第五章生化反应器.ppt
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1、第五章 生化反应器的设计,反应器的分类 反应器设计的基本方程 BSTR的设计 CSTR的设计 SBSTR的设计 CPFR的设计 各反应器性能比较,5.1 反应器的分类,可按操作方式 能量的输入方式:机械搅拌式和气升式 反应器的结构特征(H/D):罐式、管式和塔式 反应器内流体的流动类型 :全混流、活塞流,分批操作,连续操作,半连续操作,5.2 反应器设计的基本方程,变量: 控制体积:即建立衡算式的空间范围,其原则是以反应速率视为相同值的最大空间范围作为控制体积,可以是微元体积,也可以是整个反应器的有效体积。 基本方程:物料衡算式、能量衡算式、动量衡算式、反应动力学方程 输入量输出量+反应量+累
2、积量,自变量:时间和空间,因变量:物料浓度、温度、压力,5.3 BSTR的设计,BSTR的基本特点 BSTR设计基本关系式 不同反应过程反应时间的求取 反应器有效体积的计算,5.3.1 基本特点,因为反应是一次进料,反应结束后一次出料,因此BSTR在反应过程中反应液体积不变 由于有高速搅拌装置,因此物料混合均匀,即浓度处处相同,且只随反应时间的变化而变化 控制体积为反应器的有效体积,5.3.2 设计关系式,对底物进行物料衡算 输入=输出+反应消耗+累积 即:-反应消耗=累积,5.3.3 不同反应器反应时间的求取,均相酶反应 固定化酶反应 微生物反应,1、均相酶反应,当为单底物无抑制时,且酶无失
3、活,将米氏方程代入积分得: 当酶有失活且满足一级失活模型时, 则 ,代入上式积分得 当体系中StKm时, 当,2、固定化酶,设反应器中液相物料占有的体积分率为 ,单位时间内底物的消耗量为 ,累积项为 ,对反应器内底物进行物料衡算仍有:反应累积,即 分离变量积分得 注意在进行积分时,须先求得 的关系才能进行,对于一级反应动力学,有效因子与转化率无关,因此,3、微生物反应,微生物反应过程以对数生长期和减速期的时间作为反应时间, ,若对数期开始时细胞浓度为X0,指数期末为X1,减速期末为X2,则在分批培养中对菌体作物料衡算: 生长量累积量 即 给定边界条件进行积分得: 在对数生长期, 减速期细胞的生
4、长符合Monod方程,即 , 假定此时,则 ,代入积分得 但在对数生长期末的菌体浓度X1很难确定,而X2比较好测,所以从指数期到减速期末的总时间tr常采用近似法来求得,常采用下式: 在微生物反应过程中除对菌体作物料衡算外,也可以对产物进行衡算:生成量累积量, 一般情况下,产物均有抑制作用,此时微生物生长的动力学方程可表示,为: ,当SKs,n=1时,可简化为 若产物与细胞的生长完全相关,则 由 ,则 代入积分得: 实际生产过程中有产物抑制时产物浓度的最佳值为 综上所述,反应过程与反应速率是有关联的,凡是影响反应速率的因素,均能影响反应时间tr,即反应时间只与动力学有关,而与反应器大小无关。,5
5、.3.4 BSTR体积的计算,反应器的有效体积VR:是物料所占有的体积,是由物料的处理量决定的,也就是说是由设计生产能力决定的,若单位时间内物料的处理量为V0,则 ,对于酶反应过程,若设计要求单位时间内得到的产物的产量为Pr,则 反应器的体积为,例题,在BSTR中进行均相酶反应,已知加入底物的初始浓度为S0=2 mol/L,rmax=1.0 mol/(Lmin),Km=2 mol/L,若要求每小时生产1000 mol的产品,底物转化率为0.8,辅助操作时间为10分钟,求反应器的有效体积。 解:根据,5.4 CSTR,单级CSTR 带循环的CSTR 多级串联CSTR,5.4.1 单级CSTR,特
