【導讀】備．可從多個角度對其進行分類。反應器和細胞生化反應器。連續(xù)操作和半間歇操作等多種方式。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。的主要差別反映在其外型(長徑比)和內(nèi)部結構上的不同?；蚍Q為能量方程；③描述壓力變化的動量衡算式；量守恒定律和動量守恒定律。)④反應動力學方程。由于因變量與時間無關，因。過程則兩種自變量均要考慮。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)進行衡算。二是由于攪拌的作用，反應器內(nèi)物料充分混合，濃度均一，而且反應物系的濃度僅隨反應時間而變化。根據(jù)式(5—1)，對間歇操作的攪拌。從圖中可以看出當Cs0/Km值較小時，近似為一級反應。應，此時tr將隨Cs0/Km值成比例增加。<<Km時，內(nèi)擴散有效因子η與。轉化率Xs的大小無關，η可作常數(shù)處理。

　　

【正文】 相關。 來自 庫下載 圖 526 基本反應器的濃度分布圖 來自 庫下載 ① 達到同一轉化率時， CSTR所需體積要比 CPFR所需體積大，或需要更多的酶。并且轉化率愈高，兩者比值愈大，這表明，轉化率愈高，返混對反應影響程度愈大。 ②隨著是 Km／ Cs。值從零到無窮大，反應速率與反應物濃度的關系由零級升為一級，兩種反應器之體積比隨之增大，這表明，隨著反應級數(shù)提高，返混的影響程度亦在增大。 ③ 對底物有抑制的酶催化反應。由于在 CPFR中維持了比 CSTR中更高的底物濃度，因而在 CPFR中底物的抑制作用更加強烈，此時顯然采用 CSTR更為有利。 ④ 如果為產(chǎn)物抑制的酶催化反應，由于在 CSTR中維持了比CPFR中較高的產(chǎn)物濃度，因而在 CSTR中產(chǎn)物的抑制作用更加明顯，此時顯然采用 CPFR更為有利。 來自 庫下載 圖 530 不同動力學時 CPFR的救佳加料方式 (a)圖表示的是無抑制情況，為了保證CPFB正常連續(xù)操作，使細胞循環(huán)回到反應器入口。并可提高細胞生長速率。 (b)圖表示的是基質(zhì)對細胞生長有抑制的情況，為了減少基質(zhì)抑制，沿CPFR軸向位置實施多點加料，以便反應器維持在盡可能低的基質(zhì)濃度，以減少其抑制作用。 (c)因為反應產(chǎn)物有抑制時的情況，為了減少產(chǎn)物抑制，應及時將反應產(chǎn)物排出反應器以外，降低反應器中產(chǎn)物濃度。 (d)因為基質(zhì)和產(chǎn)物均對細胞生長有抑制時的情況，故沿反應器軸向?qū)嵤┒帱c加入基質(zhì)和多點排出產(chǎn)物的措施以減少其抑制作用。 來自 庫下載 各種應動力學可歸納為三種情況： 第一種動力學是濃度與速率的關系為單調(diào)上升的關系，即隨著反 應組分濃度的增加，反應速率亦增加，濃度下降，速率亦下降，這是 簡單酶催化反應和很多化學反應的動力學特點，對此種反應動力學采 用 CPFR有利。 第二種動力學是反應組分濃度與速率系單調(diào)下降的關系，即隨著 組分濃度的升高，反應速率在下降。這種情況比較少見，它僅出現(xiàn)在化學反應動力學中反應級數(shù)為負值的情況。對此種動力學采用 CSTR 有利于減少所需要的體積。 第三種動力學即為隨著濃度的變化反應速率有最大值的情況，一 般出現(xiàn)在細胞反應過程、自催化反應過程。此時采用 CSTR與 CPFR 相串聯(lián)的形式有利于減少反應器體積。 上述三種動力學情況分別表示在圖 531中的曲線 1． 2． 3。 來自 庫下載 圖 531 不同的 ri－ Ci的動力學關系 1一速率與濃度單調(diào)上升； 2一速率與濃度單調(diào)下降， 3一速率與濃度有有大值 需要特別指出的是，上述討論僅僅是從如何使反應速率為最大、所需反應器為最小的角度來考慮反應器的選擇。而實際上選用何種反應器除了要考慮上述因素外，還要考慮到一些其它因案。例如，在微生物反應中，某些次級代謝產(chǎn)物的生成速率 rP達到最大值時所需要的時間要比細胞生長速率達到最大值時延遲某一時間 tM(見圖 532)，如果為了追求最大的 rP值，在連續(xù)操作的反應器中則必須保持 t＝ tM 來自 庫下載 的條件，即細胞在反應器中的平均停留時間必須等于細胞的成熟時間加。 對 CSTR，由于返混的作用，將使一部分細胞在反應器中停留時間要小于 tM ，因而這一部分細胞對生產(chǎn)代謝產(chǎn)物沒有做出貢獻，而只有另外一部分細胞由于其 t＞ tM才能生成代謝產(chǎn)物。而對 CPFR，由于無返混存在，所有細胞在反應器的停留時間皆可控制在 t＝ tM的水平上，可使代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率達到最好的結果。 還有一些次級代謝產(chǎn)物，如青霉素，在反應器停留時間過長會分解， CSTR中由于有一部分可能 t＞ tM ，易分解，而 CPFR則易控制為 tM ，代謝產(chǎn)物不易分解。 綜上所述，要選擇一適宜的反應器型式和操作方式需要綜合考慮多方面因素，才能做出客觀的選擇。 