連續(xù)式操作反應(yīng)器

連續(xù)式操作反應(yīng)器概述第6章連續(xù)式操作反應(yīng)器連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）半間歇半連續(xù)操作的生化反應(yīng)器連續(xù)操作攪拌式反應(yīng)器（CSTR）膜式酶反應(yīng)器第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章連續(xù)式操作反應(yīng)器>>

6.1概述一、連續(xù)操作的特點(diǎn)1、連續(xù)操作的生物反應(yīng)器類型？第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章連續(xù)式操作反應(yīng)器>>

6.1概述一、連續(xù)操作的特點(diǎn)2、連續(xù)操作的特點(diǎn)？3、連續(xù)操作的優(yōu)缺點(diǎn)？第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述

◆CSTR主要特征為：底物連續(xù)穩(wěn)定地流加到CSTR內(nèi)，同時(shí)產(chǎn)物連續(xù)穩(wěn)定地由CSTR排出，使得CSTR內(nèi)的反應(yīng)液體積維持恒定；◆CSTR內(nèi)的所有質(zhì)點(diǎn)的物理化學(xué)性質(zhì)是一致的，即各質(zhì)點(diǎn)的溫度等物理性質(zhì)和化學(xué)組成是一致的；(定態(tài)操作)◆

CSTR內(nèi)的反應(yīng)液中的各組分的濃度不隨時(shí)間變化。二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的模型方程兩種理想流動(dòng)反應(yīng)器模型？CSTR，CPFR第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述V0，CS0，CX0V0，CS，CXVR，CS，CX二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的模型方程流入速率=流出速率+反應(yīng)消耗速率+累積量對(duì)底物S的物料衡算式：1、CSTR基本設(shè)計(jì)方程第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的模型方程在連續(xù)穩(wěn)定態(tài)時(shí)，圖解法161圖6-31、CSTR基本設(shè)計(jì)方程第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的模型方程對(duì)底物S的物料衡算式：在連續(xù)穩(wěn)定態(tài)時(shí)，圖解法162圖6-52、CPFR基本設(shè)計(jì)方程dVRcs0V0cS+dcSV0V0cscsf對(duì)整個(gè)反應(yīng)器：第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.1概述二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的模型方程3、CSTR與CPFR操作特性比較CSTR：反應(yīng)器組分被稀釋，微元體在反應(yīng)器中的停留時(shí)間不相同，返混達(dá)到最大。見P162圖6-6ACPFR：在反應(yīng)器內(nèi)組分濃度逐漸降低，微元體在反應(yīng)器中的停留時(shí)間相同，返混為零。見P162圖6-6A實(shí)際的連續(xù)操作生物反應(yīng)器能否達(dá)到最理想？？第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）1、酶促反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)方程一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征對(duì)均相的酶促反應(yīng)，且反應(yīng)符合M-M的動(dòng)力學(xué)方程，則：或第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）1、酶促反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)方程一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征以同樣的方法可得到競(jìng)爭性抑制的酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式◆非競(jìng)爭性抑制的酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式:◆P163式6-10P163式6-11第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）高濃度底物抑制的酶促反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式:1、酶促反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)方程一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征◆P163式6-9第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）對(duì)固定化酶反應(yīng)：1、酶促反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)方程一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征◆對(duì)底物：P163式6-13若反應(yīng)符合M-M動(dòng)力學(xué)第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）單級(jí)CSTR細(xì)胞反應(yīng)的兩種方式第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征1）細(xì)胞在單級(jí)CSTR中的質(zhì)量平衡式為:即:流入-流出+生長=累積定義單級(jí)CSTR的稀釋速率，稀釋速率的單位為1/h，第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征所以單級(jí)CSTR的反應(yīng)過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有:cX=Yx/s(cS0-cS)因YX/S、CS0、mmax、KS均為常數(shù)，所以CS均依賴于操作的D

