• 反应与萃取相耦合
4.7连续操作生物反应器的动态特性
• 4.7.1 环境阶跃变化时CSTR的动态响应 • 4.7.2 CSTR的稳定性分析 • 4.7.3 混合种群培养时CSTR的动态特性
C S1 C S 2 2 Y X / S D( ) CX 2
2 ( max D)C S 2 ( max C S 0 2 KS D2 KS D2 K S D)C S 2 0 max D max D
两级CSTR串联的参数变化曲线
作图估计多级CSTR串联参数
XS rmax m C S 0 X S K m 1 X S
XS rmax m (1 L ) C S 0 X S K m 1 X S
4.3.3 细胞反应
• 对细胞进行物料衡算
d (VR C X ) dCX V0 C X 0 V0 C X VR ( ) 生长 dt dt
4.4.3 CPFR与CSTR串联
4.4.4 带细胞循环的CPFR
• 最佳进口浓度的确定
• 存在底物和产物抑制时的CPFR最佳加料出料方式
4.5 流加操作反应过程模拟（FBC） 流加操作=补料分批操作
• 流加操作：是半分批操作中比较重要的一种。其核心是控制底物的浓 度。其关键是流加什么物质和流加方式。
机械搅拌罐
气升式
• 把无菌空气通过喷嘴或喷 孔喷射进发酵液中， • 通过气液混合物的湍流作 用而使空气泡分割细碎， • 由于形成的气液混合物密 度降低故向上运动，而气 含率小的发酵液则下沉， 形成循环流动，实现混合 与溶氧传质
自吸式
• 转子内部液体被甩出，形 成负压
• 按反应器内流动与混 合状态分（返混：具 有不同停留时间的物 料之间的混合）
KS D KS CS max D max m 1
C X YX / S (C S 0 C S ) YX / S (C S 0
KS D ) max D
CP YP / S (CS 0 CS )
临界稀释率DC
maxC S 0
K S CS 0
二、反应器有效容积的确定
• 要求反应器在单位时间内所应处理的物料 体积为V0
VR V0 t V0 (t r t b )
• 要求反应器在单位时间内得到的产物的量 为Pr
Pr VR (t r t b ) YP / S C S 0 X S
三、间歇反应过程的优化
• 产率：单位时间产物的产量
理想流动反应器（活 塞流、全混流） 非理想流动反应器（ 槽列模型、一维扩散 模型、组合模型）
反应器设计基本方程
• 物料衡算式 基质 产物 细胞 • 能量衡算式
操作参数 共5个。 停留时间 --空速 转化率 生产率 选择性 收率
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器
（BSTR）Batch Stirred Tank Reactor
4.3.1 连续操作的特点
• 原料连续输入，产物连续流出
– 组成不随时间、位置变化 – 返混最大 – 稳态操作
– 容易受到杂菌污染 – 容易发生菌种退化变异
4.3.2 酶催化反应
CS 0 X S CS 0 CS VR m V0 rS rS
• 均相酶催化反应 • 固定化酶催化反应
第四章 生物反应器的操作催化剂分 酶反应器 细胞反应器 间歇操作 连续操作 补料（流加）操作
• 按操作方式分
• 按结构分（高径比）
釜式（槽式） 管式
• 按能量的输入方式分
搅拌式 气升式 自吸式 喷射式
DC
优化操作
要求细胞产率（单位时间单位发酵罐体积的细胞产量）最大
PX D C X
KS D PX D YX / S (C S0 ) max D
Dopt KS max [1 ] K S C S0
4.3.4 带循环的CSTR
Vr 物料循环比R V0
C Xr 浓缩倍数 CX1
CPFR与CSTR、BSTR的比较
反应器有效容积的比较
• 相同反应条件下达到相同转化率所需反应 器体积
Km XS XS ( ) CS 0 1 X S Km 1 XS ln CS 0 1 X S
VR ,CSTR VR ,CPFR
• 游离酶催化反应 • 产物抑制 • 底物抑制 • 优化

