第六章 连续操作反应器Word

　　6 连续式操作反应器6.1 概述6.1.1 连续操作的特点

　　连续操作在以下各点表现其优越性： 连续操作有利于过程的研究和分析； 对连续反应可进行高效的过程控制； 连续操作的产品质量稳定； 连续操作的生产效率较高。连续操作也存在一些缺点。 它对细胞生长时同步产生的代谢副产物的生成不能控制； 操作周期过长，容易受到杂菌污染； 需要使用费用较高的检测手段和控制设备等。

　　6.1.2 理想流动反应器的模型方程 根据连续操作反应器中物料的流动情况， 可建立两种理想流动反应器模型，即全混 流反应器(CSTR)和平推流反应器(CPFR)。 前者是连续操作的机械搅拌槽式反应器的 理想模型。 后者的实际反应器型式有连续操作的管式 反应器、管式固定床反应器和气体搅拌的 塔式反应器等。

　　假定CSTR中进行等温均相反应，反应器有效体积恒定不变，基

　　本设计方程为流入速率=流出速率十反应消耗速率十累积量 对底物s的物料衡算式为

　　6.2 连续操作搅拌槽式反应器(CSTR)6.1.1 酶反应时的单级SCTR

　　如果为固定化酶反应，由于有液固两相和内扩散的影响存在，底物的物 料平衡式为:

　　6.2.2 细胞反应时的单级CSTR6.2.2.1 单级CSTR的通用衡算模型

　　对单级CSTR的连续培养，假定培养液混合均匀，则通用衡算方程为细胞：累积=流入+生长-流出(=流入-流出+生长) 底物：累积=流入-消耗-流出(=流入-流出-消耗) 产物：累积=流入+生成-流出(=流入-流出+生成) 因此有以下衡算方程组：

　　d (cxVR ) V0 (cx 0 cx ) rxVR dt d (cSVR ) V0 (cS 0 cS ) rSVR dt d (cPVR ) V0 (cP 0 cP ) rPVR dt

　　连续培养在稳定态操作时一般体积不发生变化,即

　　dV R 0 dt于是上述各式可变为

　　dcx D(cx 0 cx ) rx dt dcS D(cS 0 cS ) rS dt dcP D(cP 0 cP ) rP dt

　　6.2.2.2 简单反应时CSTR的操作特性

　　dc x ( D )c x dt

　　当稳态时 dcx 0 dt ( D)c x 0 D max cS K S cS

　　Ks D cS max D c X YX / S (cS 0 cS ) Ks D c X YX / S (cS 0 ) max D

　　对有些CSTR的细胞连续培养，过程优化的目标函数为 单位时间单位体积的细胞产量Px最大，Px一般称为细 胞产率。

　　Ks D PX DcX DYX / S (cS 0 ) max D dPX 0 dD Dopt Ks max (1 ) K s cS 0

　　此时反应器中细胞质量浓度为

　　c X ,opt YX / S cS 0 K S K S cS 0 K S ( p X ) max Doptc X ,opt YX / S max

　　c

　　S0

　　KS KS

　　2

　　DCri max

　　cS 0 K S cS 0

　　如果cs0KS,则： Dc≈Dopt ≈μmax cX,opt ≈YX/SCS0 (Px)max ≈ DcYX/SCS0

　　归纳起来.对Monod动力学的恒化器有

　　下述关系:cS 0 D max 1 YX / S cX 1 YX / S cX 1 YX / S cX

　　max

　　cS K S cS 1 YX / S cX

　　K S cS 0

　　cS cS 0

　　max cS 0

　　1 YX / S

　　cX K S D D max D

　　由上式可求得为达到一定的细胞浓度cX所要求加入培养基中的底物浓度cS0

　　平均停留时间τm为：

　　d (cSVR ) V0 (cS 0 cS ) rSVR 0 dt 1 VR cS 0 cS (cS 0 cS )YX / S ( K S cS ) m D V0 rS maxcS c X

　　6.2.2.3 底物抑制时的操作特性

　　Dc max

　　cS 0 cS 0 KS 1 K SI

　　cS 0

　　6.2.2.4 产物生成与抑制时的操作特性 对培养过程中的产物生成、可由对产物的质量平衡进行衡算，即

　　dc P V0 cP 0 rPVR V0 cP VR dt一般情况下，cp0=0,在稳定态时，

　　V0 rP cP DcP VR rP 1 qP c X cP YP / X c X D D D KS D 或cP YP / S (cS 0 cS ) YP / S cS 0 max D

　　6.2.2.5 考虑维持代谢或死亡的操作特性

　　dcx D(cx 0 cx ) rx dt dcx D(cx 0 cx ) ( kd )cx dt dcx Dcx 0 ( k d D)cx dt

　　c x 0 0, 稳态, 则： ( k d D)c x 0 D kd 或 k d D

　　对底物衡算式为

　　在稳态条件下

　　max

　　cS K S ( D kd ) cS K S cS max kd

　　YX / S D cX D kd m YX / S

　　K S ( D kd ) cS 0 max kd

　　6.2.2.6 固定化细胞培养时的操作特性

　　6.2.3 带细胞循环的单级CSTR