第五章-间歇式操作反应器

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1、 化学与生命科学学院化学与生命科学学院O返回返回2021/5/23O返回返回2021/5/231 1、生化反应器？、生化反应器？利用生物催化剂进行生化反应的设备。利用生物催化剂进行生化反应的设备。 回顾一下：回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？生化反应器中可进行的反应类型？ 再想想：再想想：反应器可采取的操作方式？反应器可采取的操作方式？2 2、研究反应器的目的？、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基本传递规律 研究生化反应器的研究生化反应器的设计内容及方法设计内容及方法 O返回返回2021/5/23

2、5.1.1 生化反应器的分类生化反应器的分类（ 生化反应器可从不同角度分类）生化反应器可从不同角度分类） 1、按催化剂类型分类、按催化剂类型分类 酶反应器酶反应器 细胞生化反应器细胞生化反应器 上述两类反应有什么区别？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。O返回返回2021/5/23 5.1.1 生化反应器的分类生化反应器的分类（ 生化反应器可从不同角度分类）生化反应器可从不同角度分类） 2 2、按操作方式分类、按操作方式分

3、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。O返回返回2021/5/23 5.1.1 生化反应器的分类生化反应器的分类（ 生化反应器可从不同角度分类）生化反应器可从不同角度分类）2 2、按反应器结构分类按反应器结构分类 有釜式、管式、塔式、膜式等反应器有釜式、管式、塔式、膜式等反应器3、按反应体系的相态分类、按反应体系的相态分类 均相反

4、应器、非均相反应器均相反应器、非均相反应器4、根据催化剂在反应器的分布方式分类、根据催化剂在反应器的分布方式分类 生物团块生物团块( (包括细胞、絮状物、菌丝体包括细胞、絮状物、菌丝体) )反应器；生物膜反应器反应器；生物膜反应器底物量消耗的体系内底物量生成的体系内物质量系的底离开体物质量系的底进入体底物质量体系内累积O返回返回2021/5/23Batch operationContinuous返混将不同停留时间的物料之间的混合重要概念：重要概念：Packed bed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

5、停留时间一致。O返回返回2021/5/23间歇全混型反应器（间歇全混型反应器（batch stirred-tank reactor， BSTR）连续全混型反应器（连续全混型反应器（continuous stirred-tank reactor，CSTR ） 活塞流反应器（活塞流反应器（plug flow reactor，PFR） 5.1.1 生化反应器的分类生化反应器的分类5 5、按流动方式分类、按流动方式分类全混型反应器全混型反应器活塞流反应器活塞流反应器间歇全混型反应器间歇全混型反应器连续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O返回返回2021/5/23Batch opera

6、tionContinuousMulti-cascade reactorFluid flow bedStir vesselsuper-filter integration setMulti-cascade semi-operationLoop flow reactorCoil membrane reactor Packed bedCycle immobilized bedPiping immobilized bed常见反应器类型常见反应器类型O返回返回2021/5/23反应器计算的基本内容反应器计算的基本内容 选择合适的反应器型式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

7、程的浓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、温度效度效应、温度效 应及反应的热效应，结合反应器的流动特征应及反应的热效应，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。足反应过程的需要，使反应结果最优。 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程O返回返回2021/5/23确定最佳操作条件与控制方式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

8、件，直接影响反应器的反应结果，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，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。计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。 5.1.2 生化反应

9、器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程反应器计算的基本内容反应器计算的基本内容O返回返回2021/5/23 计算完成生产任务所需的反应器体积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反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。核心内容。根据根据所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算所确定的操作条件，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。确定反应器的结构和尺寸。 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程反应器计算的基本内容反应器计算的基本内容O

10、返回返回2021/5/23反应器计算的基本方程包括：反应器计算的基本方程包括：描述浓度变化的物料衡算式；描述浓度变化的物料衡算式； 描述温度变化的能量衡算式；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。描述反应速率变化的动力学方程式。 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程O返回返回2021/5/23 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程+=Input components /unit volumeconverted components /unit volumeOutput c

11、omponents /unit volumeAccumulation of components /unit volume1、Mass balance（Accumulatn is 0 under steady state)Calculation of Mass balance for substrates and products+=Grown cells /unit volumeAccumulated cells /unit volumeDied cells /unit volumeOutput cells /unit volumeInput cells /unit volumeCalcul

12、ation of Mass balance for cellsO返回返回2021/5/23+=2、Energy balance (Heat balance )In a definite time:Input heat /unit timeOutput heat /unit timeReaction heat /unit timeAccumulated heat /unit time3、 Momentum balance It is usually negligible for bioreactors because of operation conducted under constant p

