《生化反应器原理》第五章 生化反应的理想反应器

第五章生化反应的理想反应器 >生化反应器利用生物催化剂进行生化反 应的设备 将现有的生化反应器进行抽象—理想的生 化反应器 >研究生化反应器的目的 研究生化反应器的基本反应规律 研究生化反应器的设计内容及方法

第五章 生化反应的理想反应器 Ø 生化反应器——利用生物催化剂进行生化反 应的设备。 Ø 将现有的生化反应器进行抽象——理想的生 化反应器 Ø 研究生化反应器的目的 ü 研究生化反应器的基本反应规律 ü 研究生化反应器的设计内容及方法

51生化反应器的一般性问题 51.1生化反应器的分类 生化反应器可从不同角度分类 酶反应器 按催化剂类型分类 细胞生化反应器 √酶反应器相对比较简单,酶促反应与一般的化学催 化反应相同,在反应的过程中酶本身无变化; √细胞生化反应器相对比较复杂,因涉及到避免外界各 种杂菌污染、有适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要 求

5.1 生化反应器的一般性问题 5.1.1 生化反应器的分类 生化反应器可从不同角度分类 酶反应器 Ø 按催化剂类型分类 细胞生化反应器 ü 酶反应器相对比较简单，酶促反应与一般的化学催 化反应相同，在反应的过程中酶本身无变化； ü 细胞生化反应器相对比较复杂，因涉及到避免外界各 种杂菌污染、有适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要 求

间歇反应器(分批操作反应器) >按操作方式分类连续反应器 半间歇反应器 √间歇反应器将底物一次加入反应器内,在反 应的过程中无底物和产物的输入和输出,底物和 产物的浓度随反应时变化 √底物等连续输入反应器产物连续从反应器输 出,反应器的任何部位的各组分均不随反应时间 变化(稳定态) √半连续反应器在一次反应的过程中,底物分 次补入的操作

间歇反应器(分批操作反应器) Ø按操作方式分类 连续反应器 半间歇反应器 ü 间歇反应器 将底物一次加入反应器内，在反 应的过程中无底物和产物的输入和输出，底物和 产物的浓度随反应时间变化。 ü 底物等连续输入反应器 产物连续从反应器输 出，反应器的任何部位的各组分均不随反应时间 变化（稳定态）。 ü 半连续反应器 在一次反应的过程中，底物分 次补入的操作

按反应器结构分类 有釜式、管式、塔式、膜式等反应器 均相反应器 按反应体系的相态分类 非均相反应器 生物团块(包括细胞、絮 >根据催化剂在反应状物、菌丝体)反应器。 器的分布方式分类 生物膜反应器

Ø 按反应器结构分类 有釜式、管式、塔式、膜式等反应器 均相反应器 Ø 按反应体系的相态分类 非均相反应器 生物团块(包括细胞、絮 Ø 根据催化剂在反应 状物、菌丝体)反应器。 器的分布方式分类 生物膜反应器

间歇全混 型反应器 全混型反应器 按流动方式分类 连续全混 活塞流反应器型反应器 这是两类典型的理想反应器 √间歇全混型反应器( batch stirred- tank reactor, BSTR) √连续全混型反应器( continuous stirred-tank reactor, CStR √活塞流反应器( plug flow reactor,PFR)

间歇全混 型反应器 全混型反应器 Ø 按流动方式分类 连续全混 活塞流反应器 型反应器 这是两类典型的理想反应器 ü 间歇全混型反应器（batch stirred-tank reactor， BSTR） ü 连续全混型反应器（continuous stirred-tank reactor，CSTR ） ü 活塞流反应器（plug flow reactor，PFR）

全混——完全返混 返混将不同停留时间的物料之间的混合 活塞流—在反应器内反应液象活塞样的流动 活塞流反应器内的物料停留时间一致 介于SR和PFR的是多级联CSTR。 BSTR与PFR的反应特征是相似的

全混——完全返混 返混 将不同停留时间的物料之间的混合 活塞流——在反应器内反应液象活塞样的流动。 活塞流反应器内的物料停留时间一致。 介于CSTR和PFR的是多级串联CSTR。 BSTR与PFR的反应特征是相似的

512生物反应器设计的基本内容 选择合适的反应器类型 根据反应、物料的特性和生产工艺特征,确 定反应器的操作方式、结构类型和流动方式等 确定最佳的操作条件及控制方式 如操作温度、压力、pH、通风量、反应液流 量等 计算所需反应器的体积,设计其各结构参数

5.1.2 生物反应器设计的基本内容 Ø 选择合适的反应器类型 根据反应、物料的特性和生产工艺特征，确 定反应器的操作方式、结构类型和流动方式等 Ø 确定最佳的操作条件及控制方式 如操作温度、压力、pH、通风量、反应液流 量等 Ø 计算所需反应器的体积，设计其各结构参数

512生物反应器设计的基本方程 生物反应器设计的基本方程为 物料衡算式描述物料的浓度变化(服从质量 守恒定律) 〉能量衡算式描述温度变化(服从能量守恒定 律) 〉动量衡算式描述压力变化(服从动量守恒定 律)

5.1.2 生物反应器设计的基本方程 生物反应器设计的基本方程为 Ø 物料衡算式 描述物料的浓度变化（服从质量 守恒定律） Ø 能量衡算式 描述温度变化（服从能量守恒定 律） Ø 动量衡算式 描述压力变化（服从动量守恒定 律）

(1)物料衡算式 体系内 体系内)(体系内 进入体(离开体 累积的 生成的消耗的 系的底-系的底+ 底物质 底物质底物质 物质量物质量 量 量 量 对底物,有 体系内累(进入体系)离开体系(体系内消 积的底物|=的底物质-的底物质-耗的底物 质量 量 量 质量

（1）物料衡算式 对底物，有                                   量 底物质 消耗的 体系内 量 底物质 生成的 体系内 物质量 系的底 离开体 物质量 系的底 进入体 量 底物质 累积的 体系内                            质量 耗的底物 体系内消 量 的底物质 离开体系 量 的底物质 进入体系 质量 积的底物 体系内累

对产物,有 体系内累(进入体系)(离开体系)(体系内生 积的产物=的产物质-的产物质+成的产物 质量 量 质量 对细胞,有 体系内累(进入体系)离开体系(体系内生 积的细胞|=的细胞质-的细胞质+长的细胞 质量 量 量 质量

对产物，有 对细胞，有                            质量 成的产物 体系内生 量 的产物质 离开体系 量 的产物质 进入体系 质量 积的产物 体系内累                            质量 长的细胞 体系内生 量 的细胞质 离开体系 量 的细胞质 进入体系 质量 积的细胞 体系内累