(C S 0
YX / S CS ) (C S 0 C S ) W
CP1 YP / S (CS 0 CS1 )
临界稀释率
DCr 1 max C S 0 W K S CS 0
DCr
1 D W
单级和带循环CSTR的比较
• 稀释率 • 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度 • 临界稀释率
一、反应时间tr的计算
• 物料衡算式（对基质） • 通式 均相酶催化反应 固定化酶催化反应
X S dX dC S S t r CS 0 CS 0 r 0 rS S CS
rmax t r (1
1 L
L
CS 0 1 ) K m ln K m ln CS 1 X S
VR C P FP t r tb
四、反复分批操作
4.3连续操作的搅拌槽式反应器 （CSTR）
连续搅拌釜式反应器,是化学工业中最先应用于连续生产的 一种反应设备。虽然在型式和结构上,二者基本上是相同的, 由于操作方式的改变,节省了大量的辅助操作时间,使得反应 器的生产能力得到充分的发挥;同时,也大大地减轻了体力劳 动强度,容易全面地实现机械化和自动化;在很多场合,也降低 了原材料和能量的损耗。因此,在化学工业中,连续搅拌釜式 反应器迄今仍然是应用得最广泛的反应器型式之一。连续搅 拌釜式反应器除了具有一般连续设备的优点外,还有它本身 的特点。由于强烈的机械搅拌作用,反应器中的物料得到了 充分接触,这对于化学反应或传热来说,都是十分有利的。此 外,这种反应器的操作稳定,适用范围较广,容易放大,也是其 它类型连续反应器所不及的。
连续操作管式流动反应器的特点
• L>>D • 相同方向，相同速度 • 轴向速率相同，无返混 • 停留时间相同 • 垂直截面上浓度均一且不随时间变化 • 浓度是位置L的函数
对基质物料衡算
FS ( FS dFS ) dVR rS 0
V0 dCS rS dVR
dC S VR P V0 rS
• 流加操作可分为：反馈控制、无反馈控制流加2种。 • 前者包括：恒速流加、变速流加、间歇流加、指数流加。 • 后者包括：溶氧恒定、pH恒定、基于CO2释放速率和细胞浓度的间 接反馈控制、基于底物浓度的直接反馈控制。
无反馈流加和反馈流加
恒速流加：恒定的速率加入底物 变速流加：细胞浓度较高时，供应较多底物 间歇流加：间隙性地补加限制性底物 指数流加：保证细胞呈指数增加，即：在整个细胞培养期间，限制性底 物的补入速率与细胞的生长成比例增加。 反复流加：随着流加的进行，翻反应器中反应液的体积不断增大，达到 一定程度后，可将部分反应液从反应器中排出，剩余部分继续进行流 加。如此反复进行。
4.4 连续操作的管式反应器 （CPFR）
一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长， 如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也 可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填 充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床 反应器。 几个概念：活塞流模型、平推流模型、全混流模型
4.6 反应－分离耦合操作模型
• 反应与透析相耦合
• 反应与过滤相耦合 • 灌流培养：是把细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物 形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时又连续不断地灌注 新的培养基。 • 1.细胞截流系统可使细胞或酶保留在反应器内，维持较高的细胞密度 ，一般可达10-10Cells/mL，从而较大的提高了产品的产量； • 2.连续灌流系统，使细胞稳定的处在较好的的营养环境中，有害代谢 废物浓度积累较低； • 3.反应速率容易控制，培养周期较长，可提高生产率，目标产品回收 率高； • 4.产品在罐内停留时间短，可及时回收到低温下保存，有利于保持产 品的活性。
一级反应
• 球状固定化酶
1 K m ln 1 X S rmax (1 L ) P 1 1 1 [ ] tan(3 ) 3
• 膜状固定化酶
1 K m ln 1 X S rmax (1 L ) P tanh( )

CPFR和CSTR、BSTR的比较
• 浓度曲线的比较 • 反应方程式的比较 • 反应器有效容积的比较
对细胞进行物料衡算
V0 C X 0 Vr C Xr VR rX (V0 Vr )C X 1

1 R R
D


W
DW
• 基质浓度 • 细胞浓度 • 产物浓度
maxC S
K S CS
K S DW CS max DW
D
C X YX / S
CSTR与膜过滤组合
废水生物处理系统
4.3.5 多级CSTR串联
单流多级的前提条件
• 1）一股进料，稳态操作； • 2）各个CSTR体积相等； • 3）每一个反应器内为全混流，各个反应器 之间没有返混； • 4）各个反应器的操作条件相同，得率系数 为常数。
二级CSTR串联
CX1 2 D(1 ) CX 2
CPFR
CSTR
4.4.2 酶催化反应
CS 0 1 rmax P K m ln C S 0 C S K m ln CS 0 X S CS 1 X S
1 P 1 L
dC S rS