【正文】 來自 庫(kù)下載 第 5章 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析 的分類 生化 反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備．可從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分類 。 按照所使用的生物催化刑的不同，可將其分為酶催化反應(yīng)器和細(xì)胞生化反應(yīng)器 。 根據(jù)反應(yīng)器的操作方式，可分為間歇操作 (分批操作 )、連續(xù)操作和半間歇操作 (半連續(xù)操作 )等多種方式。 常用的另一種反應(yīng)器分類方法是根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征來分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它們之間的主要差別反映在其外型 (長(zhǎng)徑比 )和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。 來自 庫(kù)下載 來自 庫(kù)下載 圖 5— 2 幾種酶反應(yīng)器及操作方式示意圖 (1)間歇式攪拌罐 。(2)連續(xù)式攪拌罐 。(3)多級(jí)連續(xù)攪拌罐 ?！?4)填充床 (固定床 )(5)帶循環(huán)的固定床 。(6)列管式固定床 。(7)流化床 。(8)攪拌罐 超濾器聯(lián)臺(tái)裝置 。 (9)多釜串聯(lián)半連續(xù)操作 。(10)環(huán)流反應(yīng)器 。(11)螺旋卷式生物反應(yīng)器 來自 庫(kù)下載 圖 5— 3幾種細(xì)胞反應(yīng)器示意圖 來自 庫(kù)下載 生化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的最基本內(nèi)容有：①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)工藝特征，確定反應(yīng)器的操作方式、結(jié)構(gòu)類型、傳遞和流動(dòng)方式等；②確定量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； ③ 計(jì)算出所需反應(yīng)器體積，設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)等。 來自 庫(kù)下載 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程有三類：①描述濃度變化的物料衡算式； ②描述溫度變化的能量衡算式?；蚍Q為能量方程； ③描述壓力變化的動(dòng)量衡算式；(建立這三類方程的依據(jù)分別是質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。 ) ④ 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式； ⑤熱力學(xué)計(jì)算式；⑥各種傳遞參數(shù)的計(jì)算式等。 變量分因變量和自變量?jī)煞N。 在反應(yīng)器設(shè)計(jì)和分析中，建立物料衡算式時(shí)通常以反應(yīng)組分的濃度或某組分的轉(zhuǎn)化率做為因變量；能量衡算式和動(dòng)量衡算式則分別以反應(yīng)物系的溫度和壓力做因變量。 來自 庫(kù)下載 對(duì)于自變量，有時(shí)間自變量和空間自變量?jī)煞N。對(duì)于定態(tài)過程。由于因變量與時(shí)間無關(guān)，因此在建立衡算式時(shí)就不須考慮時(shí)間變量，非定態(tài)過程則兩種自變量均要考慮。考慮空間自變量時(shí)，一般只限于一維 —— 以反應(yīng)器的軸向距離為空間自變量。 所謂控制體積是指建立衡算式的空間范圍，即在多大的空間范圍內(nèi)進(jìn)行衡算。其選擇原則是以能把反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積。 輸入＝輸出十消耗十累積 來自 庫(kù)下載 第 5章 生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析 的分類 生化 反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備．可從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分類 。 按照所使用的生物催化刑的不同，可將其分為 酶催化反應(yīng)器 和 細(xì)胞生化反應(yīng)器 。 根據(jù)反應(yīng)器的操作方式，可分為 間歇操作 (分批操作 )、連續(xù)操作 和 半間歇操作 (半連續(xù)操作 )等多種方式。 常用的另一種反應(yīng)器分類方法是根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征來分。其中包括 釜式 、 管式 、 塔式 、 膜式 等。