6、点 均相酶反应 固定化酶反应 微生物反应,1、 单级CSTR特点,其基本特点:是稳态操作的反应器,反应过程中状态参数不随时间、空间的变化而变化,因此累积项为0。同时CSTR又是一全混流反应器,因此CSTR反应时间为所有粒子的平均停留时间. 整个反应器的有效体积是控制体积。 对底物作物料衡算: 输入输出+反应消耗,2、均相酶反应,如果没有抑制和失活,则将米氏方程代入得 前面例题,若用CSTR,则需要有效体积为多大? 为什么同一个反应过程,在其他条件均相同的条件下,采用BSTR所需的反应时间要小于CSTR中的反应时间?,3、固定化酶反应,对固定化酶反应过程中的底物进行物料衡算时,仍要注意其反应发生
7、在固相。其物料衡算式为:,4 微生物反应,微生物反应具有自催化特性,反应器具有返混的特点 对稳态条件下的CSTR中的菌体作物料衡算有下式成立: 进入反应器菌体+新生成的菌体流出的菌体 重排后得 D为稀释率:单位时间内加入CSTR的新鲜料液的体积占反应器总体积的分率,其大小可通过加料速率来调节。 因而对于微生物反应,可以通过调节D来控制相应的,微生物反应过程中的状态参数,由基本设计关系式及 得到反应器出口菌体浓度与底物浓度之间的关系: 由 得反应器出口底物浓度与操作变量D之间的关系为: ,从而 当X=0时,S=S0,此时的状态为洗脱状态,无反应发生,故存在有临界稀释率,,5.4.2 带循环的CS
8、TR,单级CSTR因为临界稀释率 而使它的生产能力受到了 限制。 将反应器出口料液通过离心 作用将菌体浓缩,并将一部 分 反馈回反应器的入口, 即为带循环的CSTR 令循环比 ,提浓因子 , 对反应器的菌体进行物料衡算:反馈+生长流出,状态参数与操作变量的关系,对反应器的底物进行物料衡算得: 根据 得 故 同样,带循环CSTR也存在有临界稀释率 对提浓器进行物料衡算:输入后处理+反馈,两者进行比较,稀释率: 反应器出口底物浓度: 反应器出口菌体浓度: 临界稀释率:,例题,在一带循环的单级CSTR中进行微生物反应,已知: , , , , , , ,已知动力学方程为 , 求:1) 若不带循环时的X
9、,S,rX,Dc 2)带循环时的 X1,S1,rXr,Dcr,Xr,XF 解:1) 根据动力学方程,知微生物生长的动力学参数分别为: , 而 ,则 , , 2)带循环时,因为 , ,所以 , , ,,5.4.3 多级串联CSTR,对于单级多流系统,对第N个的反应器进行物料衡算,假定流量为V0,各反应器体积为VR,对菌体有: 流入+生长流出+累积(0), 当N2时, 当N3时, 归纳得,对于第一级,有 ,相当于单级,对于第2级, 由 ,对于第N级, ,且比生长速率逐级下降,因而各级反应器出口底物浓度逐级下降。,例题,某一级反应其反应速率常数为K3.5/h,现在一单级CSTR中进行反应,要求最终底
10、物转化率为95%,物料处理量为V0=1.82 m3/h,问所需反应器有效体积为多大?如果用相等容积的CSTR,两个,三个,十个进行串联,反应器的有效体积各是多少?,解:1)单级CSTR,对底物进行物料衡算,流入流出+反应消耗 即 2)N级串联:对N级进行物料衡算, 即: 3)两级串联:N2时,,4)三级串联: 5)十级串联:,综上所述,实际生产中CSTR串联的个数以不超过3个为宜。,利用多级串联优化青霉素的生产,在采用多级串联前,需先在BSTR中测得产黄青霉X、S、P、rX、rP和时间t之间的关系曲线。 两级串联:应使第一级的菌体的生长速率最大,第二级产物的生成速率最大。而第一级反应器,相当于
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