第五章 间歇式操作反应器.ppt

化学与生命科学学院 第5章间歇式操作反应器 生化工程电子教案 2020 2 20 生化反应器设计概论 间歇式操作反应器的设计 BSTR 第5章间歇式操作反应器 氧的传递特性 机械搅拌反应器的结构与计算 反应过程的流体力学 反应过程的传热特性 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 1 生化反应器 利用生物催化剂进行生化反应的设备 回顾一下 生化反应器中可进行的反应类型 再想想 反应器可采取的操作方式 2 研究反应器的目的 研究生化反应器的基本反应规律 研究生化反应器的基本传递规律 研究生化反应器的设计内容及方法 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 1生化反应器的分类 生化反应器可从不同角度分类 1 按催化剂类型分类 酶反应器 细胞生化反应器上述两类反应有什么区别 酶反应器相对比较简单 酶促反应与一般的化学催化反应相同 在反应的过程中酶本身无变化 细胞生化反应器相对比较复杂 因涉及到避免外界各种杂菌污染 有适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要求 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 1生化反应器的分类 生化反应器可从不同角度分类 2 按操作方式分类 间歇反应器 分批操作反应器 底物一次加入反应器 在反应过程中无底物和产物的输入和输出 底物和产物的浓度随反应时间变化 连续反应器 底物等连续输入反应器产物连续从反应器输出 反应器的任何部位的各组分均不随反应时间变化 稳定态 半间歇反应器 半连续反应器在一次反应的过程中 底物分次补入的操作 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 1生化反应器的分类 生化反应器可从不同角度分类 2 按反应器结构分类有釜式 管式 塔式 膜式等反应器3 按反应体系的相态分类均相反应器 非均相反应器4 根据催化剂在反应器的分布方式分类生物团块 包括细胞 絮状物 菌丝体 反应器 生物膜反应器 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 Batchoperation Continuous 返混 将不同停留时间的物料之间的混合 重要概念 Packedbed 全混流 完全返混 理想流动模型 全混 活塞流 与非理想流动模型 活塞流 完全无返混 在反应器内反应液象活塞样流动 活塞流反应器内的物料停留时间一致 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 间歇全混型反应器 batchstirred tankreactor BSTR 连续全混型反应器 continuousstirred tankreactor CSTR 活塞流反应器 plugflowreactor PFR 5 1 1生化反应器的分类 5 按流动方式分类 全混型反应器 活塞流反应器 间歇全混型反应器 连续全混型反应器 这是两类典型的理想反应器 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 Batchoperation Continuous Multi cascadereactor Fluidflowbed Stirvessel super filterintegrationset Multi cascadesemi operation Loopflowreactor Coilmembranereactor Packedbed Cycleimmobilizedbed Pipingimmobilizedbed 常见反应器类型 2020 2 20 反应器计算的基本内容选择合适的反应器型式根据生物催化剂和生物反应动力学特性 如反应过程的浓度效应 温度效应及反应的热效应 结合反应器的流动特征和传递特性 如反应器的返混程度 选择合适的反应器 以满足反应过程的需要 使反应结果最优 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 2生化反应器的基本设计方程 2020 2 20 确定最佳操作条件与控制方式操作条件 如反应器的进口物料配比 流量 温度 压力和最终转化率等工艺条件 直接影响反应器的反应结果 也影响反应器的生产能力 对正在运行的装置 因原料组成的改变 工艺参数调整是常有的事 现代化大型化工厂工艺参数的调整 是通过计算机集散控制完成的 计算机收到参数变化的信息 并根据已输入的数学模型和程序 计算出结果 送给相应的执行机构 完成参数的调整 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 2生化反应器的基本设计方程 反应器计算的基本内容 2020 2 20 计算完成生产任务所需的反应器体积反应器体积的确定是反应器计算的核心内容 根据所确定的操作条件 针对所选定的反应器型式 计算完成规定生产能力所需的反应器有效体积 同时由此确定反应器的结构和尺寸 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 2生化反应器的基本设计方程 反应器计算的基本内容 2020 2 20 反应器计算的基本方程包括 描述浓度变化的物料衡算式 描述温度变化的能量衡算式 描述压力变化的动量衡算式 描述反应速率变化的动力学方程式 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 2生化反应器的基本设计方程 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 5 1 2生化反应器的基本设计方程 Inputcomponents unitvolume convertedcomponents unitvolume Outputcomponents unitvolume Accumulationofcomponents unitvolume 1 Massbalance Accumulatnis0understeadystate CalculationofMassbalanceforsubstratesandproducts Growncells unitvolume Accumulatedcells unitvolume Diedcells unitvolume Outputcells unitvolume Inputcells unitvolume CalculationofMassbalanceforcells 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 2 Energybalance Heatbalance Inadefinitetime Inputheat unittime Outputheat unittime Reactionheat unittime Accumulatedheat unittime 3 MomentumbalanceItisusuallynegligibleforbioreactorsbecauseofoperationconductedunderconstantpressure 5 1 2生化反应器的基本设计方程 Inconclusion eachbalanceinthesamemodelasfollows Input output consumption accumulation 