【導(dǎo)讀】備．可從多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行分類。反應(yīng)器和細(xì)胞生化反應(yīng)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(zhǎng)徑比)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同?；蚍Q為能量方程；③描述壓力變化的動(dòng)量衡算式；量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。)④反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。由于因變量與時(shí)間無(wú)關(guān)，因。過(guò)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(jìn)行衡算。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。根據(jù)式(5—1)，對(duì)間歇操作的攪拌。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)。應(yīng)，此時(shí)tr將隨Cs0/Km值成比例增加。<<Km時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散有效因子η與。轉(zhuǎn)化率Xs的大小無(wú)關(guān)，η可作常數(shù)處理。

　　

【正文】 相關(guān)。 來(lái)自 庫(kù)下載 圖 526 基本反應(yīng)器的濃度分布圖 來(lái)自 庫(kù)下載 ① 達(dá)到同一轉(zhuǎn)化率時(shí)， CSTR所需體積要比 CPFR所需體積大，或需要更多的酶。并且轉(zhuǎn)化率愈高，兩者比值愈大，這表明，轉(zhuǎn)化率愈高，返混對(duì)反應(yīng)影響程度愈大。 ②隨著是 Km／ Cs。值從零到無(wú)窮大，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系由零級(jí)升為一級(jí)，兩種反應(yīng)器之體積比隨之增大，這表明，隨著反應(yīng)級(jí)數(shù)提高，返混的影響程度亦在增大。 ③ 對(duì)底物有抑制的酶催化反應(yīng)。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(qiáng)烈，此時(shí)顯然采用 CSTR更為有利。 ④ 如果為產(chǎn)物抑制的酶催化反應(yīng)，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(shí)顯然采用 CPFR更為有利。 來(lái)自 庫(kù)下載 圖 530 不同動(dòng)力學(xué)時(shí) CPFR的救佳加料方式 (a)圖表示的是無(wú)抑制情況，為了保證CPFB正常連續(xù)操作，使細(xì)胞循環(huán)回到反應(yīng)器入口。并可提高細(xì)胞生長(zhǎng)速率。 (b)圖表示的是基質(zhì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)有抑制的情況，為了減少基質(zhì)抑制，沿CPFR軸向位置實(shí)施多點(diǎn)加料，以便反應(yīng)器維持在盡可能低的基質(zhì)濃度，以減少其抑制作用。 (c)因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物有抑制時(shí)的情況，為了減少產(chǎn)物抑制，應(yīng)及時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)物排出反應(yīng)器以外，降低反應(yīng)器中產(chǎn)物濃度。 (d)因?yàn)榛|(zhì)和產(chǎn)物均對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)有抑制時(shí)的情況，故沿反應(yīng)器軸向?qū)嵤┒帱c(diǎn)加入基質(zhì)和多點(diǎn)排出產(chǎn)物的措施以減少其抑制作用。 來(lái)自 庫(kù)下載 各種應(yīng)動(dòng)力學(xué)可歸納為三種情況： 第一種動(dòng)力學(xué)是濃度與速率的關(guān)系為單調(diào)上升的關(guān)系，即隨著反 應(yīng)組分濃度的增加，反應(yīng)速率亦增加，濃度下降，速率亦下降，這是 簡(jiǎn)單酶催化反應(yīng)和很多化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)此種反應(yīng)動(dòng)力學(xué)采 用 CPFR有利。 第二種動(dòng)力學(xué)是反應(yīng)組分濃度與速率系單調(diào)下降的關(guān)系，即隨著 組分濃度的升高，反應(yīng)速率在下降。這種情況比較少見(jiàn)，它僅出現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中反應(yīng)級(jí)數(shù)為負(fù)值的情況。對(duì)此種動(dòng)力學(xué)采用 CSTR 有利于減少所需要的體積。 第三種動(dòng)力學(xué)即為隨著濃度的變化反應(yīng)速率有最大值的情況，一 般出現(xiàn)在細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程、自催化反應(yīng)過(guò)程。此時(shí)采用 CSTR與 CPFR 相串聯(lián)的形式有利于減少反應(yīng)器體積。 上述三種動(dòng)力學(xué)情況分別表示在圖 531中的曲線 1． 2． 3。 來(lái)自 庫(kù)下載 圖 531 不同的 ri－ Ci的動(dòng)力學(xué)關(guān)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(yīng)速率為最大、所需反應(yīng)器為最小的角度來(lái)考慮反應(yīng)器的選擇。而實(shí)際上選用何種反應(yīng)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(yīng)中，某些次級(jí)代謝產(chǎn)物的生成速率 rP達(dá)到最大值時(shí)所需要的時(shí)間要比細(xì)胞生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值時(shí)延遲某一時(shí)間 tM(見(jiàn)圖 532)，如果為了追求最大的 rP值，在連續(xù)操作的反應(yīng)器中則必須保持 t＝ tM 來(lái)自 庫(kù)下載 的條件，即細(xì)胞在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間必須等于細(xì)胞的成熟時(shí)間加。 對(duì) CSTR，由于返混的作用，將使一部分細(xì)胞在反應(yīng)器中停留時(shí)間要小于 tM ，因而這一部分細(xì)胞對(duì)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物沒(méi)有做出貢獻(xiàn)，而只有另外一部分細(xì)胞由于其 t＞ tM才能生成代謝產(chǎn)物。而對(duì) CPFR，由于無(wú)返混存在，所有細(xì)胞在反應(yīng)器的停留時(shí)間皆可控制在 t＝ tM的水平上，可使代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率達(dá)到最好的結(jié)果。 