1、化学与生命科学学院,第六章 连续式操作反应器,生化工程电子教案,2019/10/1,概述,第6章 连续式操作反应器,连续操作管式反应器（CPFR）,半间歇半连续操作的生化反应器,连续操作搅拌式反应器（CSTR）,膜式酶反应器,2019/10/1,第6章 连续式操作反应器 6.1 概述,一、连续操作的特点,1、连续操作的生物反应器类型？,2019/10/1,第6章 连续式操作反应器 6.1 概述,一、连续操作的特点,2、连续操作的特点？,3、连续操作的优缺点？,2019/10/1,第6章 6.1概述, CSTR主要特征为：底物连续稳定地流加到CSTR内，同时产物连续稳定地由CSTR排出，使得CS
2、TR内的反应液体积维持恒定；, CSTR内的所有质点的物理化学性质是一致的，即各质点的温度等物理性质和化学组成是一致的； (定态操作), CSTR内的反应液中的各组分的浓度不随时间变化。,二、理想流动反应器的模型方程,两种理想流动反应器模型？,CSTR，CPFR,2019/10/1,第6章 6.1 概述,V0，CS0，CX0,V0，CS，CX,VR，CS，CX,二、理想流动反应器的模型方程,流入速率=流出速率+反应消耗速率+累积量,对底物S的物料衡算式：,1、CSTR基本设计方程,2019/10/1,第6章 6.1 概述,二、理想流动反应器的模型方程,在连续稳定态时，,图解法 161图6-3,
3、1、CSTR基本设计方程,2019/10/1,第6章 6.1 概述,二、理想流动反应器的模型方程,对底物S的物料衡算式：,在连续稳定态时，,图解法 162图6-5,2、CPFR基本设计方程,dVR,cs0,V0,cS+dcS,V0,V0,cs,csf,对整个反应器：,2019/10/1,第6章 6.1 概述,二、理想流动反应器的模型方程,3、CSTR与CPFR操作特性比较,CSTR：反应器组分被稀释，微元体在反应器中的停留时间不相同，返混达到最大。见P162图6-6A,CPFR：在反应器内组分浓度逐渐降低，微元体在反应器中的停留时间相同，返混为零。见P162图6-6A,实际的连续操作生物反应器
4、能否达到最理想？,2019/10/1,第6章 6.2连续完全返混型反应器（CSTR）,1、酶促反应的单级CSTR的反应方程,一、单级CSTR的生化反应特征,对均相的酶促反应，且反应符合M-M的动力学方程，则：,或,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,1、酶促反应的单级CSTR的反应方程,一、单级CSTR的生化反应特征,P163式6-10,P163式6-11,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,高浓度底物抑制的酶促反应的反应时间与转化率的关系式:,1、酶促反应的单级CSTR的反应方程,一、单级CSTR的生化反应特征,P163式6
5、-9,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,对固定化酶反应：,1、酶促反应的单级CSTR的反应方程,一、单级CSTR的生化反应特征,对底物：,P163式6-13,若反应符合M-M动力学,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,单级CSTR细胞反应的两种方式,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,1）细胞在单级CSTR中的质量平衡式为:,即:,流入-流出+生长=累积,定义单级CSTR的稀释速率，稀释速率的单位为1/h，,2019/10
6、/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,所以单级CSTR的反应过程中处于稳定状态时，有:,cX=Yx/s(cS0-cS),因YX/S、CS0、mmax、KS均为常数，所以CS均依赖于操作的D 。,单级CSTR的反应过程中处于稳定状态下，有:,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,2）对单级CSTR进行底物的质量平衡，有:,即:,流入-流出-消耗=累积,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（
7、CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,2）对单级CSTR进行底物的质量平衡,单级CSTR在稳定状态下，有:,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,且,则单级CSTR在稳定状态下的底物平衡关系为:,一、单级CSTR的生化反应特征,（3）细胞反应的单级CSTR的反应特征,2）对单级CSTR进行底物的质量平衡，有:,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,3）对单级CSTR进行产物的质量平衡，有:,单级CSTR在稳定状态下，有:,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特
8、征,流入-流出+生成=累积,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,如何得到最大细胞产率？,定义细胞的生产能力,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,为求得对稀释速率D的最大的细胞生产能力，令,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,有最佳的稀释速率,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,可知，由于大多数的细胞反应的CS0远大于KS，
9、 很小，所以Dopt就在Dc的附近且小于Dc。单级CSTR的稀释速率D与底物浓度CS、细胞浓度CX、生产能力Pr的关系如p166图 6-7.,由式,当稀释速率D =Dc=mmax，且在CSTR内的细胞浓度CX=0，Dc称为临界稀释速率，稀释速率DDc的操作为“冲出”。,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,（3）细胞反应的单级CSTR的反应特征,当D很小时，CS 0，CX=YX/S CS0，若D ，CX ，当D=DC=max，CX=0，CS CS0。达到清洗点。,分析右图中,对cs与D的关, CX对D的关系，PX对D的关系。,cs
10、0,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,一、单级CSTR的生化反应特征,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,如果，cs0Ks,思考：只有当D处于多大时，才存在稳态？,在CSTR设计时，必须同时满足,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,2、细胞反应的单级CSTR的反应特征,对Mond动力学恒化器的归纳：,为达到一定的细胞浓度所要求加入培养基中的底物浓度求法：,P173例6-1,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,二、带细胞循环的单级CSTR细胞反应特征,V0，CS0，CX0,V0+Vr，CS1
