)強(qiáng)度 （生長(zhǎng)速率）最大時(shí)的稀釋率。生產(chǎn)強(qiáng)度對(duì)D求導(dǎo)，等于零，即求得稀釋率最大值Dopt最佳稀釋率對(duì)應(yīng)的最佳細(xì)胞濃度（CXopt）及最大生產(chǎn)強(qiáng)度（PX)opt二、兩級(jí)串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵（培養(yǎng)）FCSoCXo1CX1V1CS12CX2V2CS2FCS2CX2FC

7、S1CX1連續(xù)穩(wěn)定時(shí)，CX0=0對(duì)第一個(gè)罐細(xì)胞平衡：對(duì)第二個(gè)罐細(xì)胞平衡：兩罐串聯(lián)與單罐連續(xù)發(fā)酵時(shí)間的對(duì)比 假定用兩個(gè)罐(等體積）串聯(lián)連續(xù)發(fā)酵，第一個(gè)罐的菌體濃度為第二個(gè)罐的倍。即：CX1X2 兩罐與單罐排出的底物濃度相等，即： CS2=CS單罐發(fā)酵時(shí)間用表示:兩罐發(fā)酵時(shí)間用m表示： 以上計(jì)算，表明用兩個(gè)罐串聯(lián)發(fā)酵（培養(yǎng)）時(shí)間是單罐發(fā)酵時(shí)間的倍，或說雙罐串聯(lián)發(fā)酵罐體積是單罐體積的倍。反之，也可以說單罐串聯(lián)發(fā)酵（培養(yǎng)）時(shí)間是雙罐串聯(lián)發(fā)酵時(shí)間的倍，或說單罐發(fā)酵罐體積是雙罐發(fā)酵罐體積的倍。 兩級(jí)串聯(lián)培養(yǎng)，第一級(jí)控制最佳稀釋率,達(dá)到最大生長(zhǎng)速率。第二級(jí)保證底物的轉(zhuǎn)化率。就是根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的科學(xué)設(shè)計(jì)。

8、三、單罐連續(xù)培養(yǎng)(細(xì)胞循環(huán))FCSCX2FCS0CXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1對(duì)菌體平衡發(fā)酵罐培養(yǎng)系統(tǒng)菌體平衡細(xì)胞濃縮分離系統(tǒng)菌體平衡FCSCX2FCS0CXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1細(xì)胞循環(huán)連續(xù)發(fā)酵討論循環(huán)與不循環(huán)相比：在轉(zhuǎn)化率和發(fā)酵罐體積不變時(shí)，可提高生產(chǎn)能力。在生產(chǎn)能力和發(fā)酵罐體積不變時(shí)，可提高轉(zhuǎn)化率（CS降低）在生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，可減小設(shè)備體積。如果細(xì)胞不濃縮， D =，對(duì)CSTR無意義。生產(chǎn)能力的提高在于提高了發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度。四、帶循環(huán)的CPFRV0CS0V0CSfVrCSfV1CS1對(duì)系統(tǒng)物料衡算：反應(yīng)時(shí)間： 帶循環(huán)

9、的CPFR與不帶循環(huán)的相比，對(duì)底物的抑制的酶反應(yīng)起到稀釋作用，可提高反應(yīng)速率。對(duì)細(xì)胞反應(yīng)起到了連續(xù)接種的作用。循環(huán)量大小影響反應(yīng)時(shí)間，因此循環(huán)量過大反應(yīng)速率下降。 帶循環(huán)的CPFR，循環(huán)量與進(jìn)料量之比值成循環(huán)比，反應(yīng)速率最高時(shí)的循環(huán)比稱最佳循環(huán)比。八、微生物細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在生產(chǎn)中的應(yīng)用1、酒精生產(chǎn)應(yīng)用酒母培養(yǎng)連續(xù)發(fā)酵2、污水處理 厭氧發(fā)酵 好氧發(fā)酵酒精連續(xù)發(fā)酵 酒精連續(xù)發(fā)酵源于半連續(xù)發(fā)酵 1933年國(guó)外就用糖蜜原料進(jìn)行酒精半連續(xù)發(fā)酵，采用的技術(shù)是對(duì)酵母回收利用，在利用的過程酸處理。操作要點(diǎn)：發(fā)酵終了醪液送入酵母分離機(jī)，分離相當(dāng)醪液7%的酵母乳，將酵母乳送到酵母處理槽加硫酸至pH3，酸化6小時(shí)，

10、然后與糖蜜稀釋液一起混合進(jìn)發(fā)酵罐。該技術(shù)傳到巴西，所有的酒精工廠都利用。舉例：例1： 日產(chǎn)120KL無水酒精，4個(gè)30KL酵母罐，1個(gè)25KL硫酸罐，15個(gè)100KL發(fā)酵罐，1個(gè)10KL糖蜜溶解罐，1個(gè)100KL醪液備用罐。3臺(tái)離心分離機(jī)。 設(shè)備總?cè)莘e：1770KL例2 70年代用糖蜜連續(xù)酒精發(fā)酵，用2個(gè)發(fā)酵罐，罐徑5m，高，總?cè)莘e170m3，將6T廢糖蜜稀釋22KL，將pH調(diào)到5，滅菌。送到發(fā)酵罐，穩(wěn)態(tài)后在第一、二個(gè)罐共停留時(shí)間小時(shí)，第二個(gè)罐流出的醪液分離的酵母流入第一個(gè)罐，連續(xù)運(yùn)行兩周后，回收的酵母在pH2下浸泡1小時(shí)后再用。酒精度，第一個(gè)罐，第二個(gè)罐，100Kg廢糖蜜出2829L酒精。糖化醪CO2發(fā)酵成熟醪酒精連續(xù)發(fā)酵思考題：1、酒精間歇發(fā)酵一般用幾個(gè)發(fā)酵罐？是怎樣設(shè)計(jì)出來的？發(fā)酵罐的高徑比是多少？發(fā)酵冷卻用怎樣的形式？2、啤酒露天發(fā)酵罐，高徑比值是多