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 1 物料衡算式 5 1 2生化反应器的基本设计方程 对底物 有 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 1生化反应器设计概论 对产物 有 对细胞 有 5 1 2生化反应器的基本设计方程 2020 2 20 第5章生化反应器设计与分析 5 1生化反应器设计概论 2 能量衡算式 2020 2 20 第5章 5 2间歇式操作反应器设计 BSTR 一 BSTR的反应时间 操作时间 反应时间tr 辅助时间tb BSTR特征 在反应的过程中 无物料的输入和输出 物料的各组分的浓度在反应体系内是均一的 物料的各组分的浓度仅随反应时间变化 BSTR的底物的物料衡算式为 或 Batchoperation 式中NS 底物的质量 g或molVR BSTR的有效体积 VR 常数 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 一 BSTR的反应时间 对上式积分 B C t 0 CS CS0 t tr CS CS 反应时间为 令底物转化率 有 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 一 BSTR的反应时间 1 BSTR的均相酶促反应的反应时间 计算BSTR反应时间的通式 若酶促反应符合M M反应 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 一 BSTR的反应时间 积分得 或 当Cso Km时 当Cso Km时 1 BSTR的均相酶促反应的反应时间 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 一 BSTR的反应时间 1 BSTR的均相酶促反应的反应时间 不同转化率下间歇反应时间与Cs0 Km的关系 2020 2 20 P123例5 1 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 一 BSTR的反应时间 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 2 BSTR的固定化酶促反应的反应时间 一 BSTR的反应时间 在反应器内的反应液相占的体积分率为 L 则固定化酶相所占的体积分率为 1 L 酶促反应应该发生在固相 在考虑到载体内扩散的影响等因素有底物在BSTR中的物料衡算式 式中 内扩散的有效因子 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 只有在一级反应时 与转化率XS无关 积分有 2 BSTR的固定化酶促反应的反应时间 一 BSTR的反应时间 且在载体的体积很小时 可视为反应限制 1 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 3 BSTR的细胞反应的反应时间由于细胞反应的反应速率在培养的不同阶段的表达形式是不同的 因而对其反应时间的表达有不同的形式 比较简单的是指数生长和减速生长的所需的时间 一 BSTR的反应时间 设指数生长期所需的时间为tR1 减速生长期所需的时间为tR2 则总时间为tR tR1 tR1 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 且 则 其中 一 BSTR的反应时间 3 BSTR的细胞反应的反应时间 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 一 BSTR的反应时间 3 BSTR的细胞反应的反应时间 若指数生长期和减速期统一用下述方程表示细胞生长速率 并有 式中CS0 CX0 指数期开始时底物浓度 细胞浓度CS CX 减速期结束时底物浓度 细胞浓度 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 3 BSTR的细胞反应的反应时间 代入M M方程得 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 3 BSTR的细胞反应的反应时间 分部积分可得反应时间的计算式 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 二 BSTR的有效体积 在BSTR的操作周期为 生产时间 t tR tb式中tR 反应时间tb 辅助操作时间要求的生产能力 单位时间的产物的产量 为Pr 单位时间处理的反应液量为V0 Pr与V0的关系为 有反应器的有效体积 Cso Xs 初始浓度和最终转化率 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 例 求某间歇酶促反应的BSTR的有效体积VR 酶促反应符合M M方程该酶促反应生产的参数为 k 2 1 1 min Km 2mol L 加入的初始酶的浓度CE0 1mol L 底物的初始浓度CS0 2mol L 要求每小时生产产品1000mol 反应的转化率XS 0 8 辅助操作时间tb 10min 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 解 1 反应时间 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 2 该BSTR的有效体积 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 三 BSTR反应过程的优化 最优反应时间的确定 对生化反应 总希望以最小的费用获得最大的利益 目标函数 以产量 生产效率 利润或综合效益等 最优化的变量 在生化反应中反应结束的时间 培养基的组成 培养温度 pH值等 例如简单的酶促反应 符合M M反应 在BSTR进行 总操作时间包括反应时间和辅助操作时间 t tR tb 其中tb在某一特定的生产中为常数 以单位时间的产物量FP为目标函数进行最优化 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 则 为使得FP最大 对反应时间tR求导 并令其为0 有 得到 三 BSTR反应过程的优化 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 三 BSTR反应过程的优化 图解法 2020 2 20 第5章 5 2间歇操作搅拌槽式反应器 BSTR 三 BSTR反应过程的优化 对于均相酶反应 P125 解析法 最佳转化率求法 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 一 流变模型 剪应力F A与速度递度du dy之间的关系 2020 2 20 一 流变模型 剪应力F A与速度递度du dy之间的关系 1 牛顿型流体 气体 低分子量的液体 2 非牛顿型流体 宾汉塑性流体 剪应力小于屈服应力时 不流动 黑曲霉 产黄青霉和灰色链霉菌等丝状菌发酵液 拟塑性流体 0 n 1 K越大 流体越稠 n越小 非牛顿性越明显 如 羧甲基纤维素 黄原胶 青霉 曲霉 链霉菌的培养液 涨塑性流体 n 1 n越大 非牛顿性越明显 如 淀粉等 发酵液少见 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 2020 2 20 一 流变模型 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 2020 2 20 一 流变模型 