第四章 生物反应器设计与分析

如果反应为放热反应，则等号右边第二项为负，如果为吸热反应，则为正。
第二节 间歇搅拌釜式反应器（BSTR）
BSTR的特点是分批装料和卸料，因此其操作时间由两部分组成：一是进行 反应所需要的时间，即开始反应到达到所需要的转化程度为止所需要的时间； 另一是辅助操作时间，包括装料、灭菌、卸料及清洗等所需要的时间。设计间 歇反应器的重点是确定反应所需要的时间，辅助时间则可根据生产经验来确定。 由于机械搅拌的作用，反应器内的物料混合均匀，浓度和温度处处相同。
• 连续操作：采用此种操作方式的反应器叫作连续反应器。这种操作方式的特 点是原料连续输入反应器，反应产物连续地从反应器中流出，反应器内任何部 位的物系的组成不随时间变化，只在流经的长度方向上变化，故连续操作反应 器多属于稳态操作。一般不需要辅助过程。适用于大批量的品种的生产，具有 产品质量稳定、生产效率高及易实现自动化控制和生产。
若间歇反应器的一个操
t tr tb t r 反应时间 t b 辅助操作时间 根据规定的生产任务，
应处理的物料体积为
V R V（0 t r t b ) 如果要求单位时间内得
V0
Pr C S0 X
S
，其中
对于一个反应器，不一
实际反应器的体积为：
作周期的时间为
t ，则：
若要求该反应器在单位
V
，则该反应器的有效体
建立这三类方程的依据是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。
建立方程之前，首先要确定变量和控制体积。
变量分为因变量和自变量。在反应器设计和分析中，建立物料衡算式时通 常以反应组分的浓度或某组分的转化率作为因变量；能量衡算方程和动量衡算 方程式则分别以反应物系的温度和压力作为因变量。自变量有时间自变量和空 间自变量两种。对于定态过程，由于因变量与时间无关，因此建立衡算方程时 就不须考虑时间变量，非定态过程则两种自变量均要考虑。考虑空间自变量时， 一般只限于一维—以反应器的轴向距离为空间自变量。
物料衡算式如下：
液相中的物浓度随时间
的变化：
LV R
dC S dt
.
（1
）
L
V
R
rS
LVR
dC S dt
积分得到：
tr
CS0
L 1L
X S dX S 0 rS
CS0
VL VP
X S dX S 0 rS
V L和 V P 分别为液相和固相的体 积。
如果反应速率是以单位 催化剂的质量来定义，
此时反应速率以 rSW 表示，则有：
对细胞作衡算：
如果指数期开始时的细 减速期末的细胞浓度为 时间的和：
胞浓度为
C
X
，指数期末的细胞浓度
0
为 C X1,
C
X
，则所需反应时间
2
t r 应包括这两个时期所需
t r t r1 t r 2
dC C X 1
X
r C X 0 X 1
dC C X 2
X
r C X 1
X2
C X 1 dC X
S
由于C
Hale Waihona Puke Baidu
X
很难
1
确定，有时也用近似的计算方
法，即从指数期
到减速期用一个动力学方程来计算反应时间。
tr
dC C X t
X
r CX 0
X
CXt KS CS
C CX 0
max S
dCX CX
1 max
(1
KS
K
) ln
C Xt CX 0
KS
K
ln
CSt
CS 0
其中：K
KS
CS 0
1 YX
qPC
XVR
dC P dt
q P C X 0 exp(
max t )
若
q
为常数，则有：
P
tr
1 max
ln
1
max C X 0qP
( C Pt
C P0)
2 反应器有效体积的确定
对于间歇反应器,反应物要达到一定的反应程度,或细胞要达到一定浓度所需 要的反应时间仅与过程的速率有关,与反应器的大小无关,其反应器的大小是由反 应物料的处理量来确定的.