還有一些次級(jí)代謝產(chǎn)物，如青霉素，在反應(yīng)器停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(yīng)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(lái)自 庫(kù)下載 半間歇操作的攪拌槽式反應(yīng)器 (SCSTR) 流加操作技術(shù)；反應(yīng)分離耦合技術(shù) 流加操作反應(yīng)器 所謂流加操作是指在反應(yīng)過(guò)程中不斷向反應(yīng)器內(nèi)加入基質(zhì)、但又不同時(shí)取出培養(yǎng)液的操作方法。如果在上述流加操作過(guò)程中，每隔一定時(shí)間將發(fā)酵液取出一部分，然后繼續(xù)進(jìn)行上述流加操作，并且將上述操作過(guò)程不斷重復(fù)下去，這種流加操作又稱為重復(fù)流加操作。 流加操作的一個(gè)主要特點(diǎn)是在反應(yīng)進(jìn)行的過(guò)程中，反應(yīng)器內(nèi)物料所占有的體積是在變化的，反應(yīng)器是在變?nèi)菹逻M(jìn)行操作，并且仍然假設(shè)該反應(yīng)器內(nèi)的物料達(dá)到了最大程度的返混，反應(yīng)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(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用；實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高密度培養(yǎng)。 來(lái)自 庫(kù)下載 常用的衡算模型有： ? ?? ?? ?? ?? ?? ? ? ?VdtdVCVkCVqdtCVdCVqV C sdtCsVdCVdtCVdRXRPXRPPRXRsRXRXR??????0?(5212) (5213) (5214) (5215) 如何實(shí)施流加操作呢 ?主要分為兩大類，一類是無(wú)反饋控制，另 一類是反饋控制。 無(wú)反饋控制是指加入基質(zhì)的流量按預(yù)先設(shè)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(diǎn)是能保持細(xì)胞線性生長(zhǎng)。 來(lái)自 庫(kù)下載 線性生長(zhǎng)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(wú)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(shí)間的指數(shù)函數(shù)增加，這樣保證細(xì)胞的生長(zhǎng)對(duì)時(shí)間是以指數(shù)函數(shù)增加。實(shí)行指數(shù)流加法可保證基質(zhì)濃度在培養(yǎng)過(guò)程中恒定不變，同時(shí)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(shí)，還可以按照優(yōu)化方案進(jìn)行基質(zhì)流加流量的控制，此時(shí)要預(yù)先通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度和代謝產(chǎn)物比生成速率與細(xì)胞比生長(zhǎng)速率的具體函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而再運(yùn)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(cè)的參數(shù)，如 pH、 [DO]、 qCO以及濁度等作為控制指標(biāo)的；后者則是通過(guò)連續(xù)或間斷地測(cè)定培養(yǎng)液中的流加基質(zhì)的濃度作為指標(biāo)進(jìn)行控制的。 無(wú)反饋控制與反饋控制示意圖見(jiàn)圖 532。 來(lái)自 庫(kù)下載 圖 533 半分批微生物反應(yīng)操作的控制方法 來(lái)自 庫(kù)下載 在進(jìn)行操作時(shí)，當(dāng)培養(yǎng)液體積大到一定程度后就須從反應(yīng)器中放 出進(jìn)行后處理。這時(shí)若不放出全部培養(yǎng)液而僅放出一部分，然后繼續(xù) 進(jìn)行流加操作，如此反復(fù)進(jìn)行，稱為重復(fù)流加操作。據(jù)分析，實(shí)行重 復(fù)流加操作時(shí)產(chǎn)物的生產(chǎn)率和反應(yīng)器利用率都有顯著提高。 重復(fù)流加操作的主要特點(diǎn)是過(guò)程的參數(shù)將周期性地發(fā)生變化。 反應(yīng)分離耦合技術(shù) —— 膜透析 在生化反應(yīng)中，通過(guò)對(duì)細(xì)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(guò)細(xì)胞的正常生理濃度，這樣勢(shì)必會(huì)對(duì)細(xì)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(yīng)一般只能在稀溶液中進(jìn)行，從而增加了產(chǎn)物分離的困難和能耗，也使反應(yīng)速率下降，限制了生產(chǎn)效率的提高。因此，若能及時(shí)將產(chǎn)物從反應(yīng)體系中加以分離，就可以消除產(chǎn)物對(duì)生化反應(yīng)的抑制，從而使生化反應(yīng)能在較高的基質(zhì)濃度和較快的速度下進(jìn)行。如果方法選擇得當(dāng)，還可簡(jiǎn)化分離過(guò)程，降低分離過(guò)程的費(fèi)用與能耗。 來(lái)自 庫(kù)下載 生化反應(yīng)與產(chǎn)物分離耦合過(guò)程一般有兩種類型，一種是在生化反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)反應(yīng)介質(zhì)與分離劑直接接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物部分地通過(guò)分配轉(zhuǎn)移到分離劑中，從而使反應(yīng)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(yīng)器中的反應(yīng)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(yīng)器。前一種方法比較簡(jiǎn)單，可在原生化反應(yīng)器中進(jìn)行，但由于分離劑與細(xì)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(guò)程復(fù)雜一些，但分離劑不與細(xì)胞直接接觸，而且也有利于產(chǎn)物的進(jìn)一步分離和提純。當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)較多的有生化反應(yīng)與吸附、萃取、氣提和膜分離等分離方法的耦合過(guò)程。而膜在生化反應(yīng)中的功能又有超濾、滲透蒸發(fā)、膜萃取和透析等。 耦合過(guò)程是一種集成式單元操作，其生物反應(yīng)器具有特殊的結(jié)構(gòu)，在選擇具體方式時(shí)，必須考慮產(chǎn)物的特性及具體的生化化反應(yīng)體系，才能做出合理的選型和設(shè)計(jì)。 來(lái)自 庫(kù)下載 圖 540 典型的膜透析裝置