第4章 生物反应器的操作模型
《生物反应器》PPT课件
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应器的建模与优化
生物反应器的建模与优化生物反应器是以微生物为基础的生化过程，可以用于生产很多有用的物质，比如酒精、酱油、醋、药品等等。
为了提高生产效率，我们需要对生物反应器进行建模和优化。
一、生物反应器的建模生物反应器的建模是指建立一个数学模型，用来描述反应器中微生物生长和代谢的过程。
在建模的过程中，需要考虑的因素包括微生物的生长速率、代谢产物的合成速率、底物的转化速率等等。
通常使用质量守恒和能量守恒来建立模型。
为了方便建模，可以假设反应器是个完全混合的容器，这样可以将反应器视为一个整体。
然后可以根据底物浓度、代谢物浓度和微生物数量等参数，建立动态数学模型，使用差分方程组求解。
二、生物反应器的优化生物反应器的优化是指通过调整反应器中的参数，来实现最大化生产效率的目的。
因为生物反应器的生化过程是非常复杂的，调整参数并不像化学反应器那么简单。
所以生物反应器的优化往往需要结合实验和模拟分析。
优化的方法包括进料策略的优化、微生物生长条件的调整、控制参数的设计等。
进料策略的优化可以通过控制进料浓度、进料时间和进料方式等参数，来实现最大化产量和最小化废品的目的。
微生物生长条件的调整包括温度、pH值、氧气供应等等，这些条件都会影响微生物的生长，调整这些参数可以提高生产效率。
控制参数的设计包括选择合适的反应器、设计控制系统等等，这些都需要结合实验和模拟分析。
三、生物反应器的应用生物反应器的应用非常广泛，涉及食品、医药、化工等多个领域。
其中，酿造业和制药业是最常见的应用领域。
在酿造业中，生物反应器可以用来酿造啤酒、葡萄酒、威士忌等酒类。
在制药业中，生物反应器可以用来生产抗生素、激素、酶等等药品。
生物反应器的应用也有一些局限，这主要与微生物的特性有关。
比如，有些微生物只能在特定的温度、pH值和氧气供应下生长，这就限制了反应器的应用范围。
另外，微生物的生长速率和代谢速率都是非常复杂的，建模和优化也面临着很大的挑战。
四、未来发展趋势生物反应器的建模和优化是一个不断发展的领域。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
生化反应工程
生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。
3. 生化反应工程研究方法.经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。
.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。
理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。
第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。
什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。
4a. 生物反应器的操作模型
c X c X 0
1
K s cS 0
YX / S
c X c X 0
YX / S cS 0 c X c X 0 max YX / S K s YX / S cS 0 c X c X 0
YX / S K s YX / S cS 0 cX cX 0 1 max tr dcX cX 0 YX / S cS 0 cX cX 0 cX
2、反应时间的计算
物料衡算：反应组分的转化速率＝－反应组分
的累积速率
dnS VR rS dt
1 dns 1 d VR cS rs VR dt VR dt
dc S rs dt
2、反应时间的计算 dc S rs dt
t＝0，cS＝cS0
dcs tr cs 0 r s
0
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s
或
rmaxtr (Cs0 Cs ) Km ln
Cs0 Cs
Cs0 Km
Cs0 Km
Cs0 1 rmax tr Km ln Km ln 1 X s Cs
rmaxtr Cs0 X s Cs0 Cs
CP CS 0 X S Pr t t
YP , Pr , CP是三个重要参数, 通常用作优化的目标函数
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
1、BSTR（间歇操作）的特点 （1）反应过程主要特点： 封闭系统进行的过程 非稳态过程 反应器内物料具有相同的停留时间 和反应时间 反应器的效率随反应的进行而降低
第4章 生物反应器的操作模型
4.1操作模型概论 4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
生物反应器传质和反应的动力学模型
生物反应器传质和反应的动力学模型生物反应器是一种用于进行生物学反应的设备，其应用范围广泛，如生物发酵、废水处理、生物降解、生物制药等。
传质和反应是其中重要的过程。
为了更好地控制和优化反应器的设计和操作，需要建立传质和反应的动力学模型。
一、传质动力学传质是指物质分子、离子或粒子在液体或气体中的扩散，对于生物反应器中物质的输送和分布具有重要作用。