0
时间内 积为：
到产物的量为
P
，则有：
r
C
S
和
0
X
S
分别为反应物的初始浓
度和最终转化率。
定全部装满，存在一个
装料系数 ，因此，
V VR 。
装料系数的大小根据实
际的反应体系，由经验
来确定。
P199 例5.1
第三节 连续操作的搅拌釜式反应器（CSTR） 1 CSTR的基本设计式
VR,CS， CX， CP
• 半间歇或半连续操作：半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中的一种为 连续输入或输出，其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半间歇 式反应器或半连续式反应器。半间歇半连续操作是一种同时兼有间歇操作和连 续操作某些特点的操作，对于生化反应有特别重要的意义，主要指间歇反应的 优化操作，在实际生产中得到广泛应用，并取得明显良好的效果。
t r
CS0
VL W
X S dX S 0 rSW
要积分上式，必须先得 到 与转化率 X S 之间的关系。
• 细胞反应 由于间歇细胞反应过程十分复杂，很难用一个统一的动力学方程来表示
其全过程。比较容易确定的是指数生长期和减速期所需要的时间。实际上 延迟期相对于后两个时期来讲较短，反应往往到静止期就结束，因此上面 两个时期所需要的反应时间也能较好得到应用。
对产 组 体物 分 积： 进 单 组 体 入 元 分 积 该 的 流 单 组 体 量 出 元 分 积 该 的 生 单 组 体 量 成 元 分 积 的 内 累 单 量 积 元 对 体 细 细积 胞 胞 体 细 单 进 ：积 胞 元 入 细 体 单 流 的 该胞 积 元 出 量 细 体 生 单 的 该胞 积 成 元 量 细 体 死 单 的 内胞 积 亡 元 量
• 均相酶反应 • 固定化酶反应
rSK rm S C a C SS x rmta r xC S0X SK Sln 1 1 X S
假定反应器中液相物料 酶反应发生在固相，又
占的体积分率为
，则固定化酶占的体积
L
分率为（
1
），
L
考虑到有内扩散的影响 ，则反应器中底物消耗 速率应为：
（1
）
L
V
R
rS
;
累积项则应为反应器内
最基本的内容有： ➢ 选择合适的反应器型式，根据反应及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、传递和流动方式等。 ➢ 确定最佳操作条件及其控制方式，如温度、压力、物料流量及通气量等。 ➢ 计算出所需反应器的体积，设计各种结构参数等。
• 生化反应器设计的基本方程 ➢ 描述浓度变化的物料衡算方程。 ➢ 描述温度变化的能量衡算方程。 ➢ 描述压力变化的动量衡算方程。
YX
qP YP
m S )C X
S
S
积分上式得到：
tr
1 max
ln
1
(1 YX
S
C S 0 C St
qP ms
max Y P
max
S
)C X 0
所求 t r 为最终底物浓度
C St 时所需的反应时间。
对代谢产物作衡算：
假设 rP q P C X ，则有：
d
(C PV R ) dt
K C X 2
S
CS
dC X
C C X 0 max X
CX1
CS
CX
1 max
ln C X 1 1 C X 0 max
(1
KS
k
) ln
CX2 C X1
KS
k
ln
CS2 C S1
式中： k
KS
, 推导过程中用到：
C
S1
1 YX
C X1
S
1 C S 2 C S1 Y X (C X 2CX1 )
ddNSt，对液相反 rS 应d： dCSt
VR反应器有效体积
NS 组分 S的量 若令 t0,CS CS0;ttr,CS CS,分离变量积分得上到式：可以
tr
CS
CS0
drSCS CS0X0SddXSt
上式表示反应物S反应到某一程度时所需要的反应时间，是一普遍式，对于 不同的反应，有不同的动力学方程，积分可以求得不同的反应时间的表达式。
生物反应器的分类
生物反应器
间歇操作
半间歇半连续操作
连续操作
生物团块反应器 全混流型 活塞流型
生物膜反应器 全混流型 活塞流型
•搅拌釜式反 应器
•循环反应器
•环流反应器
•管式反应器
•鼓泡塔
•多级串联式 反应器
•流化床反应 器
•循环管反应 器
•完全混合膜 反应器
•固定床 •生物转盘 •渗滤器 •膜反应器
第四章 生物反应器设计与分析
第一节 生物反应器设计概论