。單級(jí)CSTR的反應(yīng)過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)下，有:第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征2）對(duì)單級(jí)CSTR進(jìn)行底物的質(zhì)量平衡，有:即:流入-流出-消耗=累積第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征2）對(duì)單級(jí)CSTR進(jìn)行底物的質(zhì)量平衡單級(jí)CSTR在穩(wěn)定狀態(tài)下，有:第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）且則單級(jí)CSTR在穩(wěn)定狀態(tài)下的底物平衡關(guān)系為:一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征（3）細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征2）對(duì)單級(jí)CSTR進(jìn)行底物的質(zhì)量平衡，有:第19頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）3）對(duì)單級(jí)CSTR進(jìn)行產(chǎn)物的質(zhì)量平衡，有:單級(jí)CSTR在穩(wěn)定狀態(tài)下，有:一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征流入-流出+生成=累積第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征如何得到最大細(xì)胞產(chǎn)率？？定義細(xì)胞的生產(chǎn)能力第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）為求得對(duì)稀釋速率D的最大的細(xì)胞生產(chǎn)能力，令一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征有最佳的稀釋速率第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征

2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征可知，由于大多數(shù)的細(xì)胞反應(yīng)的CS0遠(yuǎn)大于KS，很小，所以Dopt就在Dc的附近且小于Dc。單級(jí)CSTR的稀釋速率D與底物濃度CS、細(xì)胞濃度CX、生產(chǎn)能力Pr的關(guān)系如p166圖6-7.由式當(dāng)稀釋速率D=Dc=mmax，且在CSTR內(nèi)的細(xì)胞濃度CX=0，Dc稱為臨界稀釋速率，稀釋速率D≥Dc的操作為“沖出”。

第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征（3）細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征當(dāng)D很小時(shí)，CS0，CX=YX/SCS0，若D，CX

，當(dāng)D=DC=μmax，CX=0，CSCS0。達(dá)到清洗點(diǎn)。分析右圖中,對(duì)cs與D的關(guān),CX對(duì)D的關(guān)系，PX對(duì)D的關(guān)系。cs0第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）一、單級(jí)CSTR的生化反應(yīng)特征2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征如果，cs0>>Ks,思考：只有當(dāng)D處于多大時(shí)，才存在穩(wěn)態(tài)？？在CSTR設(shè)計(jì)時(shí)，必須同時(shí)滿足第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）2、細(xì)胞反應(yīng)的單級(jí)CSTR的反應(yīng)特征對(duì)Mond動(dòng)力學(xué)恒化器的歸納：為達(dá)到一定的細(xì)胞濃度所要求加入培養(yǎng)基中的底物濃度求法：P173例6-1第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）二、帶細(xì)胞循環(huán)的單級(jí)CSTR細(xì)胞反應(yīng)特征V0，CS0，CX0V0+Vr，CS1，CX1VR，CS，CX濃細(xì)胞液

Vr,cXr,cS1連續(xù)分離器V0cXfcS1若定義：物料循環(huán)比：細(xì)胞濃縮系數(shù)：第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）細(xì)胞在部分再循環(huán)CSTR中的質(zhì)量平衡式為：二、帶細(xì)胞循環(huán)的單級(jí)CSTR反應(yīng)特征輸入量+循環(huán)量+生長量=輸出量？即第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）即二、部分再循環(huán)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征對(duì)底物S做衡算：輸入+循環(huán)=消耗+輸出無循環(huán)時(shí)，CX=？第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）二、部分再循環(huán)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征同樣可推得：與無循環(huán)操作比較，循環(huán)操作有何優(yōu)點(diǎn)？第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）二、部分再循環(huán)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征分析P175圖6-17與圖6-18與無循環(huán)操作比較，循環(huán)操作有何優(yōu)點(diǎn)？對(duì)帶有循環(huán)的CSTR，其臨界稀釋率=？第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）二、部分再循環(huán)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）二、部分再循環(huán)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征P175例6-2第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征（1）多級(jí)CSTR串聯(lián)可分三大類：單流多級(jí)CSTR系統(tǒng)多流多級(jí)CSTR系統(tǒng)帶循環(huán)的多級(jí)CSTR系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的：提高細(xì)胞濃度，提高生長速率第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）（2）二級(jí)串聯(lián)CSTR反應(yīng)系統(tǒng)三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第一級(jí)與單級(jí)相同，第二級(jí)反應(yīng)器的物料衡算對(duì)細(xì)胞：穩(wěn)態(tài)下第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）（2）二級(jí)串聯(lián)CSTR反應(yīng)系統(tǒng)三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第一級(jí)與單級(jí)相同，第二級(jí)反應(yīng)器的物料衡算對(duì)底物：穩(wěn)態(tài)下第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）（2）二級(jí)串聯(lián)CSTR反應(yīng)系統(tǒng)三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征聯(lián)立式6-106和式6-109，求得如何求CS2？解方程，取小于CS1的實(shí)根。第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）（3）多級(jí)串聯(lián)CSTR的級(jí)數(shù)的確定對(duì)第n級(jí)CSTR進(jìn)行細(xì)胞的質(zhì)量平衡，有三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）（3）多級(jí)串聯(lián)CSTR的級(jí)數(shù)的確定對(duì)第n級(jí)CSTR進(jìn)行底物的質(zhì)量平衡，有三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）（3）多級(jí)串聯(lián)CSTR的級(jí)數(shù)的確定對(duì)第n級(jí)CSTR進(jìn)行產(chǎn)物的質(zhì)量平衡，有三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征多級(jí)CSTR串聯(lián)參數(shù)的求解級(jí)數(shù)N的確定。第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.2連續(xù)完全返混型反應(yīng)器（CSTR）利用間歇培養(yǎng)的dCX/dt～CX曲線過CX0以D為斜率作直線，交于生長反應(yīng)曲線點(diǎn)過生長反應(yīng)曲線點(diǎn)作垂線，得CX1