传质的速率可以用Fick定律进行描述，即流量Q等于扩散系数D、质量浓度梯度ΔC、传质面积A的乘积。
即Q=DΔC A。
传质速率的快慢取决于扩散系数D，而D又受到多种因素的影响，包括流体性质、温度、压力、空气中的气体浓度、颗粒尺寸、折射率等。
生物反应器中还存在由麻醉剂、剧毒性物质、大分子物质等导致传质受到抑制的现象，需要进行相应的研究。
二、反应动力学反应动力学是指反应速率随反应物浓度变化的规律。
其中最常见的是麦克斯韦-泰勒方程和伯诺利方程。
麦克斯韦-泰勒方程描述的是一阶反应动力学模型，即反应速率与反应物浓度之间呈线性关系。
在生物反应器中，通过常数k1来描述反应速率和反应物的关系，即速率常数k1就是反应速率和反应物的浓度之比。
一阶反应动力学模型也通常称为亚偶联反应。
伯诺利方程描述的是二阶反应动力学模型，即反应速率与两种反应物浓度之积的关系。
在生物反应器中，使用反应常数k2来表示反应速率和两个反应物浓度之积的关系。
二阶反应动力学模型在生物反应器中应用较少，但有时会作为一种备选的模型。
三、生物反应器中的传质和反应动力学模型传质和反应是生物反应器中的重要过程，它们的模型参数决定了生物反应器的结构和运行效率。
因此，相应的研究和模型建立成为生物工程领域的热点。
在生物反应器中，还存在很多复杂的问题，如生物质转化、生物膜反应等，因此，需要建立多种反应模型，包括传质-反应模型、生物膜反应模型等。
在这些模型中，生物反应器的传质和反应是生物反应器的核心，对其性能和可靠性有重要影响。
因此，需要进行细致的研究，打造精益高效的传质和反应动力学模型，这对于生物反应器的开发和生产的成功至关重要。
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• 反应与萃取相耦合
4.7连续操作生物反应器的动态特性
• 4.7.1 环境阶跃变化时CSTR的动态响应 • 4.7.2 CSTR的稳定性分析 • 4.7.3 混合种群培养时CSTR的动态特性
C S1 C S 2 2 Y X / S D( ) CX 2
2 ( max D)C S 2 ( max C S 0 2 KS D2 KS D2 K S D)C S 2 0 max D max D
两级CSTR串联的参数变化曲线
作图估计多级CSTR串联参数
XS rmax m C S 0 X S K m 1 X S
XS rmax m (1 L ) C S 0 X S K m 1 X S
4.3.3 细胞反应
• 对细胞进行物料衡算
d (VR C X ) dCX V0 C X 0 V0 C X VR ( ) 生长 dt dt
4.4.3 CPFR与CSTR串联
4.4.4 带细胞循环的CPFR
• 最佳进口浓度的确定
• 存在底物和产物抑制时的CPFR最佳加料出料方式
4.5 流加操作反应过程模拟（FBC） 流加操作=补料分批操作
• 流加操作：是半分批操作中比较重要的一种。其核心是控制底物的浓 度。其关键是流加什么物质和流加方式。
机械搅拌罐
气升式
• 把无菌空气通过喷嘴或喷 孔喷射进发酵液中， • 通过气液混合物的湍流作 用而使空气泡分割细碎， • 由于形成的气液混合物密 度降低故向上运动，而气 含率小的发酵液则下沉， 形成循环流动，实现混合 与溶氧传质
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合）
KS D KS CS max D max m 1
C X YX / S (C S 0 C S ) YX / S (C S 0
KS D ) max D
CP YP / S (CS 0 CS )
临界稀释率DC
maxC S 0
K S CS 0
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
三、间歇反应过程的优化
• 产率：单位时间产物的产量
理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
反应器设计基本方程
• 物料衡算式 基质 产物 细胞 • 能量衡算式
操作参数 共5个。 停留时间 --空速 转化率 生产率 选择性 收率
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器
（BSTR）Batch Stirred Tank Reactor
4.3.1 连续操作的特点
• 原料连续输入，产物连续流出
– 组成不随时间、位置变化 – 返混最大 – 稳态操作
– 容易受到杂菌污染 – 容易发生菌种退化变异
4.3.2 酶催化反应
CS 0 X S CS 0 CS VR m V0 rS rS
• 均相酶催化反应 • 固定化酶催化反应
第四章 生物反应器的操作催化剂分 酶反应器 细胞反应器 间歇操作 连续操作 补料（流加）操作
• 按操作方式分
• 按结构分（高径比）
釜式（槽式） 管式
• 按能量的输入方式分
搅拌式 气升式 自吸式 喷射式
DC
优化操作
要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大
PX D C X
KS D PX D YX / S (C S0 ) max D
Dopt KS max [1 ] K S C S0
4.3.4 带循环的CSTR
Vr 物料循环比R V0
C Xr 浓缩倍数 CX1
CPFR与CSTR、BSTR的比较
反应器有效容积的比较