11、，CX1,VR，CS，CX,浓细胞液 Vr,cXr,cS1,连续分离器,V0 cXf cS1,若定义：,物料循环比：,细胞浓缩系数：,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,细胞在部分再循环CSTR中的质量平衡式为：,二、带细胞循环的单级CSTR反应特征,输入量+循环量+生长量=输出量？,即,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,即,二、部分再循环CSTR的细胞反应特征,对底物S做衡算：输入+循环=消耗+输出,无循环时，CX=？,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,二、部分再循环CSTR的细胞反应特
12、征,同样可推得：,与无循环操作比较，循环操作有何优点？,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,二、部分再循环CSTR的细胞反应特征,分析P175图6-17与图6-18 与无循环操作比较，循环操作有何优点？,对带有循环的CSTR，其临界稀释率=？,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,二、部分再循环CSTR的细胞反应特征,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,二、部分再循环CSTR的细胞反应特征,P175 例6-2,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,三、多级串联CS
13、TR的细胞反应特征,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,（1）多级CSTR串联可分三大类：,单流多级CSTR系统,多流多级CSTR系统,带循环的多级CSTR系统,设计目的：提高细胞浓度，提高生长速率,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,（2）二级串联CSTR反应系统,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,第一级与单级相同，第二级反应器的物料衡算,对细胞：,稳态下,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,（2）二级串联CSTR反应系统,三、多级串联CSTR的细胞反应
14、特征,第一级与单级相同，第二级反应器的物料衡算,对底物：,稳态下,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,（2）二级串联CSTR反应系统,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,联立式6-106和式6-109，求得,如何求CS2？,解方程，取小于CS1的实根。,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,（3）多级串联CSTR的级数的确定对第n级CSTR进行细胞的质量平衡，有,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,（3）多级串联CSTR的级数的确定对第n级CSTR进行底物的质
15、量平衡，有,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,（3）多级串联CSTR的级数的确定对第n级CSTR进行产物的质量平衡，有,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,多级CSTR串联参数的求解,级数N的确定。,2019/10/1,第6章 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）,利用间歇培养的dCX/dt CX曲线 过CX0以D为斜率作直线，交于生长反应曲线点过生长反应曲线点作垂线，得CX1重复作图得CX2 、 CX3 经济和技
16、术上允许的CXnCXn1要求即得多级串联CSTR的级数n 对产物的CP曲线也可以同样的方法确定多级串联CSTR的级数n,三、多级串联CSTR的细胞反应特征,2019/10/1,第6章 6.3 连续操作管式反应器（CPFR）,CPFR是一类细长的反应器的抽象， 反应液在PFR中以平稳、等速、不受干扰的方式流动，其特征为：在流动方向上，不存在“返混”反应液各质点在PFR中的停留时间是一致的垂直于流动方向的同一截面上的反应液的物、化特性不随时间变化,2019/10/1,一、PFR的反应时间的表达式,第6章 6.3 连续操作管式反应器（CPFR）,对底物S的物料衡算,得到,管式操作反应器的优点：生产能
17、力大，传质效率高，易实现优化控制。,适用于特殊的生物工艺过程。,2019/10/1,二、在PFR中的均相酶促反应方程,设酶促反应符合M-M方程，有 ：,比较BSTR的均相酶促反应方程，两者的形式是完全一样的，因而断言PFR与BSTR的反应特征是相同的。,第6章 6.3 连续操作管式反应器（CPFR）,2019/10/1,在PFR内,二、在PFR中的均相酶促反应方程,对竞争性抑制的酶促反应，有,非竞争性抑制的酶促反应，有,对高浓度底物抑制的酶促反应，有,第6章 6.3 连续操作管式反应器（CPFR）,2019/10/1,若为固定化酶反应：,二、在PFR中的均相酶促反应方程,第6章 6.3 连续操
18、作管式反应器（CPFR）,如果为动力学控制，=1，反应符合M-M方程，上式可积分为：,2019/10/1,二、在PFR中的均相酶促反应方程,第6章 6.3 连续操作管式反应器（CPFR）,P181例6-4,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,一、半间歇半连续操作特点与分类,特点：反应物连续或间歇式加入，产物一次性或间断性排出。,适用范围：,代谢产物得率或生成速率受到底物影响、细胞生长状态和培养环境需要调节的过程。,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,一、半间歇半连续操作特点与分类,间歇补料 连续补料,反复分批 反复补料分批 反复连续补料,指数速率补料
19、 恒速补料 变速补料,分类：,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型,概念：状态变量、操作变量、过程参数？,C0为加料中的组分浓度,1、基础模型方程的建立,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型（FBC）,总量衡算式：,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型,对细胞的衡算 式：,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型,当底物消耗仅用于细胞生长时，底物的变化率为：,当底物消耗用于细胞生长和维持活动时，,当底物消耗用于细胞生长和维持活动及产物生成时，,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型,对产物的衡算式：,qp的计算？,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型,2、恒速流加操作模型,2019/10/1,第6章 6.4半间歇半连续操作反应器,二、补料分批培养过程的操作模型,恒速流加操作模型,到达拟稳态时，,