重復(fù)作圖得CX2、CX3……經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上允許的CXn－CXn－1要求即得多級(jí)串聯(lián)CSTR的級(jí)數(shù)n

對(duì)產(chǎn)物的～CP曲線也可以同樣的方法確定多級(jí)串聯(lián)CSTR的級(jí)數(shù)n

三、多級(jí)串聯(lián)CSTR的細(xì)胞反應(yīng)特征第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

>>6.3連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）CPFR是一類細(xì)長的反應(yīng)器的抽象，反應(yīng)液在PFR中以平穩(wěn)、等速、不受干擾的方式流動(dòng)，其特征為：在流動(dòng)方向上，不存在“返混”反應(yīng)液各質(zhì)點(diǎn)在PFR中的停留時(shí)間是一致的垂直于流動(dòng)方向的同一截面上的反應(yīng)液的物、化特性不隨時(shí)間變化第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天一、PFR的反應(yīng)時(shí)間的表達(dá)式第6章>>

6.3連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）對(duì)底物S的物料衡算,得到管式操作反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大，傳質(zhì)效率高，易實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。適用于特殊的生物工藝過程。第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天二、在PFR中的均相酶促反應(yīng)方程設(shè)酶促反應(yīng)符合M-M方程，有：比較BSTR的均相酶促反應(yīng)方程，兩者的形式是完全一樣的，因而斷言PFR與BSTR的反應(yīng)特征是相同的。第6章>>

6.3連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天在PFR內(nèi)二、在PFR中的均相酶促反應(yīng)方程■對(duì)競(jìng)爭性抑制的酶促反應(yīng)，有

■非競(jìng)爭性抑制的酶促反應(yīng)，有■對(duì)高濃度底物抑制的酶促反應(yīng)，有第6章>>

6.3連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天若為固定化酶反應(yīng)：二、在PFR中的均相酶促反應(yīng)方程第6章>>

6.3連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）如果為動(dòng)力學(xué)控制，η=1，反應(yīng)符合M-M方程，上式可積分為：第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天二、在PFR中的均相酶促反應(yīng)方程第6章>>

6.3連續(xù)操作管式反應(yīng)器（CPFR）P181例6-4第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.4半間歇半連續(xù)操作反應(yīng)器一、半間歇半連續(xù)操作特點(diǎn)與分類特點(diǎn)：反應(yīng)物連續(xù)或間歇式加入，產(chǎn)物一次性或間斷性排出。適用范圍：代謝產(chǎn)物得率或生成速率受到底物影響、細(xì)胞生長狀態(tài)和培養(yǎng)環(huán)境需要調(diào)節(jié)的過程。第50頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第6章>>

6.4半間歇半連續(xù)操作反應(yīng)器一、半間歇半連續(xù)操作特點(diǎn)與分類間歇補(bǔ)