本章主要內(nèi)間歇操作反應(yīng)器計算連續(xù)操作反應(yīng)器計算流加操作反應(yīng)器計算生物反應(yīng)器分形式：間歇操作:生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式，根據(jù)反應(yīng)及物料的特性和生產(chǎn)工藝。 確定最佳操作條件及其控制方式，如溫度、壓力、pH、通氣量、物料流量等；計算出所需反應(yīng)器體積，設(shè)計各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等反應(yīng)器設(shè)計的基本方程描述濃度變化的物料衡算式（依據(jù)質(zhì)量守恒定律 恒定律）；描述壓力變化的動量衡算式（依據(jù)動量守恒定律）生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方反應(yīng)器設(shè)計變量的確定控制體積(ControlVolume)生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方物料衡算式：以質(zhì)量守恒定律 能量衡算式：以能量守恒定律第一 間歇操作——非定態(tài)過間歇操作基本特征:反應(yīng)物料一次加入一次卸出;反應(yīng)器物優(yōu)點對設(shè)備和控制的要求較低設(shè)備的通用性較可獲得較高的轉(zhuǎn)化率染菌和細(xì)胞突變的風(fēng)險

缺點生產(chǎn)輔助時間較檢測傳感器較易損壞用繼代的 培養(yǎng)負(fù)擔(dān)較需要較多的操作人員間歇生物反應(yīng)器特點物料衡算式：累積速率= 間歇培養(yǎng)過程的物料衡 間歇操作反應(yīng)時間的計過程中無物料的輸入與輸出反應(yīng)器內(nèi)混合均勻，控制體取為整個反應(yīng) ??????=? ?? +間歇反應(yīng)器酶促反應(yīng)時間歇反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)胞反針對對數(shù)生長期 CXCX

YX/SCS1CS KSYX/

KSYX/

maxtr

X/

X1 X1

X/

X S2

反應(yīng)器有效體積的確 是反應(yīng)所需時間， 是輔助操作時V??=

=

????+

例在一間歇操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一均相無抑制的酶催化反應(yīng)，反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)如下：酶初始濃度為1mol/L,底物初始濃度為2mol/L。現(xiàn)生產(chǎn)要求每小時生產(chǎn)產(chǎn)品1000mol，且反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的得率為80%，每一操作周期輔助操作時10min。試求反應(yīng)器的有效體積

= 第二 連續(xù)操作采用連續(xù)操作的反應(yīng)器叫做連續(xù)式反應(yīng)器。原料連續(xù)輸入反應(yīng)器， 應(yīng)速度容易控制；可提高生產(chǎn)率；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、勞動強(qiáng)度低、可以對微生物施加一個特定的強(qiáng)制力(比生長速率、溫度、pH或培基組成)來提供特殊的生長條件，從而篩選出所需的微生物各過程變量可以獨立改變，故特別適用于研究微生物的生理特性使細(xì)胞的某些生化活性組份增加或減少染菌和微生物突變的風(fēng)險大只適用于生產(chǎn)能力大，微生物變異小，酶活穩(wěn)定，產(chǎn)品需連續(xù)處理的工業(yè)體系。僅限用于純培養(yǎng)要求不高的情況。連續(xù)操作的分恒化器：在沒有任何反饋控制機(jī)構(gòu)時，以一定不變的流量作狀態(tài)。恒濁器：在有反饋控制機(jī)構(gòu)條件下，控制培養(yǎng)基的加料速連續(xù)操作的攪拌槽式反應(yīng)器）流入培養(yǎng)液的體積流量反應(yīng)器內(nèi)液體的體積;分別為定常態(tài)下的X,S,的濃單罐連續(xù)發(fā)酵通用物料衡算方d(VRcX)V

V

F

0

d )V

F

dd

d(VRcP)V

F

d

d(VRcS

V

)F

dVR

0

D=F/V,XX

X0X

)非活細(xì)胞

d

)PP產(chǎn)物

P0P

)SS底物

(

rX

)

) 總體積

X/ P/RR

單罐連續(xù)培養(yǎng)的變到的狀

單罐連續(xù)培養(yǎng)的變(1)非限制性生長假設(shè):細(xì) 速率與所有底物濃度無關(guān)（包括溶氧），所以對于cS和cO 間歇轉(zhuǎn)為連續(xù)操作菌體量可能出現(xiàn)三種現(xiàn)??????=