• 相同反应条件下达到相同转化率所需反应 器体积
Km XS XS ( ) CS 0 1 X S Km 1 XS ln CS 0 1 X S
VR ,CSTR VR ,CPFR
• 游离酶催化反应 • 产物抑制 • 底物抑制 • 优化
(C S 0
YX / S CS ) (C S 0 C S ) W
CP1 YP / S (CS 0 CS1 )
临界稀释率
DCr 1 max C S 0 W K S CS 0
DCr
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度 • 临界稀释率
一、反应时间tr的计算
• 物料衡算式（对基质） • 通式 均相酶催化反应 固定化酶催化反应
X S dX dC S S t r CS 0 CS 0 r 0 rS S CS
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
VR C P FP t r tb
四、反复分批操作
4.3连续操作的搅拌槽式反应器 （CSTR）
连续搅拌釜式反应器,是化学工业中最先应用于连续生产的 一种反应设备。虽然在型式和结构上,二者基本上是相同的, 由于操作方式的改变,节省了大量的辅助操作时间,使得反应 器的生产能力得到充分的发挥;同时,也大大地减轻了体力劳 动强度,容易全面地实现机械化和自动化;在很多场合,也降低 了原材料和能量的损耗。因此,在化学工业中,连续搅拌釜式 反应器迄今仍然是应用得最广泛的反应器型式之一。连续搅 拌釜式反应器除了具有一般连续设备的优点外,还有它本身 的特点。由于强烈的机械搅拌作用,反应器中的物料得到了 充分接触,这对于化学反应或传热来说,都是十分有利的。此 外,这种反应器的操作稳定,适用范围较广,容易放大,也是其 它类型连续反应器所不及的。
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
dC S VR P V0 rS
• 流加操作可分为：反馈控制、无反馈控制流加2种。 • 前者包括：恒速流加、变速流加、间歇流加、指数流加。 • 后者包括：溶氧恒定、pH恒定、基于CO2释放速率和细胞浓度的间 接反馈控制、基于底物浓度的直接反馈控制。
无反馈流加和反馈流加
恒速流加：恒定的速率加入底物 变速流加：细胞浓度较高时，供应较多底物 间歇流加：间隙性地补加限制性底物 指数流加：保证细胞呈指数增加，即：在整个细胞培养期间，限制性底 物的补入速率与细胞的生长成比例增加。 反复流加：随着流加的进行，翻反应器中反应液的体积不断增大，达到 一定程度后，可将部分反应液从反应器中排出，剩余部分继续进行流 加。如此反复进行。
4.4 连续操作的管式反应器 （CPFR）
一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长， 如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也 可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填 充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床 反应器。 几个概念：活塞流模型、平推流模型、全混流模型
4.6 反应－分离耦合操作模型
• 反应与透析相耦合
• 反应与过滤相耦合 • 灌流培养：是把细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物 形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时又连续不断地灌注 新的培养基。 • 1.细胞截流系统可使细胞或酶保留在反应器内，维持较高的细胞密度 ，一般可达10-10Cells/mL，从而较大的提高了产品的产量； • 2.连续灌流系统，使细胞稳定的处在较好的的营养环境中，有害代谢 废物浓度积累较低； • 3.反应速率容易控制，培养周期较长，可提高生产率，目标产品回收 率高； • 4.产品在罐内停留时间短，可及时回收到低温下保存，有利于保持产 品的活性。
一级反应
• 球状固定化酶
1 K m ln 1 X S rmax (1 L ) P 1 1 1 [ ] tan(3 ) 3
• 膜状固定化酶
1 K m ln 1 X S rmax (1 L ) P tanh( )
CPFR和CSTR、BSTR的比较
• 浓度曲线的比较 • 反应方程式的比较 • 反应器有效容积的比较
对细胞进行物料衡算
V0 C X 0 Vr C Xr VR rX (V0 Vr )C X 1
1 R R
D
W
DW
• 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度
maxC S
K S CS
K S DW CS max DW
D
C X YX / S
CSTR与膜过滤组合
废水生物处理系统
4.3.5 多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
二级CSTR串联
CX1 2 D(1 ) CX 2
CPFR
CSTR
4.4.2 酶催化反应
CS 0 1 rmax P K m ln C S 0 C S K m ln CS 0 X S CS 1 X S
1 P 1 L
dC S rS