1 生物反应器的分类
生物反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。可以从多个角度对其 进行分类： • 按使用的催化剂：酶反应器和细胞反应器。 • 按操作方式：间歇操作、连续操作和半间歇或半连续操作。 • 按反应器的结构特征：按釜式、管式、塔式及膜式等反应器。 • 按反应器所需能量的输入方式：机械搅拌、气升式及液体循环等生化反应器。 • 按生物催化剂在反应器中的分布方式：生物团块反应器和生物膜反应器。 • 按反应物系在反应器内的流动和混合状态：活塞流反应器和全混流反应器。
1 反应时间的计算
对于间歇反应器，由于反应过程中无物料的输入和输出，因此物料衡算方程
中无这两项。又由于搅拌的作用，反应器内物料充分混合，浓度均一，反应物
系的浓度仅随时间变化，因此可以对整个反应器（控制体积）作物料衡算。衡
算式如下：
反应组分转化 反 速应 率组分的累积速率
VRrS
ddNSt ，rS
1 VR
• 混合：指的是相同停留时间、不同空间位置的物料之间的一种以达到均匀 状态为目的过程。 • 返混：在连续反应器中，不同时刻进入反应器的物料在反应器中的停留时 间是不同的，我们把这种具有不同停留时间的物料之间的混合称之为返混， 以区别于通常所说的混合。 • 全混流：当反应器内不同物料粒子之间存在最大返混时，即刚进入反应器 的物料在瞬间和反应器内的物料达到混合均匀，这样的流体流动称为全混流。 该反应器称为全混流反应器。 • 活塞流：当反应器内的物料粒子完全不存在返混时，这样的流动称之为活 塞流。该反应器称为活塞流反应器。
CX 0
S
对反应底物作衡算：
rSV R
( YX
qP YP
m S )C XV R
S
S
d (C SV R ) (
dt
YX
qP YP
m S )C XV R
S
S
当 max ，即在指数生长期，且
V R 维持恒定，则有：
C X C X 0 exp( max t )
dC S (
dt
全混流假定：连续进料在瞬间与反应器内物料充分混合且组成均一，因此反应 器内各处浓度不变，且出口物料的组成与反应器内的物料组成完全相同。
对于CSTR，刚进入反应器的物料在反应器内的停留时间为零，而反应器的 物料总存在一定的停留时间（分布），这样的物料之间的瞬间达到充分混合， 应该说其返混程度达到最大。
所谓控制体积是指建立衡算式的空间范围，即在多大的范围内进行衡算。 其选择的原则是能把反应速率视作定值的最大空间范围。例如，假定反应区内 浓度均匀和温度均一的反应器，就可取整个反应区体积作为控制体积，因为此 时反应区内任何位置的反应速率都是一样的。如果不是这样，则只能取一微元 体积作为控制体积，所谓的微元体是指一微分体积，它应能反映出可能发生的 全部过程和现象。
为了建立反应器设计的基本方程，还应包括反应动力学方程，热力学计算 式和各种参数的计算式。
• 物料衡算式
对于一封闭体系，在某一段时间（或微分时间）和其控制体积内，对某组 分（底物或产物）进行物料衡算，其方程如下：
对应一段时间的物料衡算称为总物料衡算；对应一段微分时间的物料衡算 称为微分物料衡算。
对反 组 体 应 分 积 物 进 单 组 体 ： 入 元 分 积 该 的 流 单 组 体 量 出 元 分 积 该 的 转 单 组 体 量 化 元 分 积 的 内 累 单量 积 元
显然，活塞流和全混流是反应器内返混情况的两种极端，一个是完全不 存在返混，一个是返混达到最大。实际的反应器内流体的流动介于这两者之 间。这两个极端是理想流动，实际反应器内的流动是非理想流动。他们相对 应的反应器为理想反应器和非理想反应器或实际反应器。
2 生物反应器的基本设计方程 • 生化反应器设计的基本内容
几个概念：
• 间歇操作：又称分批操作，采用此种操作方式的生物反应器又称间歇反应 器。其基本特征是反应物料一次加入到反应器中，一次卸出，中间没有物料的 加入和输出；反应物系的组成仅随时间变化。它是一个非稳态过程。需要有用 于清洗、加料及卸料等辅助过程。适合于多品种、小批量和反应速率较慢的反 应过程。
在定常态下，所有状态参数均不随时间变化，上述衡算式中累积项为零。
• 能量衡算式
对于大多数反应器，一般对能量衡算式只作热量衡算，此时称为热量衡算式。 在一定的时间和控制体积内，可以表示为：
输入该 该 体 体 积 积 反单 应 元 累 生积 成的 单元 的 输 热 出 量 的 的热 热 量 热 量量