?221.0h,K2kg/m3msX/D：0.2h-1》0.4h-1》0.6h-1》0.8h-31t（2）底物限制性生長(進(jìn)料不含細(xì)胞) 實際測定中在低值或高恒化器的操作變量為和例Acontinuoussystemforyeastpropagationand/oralcoholproductionistobedesigned.ThedataforthebatchfermentationofmolassesunderconditionssimilartothecontinuousfermentationaregiveninTable.Forafeedspeedof0.5m3/hofmolasses,compute:Primaryfermentervolumeifthefermenterisoperatedat umrateofyeastpropagation,Thevolumeofsecondaryfermenterinseireswiththefirstforoperatingatthe umrateofglucoseutilization,Volumeofthesecondaryfermenter,ifitistobeoperatedatthe umrateofalcoholproduction.例題表例題求例題求(3)過程受底物抑制時帶循環(huán)的連續(xù)培養(yǎng)帶循環(huán)的特性流量衡流量衡對反應(yīng)對系對反應(yīng)菌體衡菌體衡分離器衡濃縮比帶循環(huán)的連續(xù)培養(yǎng)特(1)cxe=0即輕相無菌體,則(2)cxe/cx=1即帶循環(huán)的連續(xù)全混流反應(yīng)器操作,在分離器內(nèi)菌體不濃縮,則(3)Fe/F=1 生化反應(yīng)器的動態(tài)特其操作運行狀態(tài)隨時間變化的特性。的變化軌跡，即當(dāng)操作條件發(fā)生擾動時，穩(wěn)態(tài)點變化的軌跡和特點。目的：為了更加合理設(shè)計反應(yīng)器，特別是在建立正確的反應(yīng)器控制策略和模型方面，反應(yīng)器的動態(tài)特性是其重要穩(wěn)定性分析的基系統(tǒng)的穩(wěn)定操作狀態(tài)能否基本保持不變的一種特性。反應(yīng)器穩(wěn)定性的實質(zhì)是 的能力大小的一種表。穩(wěn)態(tài)操作點：當(dāng)外界的干擾后，若系統(tǒng)能回到原來的態(tài)點。非穩(wěn)態(tài)操作點：若在外界的干擾下，系統(tǒng)自動偏離原來的反應(yīng)器不穩(wěn)定性的分一是為反應(yīng)動力學(xué)的不穩(wěn)定性，它是由反應(yīng)動力學(xué) 某種特性所 二是熱不穩(wěn)定性，它是由于反應(yīng)過程熱效應(yīng)與傳熱過分析反應(yīng)器穩(wěn)定性的方 定性分析方法分析反應(yīng)器穩(wěn)定性問題。自激體系：當(dāng)體系的變化是微小的，或在時間上變化當(dāng)f(X)=0時，可以得到該方程的解，即其穩(wěn)態(tài)解，該解稱為奇異點，表示成X 。在奇異點附近，若引 x表示體系與該奇異點的偏離，則有：XX 多元線性微分方程組，通過求 穩(wěn)定性分析的主要判本征值本征值實數(shù)部虛數(shù)部負(fù)0穩(wěn)定節(jié)點正0指數(shù)增長不穩(wěn)定節(jié)點負(fù)非阻尼振蕩穩(wěn)定焦點正非無阻尼振蕩不穩(wěn)定焦點0非持續(xù)振蕩舉例：連續(xù)培養(yǎng)的動態(tài) (c x)(m(ycSs)

dy

KS(ycSs 按xym(ycSs)/KS(ycSs)cSs 按dxaxa dyaxa

0, 1 2 2ym2e1tme2t 2

穩(wěn)定的充分條件是1+2<0和12>01和2為實根a.當(dāng)1和2都為負(fù)實數(shù)時，式(10－14)收斂于零，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定1和2>0，x和y發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定1和2為共軛復(fù)根實部>0，x和y振蕩發(fā)散，不穩(wěn)定實部=0，x和y有界振蕩，系統(tǒng)將在某一范圍里反復(fù)變化1和2為重根1=2<0，穩(wěn)定1=-a12/YX/S＝-(μm-D)[cS0(μm-D)-KSD]/(2＝- cX

mcS

)

0

cS)

cXYX/

mcSKS

半間歇半連續(xù)操定義:指原料與產(chǎn)物只有其中一種作為連續(xù)輸入或輸出，而其余則為分批加入或輸出的操作，相應(yīng)的反應(yīng)器稱為半間歇式反應(yīng)器或半連續(xù)式反應(yīng)器。料分批培養(yǎng)，或稱流加操作技術(shù)。流加培 連續(xù)流加反應(yīng)體積不為常數(shù)dVR/dt=F，隨流加速率而變定態(tài)時限制性底物流加速率與菌體消耗該底物的速率相等，可看作一物料衡算方細(xì)胞濃度隨時間的變化率為 (V

dVR)

R

R R流加系統(tǒng)對底物的衡算：累積速率=進(jìn)入速率-率d(cSVR)

d(cXVR)體積按流加速率而變化

FcS0YX/ Y擬定dcX/dt=0，=D，cS=KSD/(μm-細(xì)胞總量積累速：

d(cXVR

cX與連續(xù)