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 流体流变特性的总表达式 幂定律方程 对牛顿型流体 对拟塑性流体 对胀塑性流体 对宾汉型流体 2020 2 20 一 流变模型 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 对非牛顿流体 用表观黏度表示 2020 2 20 二 影响发酵介质流变特性的因素 重要因素 1 浓度 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 2 形态 二 影响发酵介质流变特性的因素 对于丝状菌 多糖和胞外蛋白等分泌物都会使发酵液成非牛顿型流体 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 流体剪切作用的大小是生物反应器设计和优化的一个重要参数 三 流体的剪切作用 流体剪切作用来自于反应器内机械和气流的搅拌作用 机械搅拌的剪切力估算 气流搅拌的剪切力的估算 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 积分剪切因子 1 机械搅拌的剪切力的估算 时均切变率 Kolmogoroff漩涡长度 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 3反应过程的流体力学 2 气流搅拌的剪切力 或 P133 P134 鼓泡反应器的时均切变率主要决定于气体表观线速度 a 常数 0 5 1 0 常数 1000 5000Us 气体表观线速度 m s 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 一 氧的传递过程 图6 1氧从气泡到细胞的传递过程 氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服哪几种阻力 氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面 请分别指出这两个过程的传氧路线 问题1 问题2 细胞分散在培养液中 只能利用 氧 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 一 氧的传递过程 4 对流扩散通过液相主体 R4 2 氧从气泡侧滞流层外分子扩散至气 液界面处 阻力R2 1 氧气对流扩散至气液界面气泡侧滞流层外 阻力R1 界面处 无阻力 3 氧通过界面后 分子扩散通过液相侧滞流层 R3 5 通过细胞 团 外的滞流液膜 到达液相与细胞界面处 R5 6 通过液固界面 R6 7 细胞团内细胞之间的扩散 阻力R7 8 氧进入细胞传递到细胞内的呼吸酶位置上被利用 阻力R8 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 瓶颈在哪 一 氧的传递过程 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 1 基本定理 亨利定律 溶质在液相中的体积摩尔浓度C与其在气相中的分压p 之间存在如下关系 p C HH 溶解度系数 Pa mol m3 费克定律 JA 扩散通量 单位面积上单位时间内扩散传递的物质量 kmol m2 s 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 2 传质机理 先介绍雷诺实验 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 滞流或层流 湍流或紊流 雷诺实验演示 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 2 传质机理 层流流动传质机理仍为分子扩散 湍流流动湍流主体中流体产生大量的漩涡 引起流体质点间的剧烈混合 促进了横向 传质方向 的物质传递 流体主体的浓度分布被均化 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 3 双膜理论 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 要点 相互接触的气液两相间有一稳定的界面 界面上气液两相处于平衡状态 界面两侧分别存在两层膜 气膜和液膜 两层膜均很薄 膜内流体是滞流流动 溶质以分子扩散的方式进行传质 膜外气液相主体中 流体流动非常剧烈 溶质的浓度很均匀 传质阻力可以忽略不计 传质阻力集中在两层膜内 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 4 传质速率方程 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 N氧 G kG p pI N氧 L kL CI C NO2 KG p p 或NO2 KL C C 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 4 传质速率方程 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 稳态下 N氧 G N氧 L NO2 CI pI H C p H NO2 KL C C KL kL 氧气难溶 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 氧的传递速率总方程式 OTR KL cL cL 式中 OTR 单位体积培养液中的传氧速率 mol m3 s KL 以浓度差为推动力的总传质系数 m s 比表面积 m2 m3 KL 以浓度差为推动力的体积传递系数 s 1 cL 溶液中氧的实际浓度 mol m3 cL 与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度 mol m3 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 式中 Ro2 氧的消耗速率 mol m3 s cx 细胞质量浓度 m2 m3 qo2 氧消耗比速率 s 1 5 氧传递对细胞生长影响 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 式中 Ko2 氧的饱和系数ro2 max 氧的最大呼吸速率Da 氧传递的Damkohler数 若细胞生长符合Monod方程 在稳态下 若定义 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 6 最低溶氧浓度 最低通气条件 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 4氧的传递反应特性 二 气 液传质过程的基本定理及双膜理论 7 影响氧传质速率的因素 气液比表面积 氧的传质系数 氧在培养基中的溶解度 体积传质系数kLa 8 体积传质系数kLa的测定 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 5机械搅拌反应器的结构与计算 一 反应器结构与操作参数 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 5机械搅拌反应器的结构与计算 1 反应器的结构 筒体搅拌装置换热装置挡板消泡器电动机与变速装置空气分布器各种管道接口 2020 2 20 第5章间歇式操作反应器 5 5机械搅拌反应器的结构与计算 2 反应器的操作参数 已趋于标准化H D 1 7 3d D 1 2 1 3W D 1 8 1 12B D 0 8 1