第七章生物反應(yīng)器-在線瀏覽
2024-09-11 12:49本頁面
【正文】 ℃ ），如管壁較薄，對冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時， K值為 3300～ 4200kJ/（ m2℃ ）。但在氣溫較底的地區(qū)，采用地下水冷卻，冷卻面積較小， 1m3發(fā)酵液的冷卻面積為 1m2。 酶反應(yīng)器 ? 形式名稱 操作方式 說明 單相系統(tǒng)酶反應(yīng)器 攪拌罐 （ stirred tank） 分批 、 流加 靠機(jī)械攪拌混合 超 濾 膜 反 應(yīng) 器（ ultrafiltration） 分批 、 流加或連續(xù) 適用于高分子底物 多相系統(tǒng)酶反應(yīng)器 攪拌罐 分批 、 流加或連續(xù) 靠機(jī)械攪拌混合 固定床 （ fixed bed）填充床 (packed bed） 連續(xù) 適用于固定化酶或微生物的反應(yīng)中 流 化 床 （ fluidized bed） 分批 、 連續(xù) 靠溶液的流動而混合 膜式 （ film） 反應(yīng)器 。當(dāng)副反應(yīng)不可忽視時，選擇性 Sp也是很重要的參數(shù)。 分批式攪拌罐 （ Batch stirred tank reactor， BSTR） 中 ，所有物料的停留時間是相同的 ， 且等于反應(yīng)時間；CPFR中兩者也是一致的 。 如果反應(yīng)器的容積為 V， 物料流入反應(yīng)器中的體積流量為 F， 平均停留時間 τ的定義式為： （ 79） τ 又稱空時（空間時間 space time），其倒數(shù) 1／ τ 稱為空速（空間速度 space velocity）。 分批式操作中 ， 底物的初始濃度為 S0， 反應(yīng)時間 t時的底物濃度為 St，此時 ， 底物 S的轉(zhuǎn)化率為： （ 710） 連續(xù)式操作中 ， 流入反應(yīng)器內(nèi)的底物濃度為 Sin，流出液中底物的濃度為 Sout， 此時轉(zhuǎn)化率 : （ 711） ??00SSS t???inoutinSSS ???三、生產(chǎn)能力 Pr 反應(yīng)器生產(chǎn)能力 Pr（ productivity） 的定義是單位時間 、 單位反應(yīng)器體積內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)物量 。 連續(xù)式操作中 ， （ 713） 式中 Pout為單位體積流出液中的產(chǎn)物量 。 由底物 S生成目的產(chǎn)物 P的選擇性 Sp為： （ 714） Sp表明了整個反應(yīng)的平均選擇性 。 由于在反應(yīng)的各階段或反應(yīng)器內(nèi)不同位置的選擇性并非一致 ， 因此 ， 瞬時 （ 或局部 ） 選擇性為： （ 715） 式中 rp為主反應(yīng)速率； rs為副反應(yīng)速率 。酶反應(yīng)器的選擇 游離酶反應(yīng)器的選擇 ， 完全可以采用表 （ 72）一般生物反應(yīng)器的選擇要求來進(jìn)行 。 理想的酶反應(yīng)器 ? 一、 CPFR型酶反應(yīng)器 也稱為活塞流式反應(yīng)器或平推流式反應(yīng)器 。 對 CPFR進(jìn)行物料衡算 圖 71 活塞流式反應(yīng)器物料恒算示意圖 沿反應(yīng)器軸向任意切出長度為 dl的一個微元管段作為反應(yīng)器微元，該微元的體積記為 dV=A穩(wěn)定狀態(tài)下，以一級反應(yīng)為例，取底物 S作為著眼組分進(jìn)行物料衡算得（單位時間內(nèi)）： 流入量＝ 流出量 ＋ 反應(yīng)量 ＋ 積累量 FS (F+dF)(S+dS) rsdV 0 由于 dF＝ 0， F0＝ F＝ Ff， 所以 （ 717） 以邊界條件進(jìn)行積分 ， 得 （ 718） 式中： S為底物濃度 mol／ m3； F為以體積計的物料進(jìn)料流率 m3／ s； A為反應(yīng)器橫截面積 m2； L為反應(yīng)器長度 m； τ 為停留時間 s； k為一級反應(yīng)速率常數(shù) 。 kSS )/l n ( 0??? ??? srds?m a x00m a xln r SSSSrKFVAF L m ?????????????????????? ?????? ?? 020 )1l n( EkXKS outmoutout?二、 CSTR型酶反應(yīng)器 穩(wěn)定狀態(tài)下 ， CSTR型反應(yīng)器內(nèi)各處的濃度和溫度均不隨空間位置和時間而變化 ， 因而反應(yīng)器內(nèi)各處的反應(yīng)速率相等 。 由圖可知 ， 在相同的工藝條件下進(jìn)行同一反應(yīng) ， 達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時 ， 兩者所需的停留時間不同 ， CSTR型的比 CPFR型反應(yīng)器的要長 ， 也就是前者所需的反應(yīng)器體積比后者大 。 最終轉(zhuǎn)化率越高 ， 兩者的差距越大 。 二、酶需求量的比較 當(dāng) KmS0時 ， 反應(yīng)速率可用一級動力學(xué)來描述 ， 于是 ， （ 728） 式和 （ 722） 式可簡化成如下式子 。 CSTR中所需酶的量 ECSTR與 CPFR中所需的量ECPFR之比 ， 可從上式求得 。 另外 ， 比值還依賴于反應(yīng)級數(shù) ，一級反應(yīng)時其比值最大 ， 0級反應(yīng)時其比值最小 。 所以 ， 可根據(jù)所需轉(zhuǎn)化率來選擇反應(yīng)器的類型 ， 或確定它們所需酶的相對量 。 酶活力的喪失可近似用一級動力學(xué)關(guān)系來描述 ，即 （ 732） 式中： E為反應(yīng)器中的有效酶濃度； Kd為酶的衰退常數(shù)； t為操作時間 。 ? CSTR: （ 733） ? CPFR： （ 734） 式中，與分別是 t=0和 t=t時的轉(zhuǎn)化率。但如果反應(yīng)從 0級增至一級，那么，兩種反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率下降的差別就變得明顯。但是，如上所述，在某些場合，操作條件相同，要得到同樣的轉(zhuǎn)化率， CSTR所需酶的數(shù)量遠(yuǎn)大于 CPFR所需的量。 由圖可知 ， 在 CPFR中 ， 雖然出口端濃度較低 ， 但在進(jìn)口端 ，底物濃度較高； CSTR中底物總處于低濃度范圍 。 圖 75 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備 機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐 ， 是指既具有機(jī)械攪拌又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐（ 見圖 79） ， 目前最大的通用式發(fā)酵罐容積約為 480m3。 幾何尺寸與操作條件范圍 典型數(shù)值 奧地利某公司 200m3 美國某公司130m3 日本某公司50m3 中國某味精廠100m3 H/D=1～ 4 3 1?83 Di/D=1/2～ 1/4 1/3 — W/D=1/8～ 1/12 1/10 [1] [1] [2] B/ Di =～ — — 攪拌 轉(zhuǎn)速 N=30～ 1000 (r/min) 90～ 130 70～ 130 145 150 單位醪液體積的冷卻面積 ～ (m2/m3) 攪拌器層數(shù) 4層 4層 2層 3層 通 風(fēng) 量 ～ 4
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