它們之間的主要差別反映在其外型 (長(zhǎng)徑比 )和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同。 來自 庫(kù)下載 間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器 (BSTR) tr。tb 對(duì)間歇攪拌槽式反應(yīng)器做物料衡算時(shí)，應(yīng)掌握其兩個(gè)主要特性：一是在反應(yīng)進(jìn)行過程中無物料的輸入和輸出；二是由于攪拌的作用，反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合，濃度均一，而且反應(yīng)物系的濃度僅隨反應(yīng)時(shí)間而變化。因此可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)器做物料平衡。根據(jù)式 (5— 1)，對(duì)間歇操作的攪拌稿式反應(yīng)器，其物料衍算式應(yīng)為 來自 庫(kù)下載 (55) dtd N sVdtd N sVRSSRrr1?????反應(yīng)組分轉(zhuǎn)化速率＝一反應(yīng)組分的累積速率 對(duì)液相反應(yīng) : dtdC sSr ?? (56) 若令 t=0,Cs=Cs0。t=tr, Cs=Cs，分離變量積分可得： ?????XssrCsCs srrd X sCstsrd C st000表示，則有：若以轉(zhuǎn)化率 X(58) (57) 來自 庫(kù)下載 (1)均相酶催化反應(yīng)。 當(dāng)為單底物無抑制的反應(yīng)時(shí)，可將 MM方程代入式 (58)， 并積分可得 : CsCsXsCstrKCsCsCsKXsKtrKCsCsCsKCsCstrXsKXsCstrrmmmrmmrmr????????????????00m a x00m a x000m a x0m a xln11lnln)(11ln時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)(59) (510) (511) (512) 對(duì)不同 Xs值，以 tr— Cs0/Km對(duì)應(yīng)作圖，得到圖 54。 來自 庫(kù)下載 圖 54 不同轉(zhuǎn)化率 XS下，間歇反應(yīng)時(shí)間 tr與 Cs0 /Km 關(guān)系 從圖中可以看出當(dāng) Cs0 /Km 值較小時(shí)，近似為一級(jí)反應(yīng)。當(dāng) XS一定， tr將不隨 Cs0 /Km值而變化；當(dāng) Cs0 /Km值較大時(shí)，近似為零級(jí)反應(yīng)，此時(shí) tr將隨 Cs0 /Km值成比例增加。 來自 庫(kù)下載 如果在酶催化反應(yīng)過程中，酶發(fā)生失活現(xiàn)象，若為不可逆失活，則 : ???????????????????????XsKmXsCsCkkkttkCkCkrEddrrdEE11ln1ln1)e x p (000222m a x(513) (514) 代入式 (58)，積分得 (2)固定化酶催化反應(yīng) ???????????XssrXssrXsssssrWLPLLLLLrdX sWVCstrdX sVVCstrdX sCsCCrdC st000000011????????(516) (515) (517) 如果反應(yīng)速率是以單位催化劑的質(zhì)量來定義的，此時(shí)速率以 rsw表示，則有： 來自 庫(kù)下載 XsKXsCstrXsKCsCsKtrmrmmrLLLL????????11ln111lnln100m a xm a x?????(518) (519) 一級(jí)不可逆反應(yīng)，即 Cs。 Km時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散有效因子 η 與轉(zhuǎn)化率 Xs的大小無關(guān)， η 可作常數(shù)處理。此時(shí)有： 如果固定化酶顆粒很小，反應(yīng)為動(dòng)力學(xué)控制， η ＝ 1，則可表示為： (3)微生物反應(yīng)。 由于間歇操作的微生物反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)比較復(fù)雜，很難用一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)方程來表示全過程，并且由于細(xì)胞生長(zhǎng)過程又包括延遲期、指數(shù)生長(zhǎng)期、減速期、靜止期等，使得反應(yīng)時(shí)間 tr的范圍亦難以十分明確。比較容易確定的是 指數(shù)生長(zhǎng)期 和 減速期 所需要的時(shí)間。 21 rrr ttt ??(520) 來自 庫(kù)下載 0111011121221011lnm a xm a xm a xXXrXXXXrXXXXXXrXXXXrCCtCCdCtCCCdCtCCdCtrrrr???????????，(521) (522) (523) (524) 在指數(shù)期內(nèi)，基質(zhì)濃度高，營(yíng)養(yǎng)物充分，細(xì)胞生長(zhǎng)不受限制，比生長(zhǎng)速率可達(dá)