來自 庫下載 半間歇操作的攪拌槽式反應器 (SCSTR) 流加操作技術；反應分離耦合技術 流加操作反應器 所謂流加操作是指在反應過程中不斷向反應器內(nèi)加入基質(zhì)、但又不同時取出培養(yǎng)液的操作方法。如果在上述流加操作過程中，每隔一定時間將發(fā)酵液取出一部分，然后繼續(xù)進行上述流加操作，并且將上述操作過程不斷重復下去，這種流加操作又稱為重復流加操作。 流加操作的一個主要特點是在反應進行的過程中，反應器內(nèi)物料所占有的體積是在變化的，反應器是在變?nèi)菹逻M行操作，并且仍然假設該反應器內(nèi)的物料達到了最大程度的返混，反應器的濃度分布仍是均一的，因此，此類操作又稱為變?nèi)莸?CSTB操作。 目的：減緩基質(zhì)對細胞生長的抑制作用；實現(xiàn)細胞的高密度培養(yǎng)。 來自 庫下載 常用的衡算模型有： ? ?? ?? ?? ?? ?? ? ? ?VdtdVCVkCVqdtCVdCVqV C sdtCsVdCVdtCVdRXRPXRPPRXRsRXRXR??????0?(5212) (5213) (5214) (5215) 如何實施流加操作呢 ?主要分為兩大類，一類是無反饋控制，另 一類是反饋控制。 無反饋控制是指加入基質(zhì)的流量按預先設定的規(guī)律變化。如果按 加入基質(zhì)的流量恒定的方式加入稱為恒流量流加，這種流加方式的特 點是能保持細胞線性生長。 來自 庫下載 線性生長期一般出現(xiàn)在培養(yǎng)的后期，在此期內(nèi)基質(zhì)濃度非常低。 還有一種無反饋控制的流加方式為指數(shù)流加，它使流加基質(zhì)量以時間的指數(shù)函數(shù)增加，這樣保證細胞的生長對時間是以指數(shù)函數(shù)增加。實行指數(shù)流加法可保證基質(zhì)濃度在培養(yǎng)過程中恒定不變，同時可以控制 μ ，因此它類似于恒化器操作。在生產(chǎn)代謝產(chǎn)物時，還可以按照優(yōu)化方案進行基質(zhì)流加流量的控制，此時要預先通過實驗確定比生長速率與基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物比生成速率與細胞比生長速率的具體函數(shù)關系式，進而再運用最優(yōu)化方法確定最優(yōu)流量變化規(guī)律。 反饋控制可分為間接控制流加法和直接控制流加法。前者是以既重要又可檢測的參數(shù)，如 pH、 [DO]、 qCO以及濁度等作為控制指標的；后者則是通過連續(xù)或間斷地測定培養(yǎng)液中的流加基質(zhì)的濃度作為指標進行控制的。 無反饋控制與反饋控制示意圖見圖 532。 來自 庫下載 圖 533 半分批微生物反應操作的控制方法 來自 庫下載 在進行操作時，當培養(yǎng)液體積大到一定程度后就須從反應器中放 出進行后處理。這時若不放出全部培養(yǎng)液而僅放出一部分，然后繼續(xù) 進行流加操作，如此反復進行，稱為重復流加操作。據(jù)分析，實行重 復流加操作時產(chǎn)物的生產(chǎn)率和反應器利用率都有顯著提高。 重復流加操作的主要特點是過程的參數(shù)將周期性地發(fā)生變化。 反應分離耦合技術 —— 膜透析 在生化反應中，通過對細胞的大規(guī)模培養(yǎng)，一般都希望能使某一代謝產(chǎn)物大量積累，以至大大超過細胞的正常生理濃度，這樣勢必會對細胞的活性產(chǎn)生抑制作用。也正是由于這種抑制作用，使生化反應一般只能在稀溶液中進行，從而增加了產(chǎn)物分離的困難和能耗，也使反應速率下降，限制了生產(chǎn)效率的提高。因此，若能及時將產(chǎn)物從反應體系中加以分離，就可以消除產(chǎn)物對生化反應的抑制，從而使生化反應能在較高的基質(zhì)濃度和較快的速度下進行。如果方法選擇得當，還可簡化分離過程，降低分離過程的費用與能耗。 來自 庫下載 生化反應與產(chǎn)物分離耦合過程一般有兩種類型，一種是在生化反應器內(nèi)，通過反應介質(zhì)與分離劑直接接觸，使反應產(chǎn)物部分地通過分配轉移到分離劑中，從而使反應介質(zhì)中產(chǎn)物濃度降低，消除產(chǎn)物的抑制作用。另一種是將反應器中的反應介質(zhì)引到外部的分離器中，使產(chǎn)物得到分離，并將分離產(chǎn)物后的介質(zhì)循環(huán)回生化反應器。前一種方法比較簡單，可在原生化反應器中進行，但由于分離劑與細胞等直接接觸，因此分離劑必須是生物兼容的。后一種雖然過程復雜一些，但分離劑不與細胞直接接觸，而且也有利于產(chǎn)物的進一步分離和提純。當前研究開發(fā)較多的有生化反應與吸附、萃取、氣提和膜分離等分離方法的耦合過程。而膜在生化反應中的功能又有超濾、滲透蒸發(fā)、膜萃取和透析等。 耦合過程是一種集成式單元操作，其生物反應器具有特殊的結構，在選擇具體方式時，必須考慮產(chǎn)物的特性及具體的生化化反應體系，才能做出合理的選型和設計。 來自 庫下載 圖 540 典型的膜透析裝置