13、ressure. 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程In conclusion, each balance in the same model as follows:Input = output + consumption +accumulationO返回返回2021/5/23耗组分量体系内消组分量离开体系的组分量进入体系积组分量体系内累成产物质量体系内生产物质量离开体系产物质量进入体系积产物质量体系内累1、物料衡算式 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程对底物，有O返回返回2021/5/23长细胞质量体系内生细胞质量离开体系细胞质量进入体系积

14、细胞质量体系内累累的热量体系内积单位时间热内的反应单位时间的热量输出体系单位时间的热量输入体系单位时间对产物，有对细胞，有 5.1.2 生化反应器的基本设计方程生化反应器的基本设计方程O返回返回2021/5/232、能量衡算式内积累的速率底物在反应消耗速率的底物在BSTRBSTRO返回返回2021/5/23一、一、BSTR的反应时间的反应时间（操作时间（操作时间=反应时间反应时间tr+辅助时间辅助时间tb） BSTRBSTR特征：特征： 在反应的过程中，无物料的输入和输出；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在反应体系内是均一的； 物

15、料的各组分的浓度仅随反应时间变化。物料的各组分的浓度仅随反应时间变化。 BSTRBSTR的底物的物料衡算式为的底物的物料衡算式为: :dtdNrVSSRdtdCdtdNVrSSRS1SSCCSSrrdCt0或Batch operation式中 NS底物的质量，g或mol VRBSTR的有效体积， VR=常数O返回返回2021/5/230001SSSSSSCCCCCXSXSSSrrdXCt00一、一、BSTR的反应时间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:令底物转化率令底物转化率:有: SXSSmSCCSmSSCCSSRdXXCKrCCKC

16、rdCVdCtSSSSS00max0max1100O返回返回2021/5/23一、一、BSTR的反应时间的反应时间（1 1）BSTRBSTR的均相酶促反应的反应时间的均相酶促反应的反应时间 SXSSmSCCSmSSCCSSRdXXCKrCCKCrdCVdCtSSSSS00max0max1100计算计算BSTR反应时间的通式反应时间的通式若酶促反应符合若酶促反应符合M-MM-M反应，反应，)1 (0SSSXCCSmSSRXKXCrt11ln0maxO返回返回2021/5/23SSmSSRCCKCCrt00maxlnSSmSmRCCKXKrt0maxln11ln一、一、BSTR的反应时间的反应时间

17、积分得：或SSSSRCCXCrt00max11010010000.1110100CS 0/KmtRXS=0.98XS=0.60XS=0.10当CsoKm时，（1 1）BSTRBSTR的均相酶促反应的反应时间的均相酶促反应的反应时间O返回返回2021/5/23L一、一、BSTR的反应时间的反应时间（1 1）BSTRBSTR的均相酶促反应的反应时间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O返回返回2021/5/23 P123 例5-1一、一、BSTR的反应时间的反应时间O返回返回2021/5/23dtdCVr VSRLSRL 1dtdNrVSSRdtdCVr VSRL

18、SRL 1（2 2）BSTRBSTR的固定化酶促反应的反应时间的固定化酶促反应的反应时间一、一、BSTR的反应时间的反应时间 在反应器内的反应液相占的体积分率为在反应器内的反应液相占的体积分率为L ，则固定化酶相，则固定化酶相所占的体积分率为（所占的体积分率为（1 1L ），酶促反应应该发生在固相，在考），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虑到载体内扩散的影响等因素有底物在BSTRBSTR中的物料衡算式中的物料衡算式: :式中 内扩散的有效因子O返回返回2021/5/23SmSSLLRXKXCr t11ln10max只有在一级反应时， 与转化率XS无关，积分有:dt

19、dCVr VSRLSRL 1（2 2）BSTRBSTR的固定化酶促反应的反应时间的固定化酶促反应的反应时间一、一、BSTR的反应时间的反应时间且在载体的体积很小时，可视为反应限制 =1SSmSSLLRXCKCCrt00maxln1101021maxmax1ln1XXXXCCXXXXCCXXRCCCdCrdCtSmSSLLRXKXCr t11ln10maxO返回返回2021/5/23（3 3）BSTRBSTR的细胞反应的反应时间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

20、简单的不同的。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。是指数生长和减速生长的所需的时间。dtdCVr VSRLSRL 1一、一、BSTR的反应时间的反应时间 设设 指数生长期所需的时间为指数生长期所需的时间为tR1，减速生长期所需的时间为，减速生长期所需的时间为tR2，则总时间为则总时间为 tR= tR1 + tR12121max2XXXXCCXSSSXCCXXRCCKCdCrdCt)(112/12XXSXSSCCYCCO返回返回2021/5/2312122maxlnln1SSSXXSRCCKKCCKKt1/11XSXSSCYCKKXXXCdtdCr且则

21、其中一、一、BSTR的反应时间的反应时间（3）BSTR的细胞反应的反应时间的细胞反应的反应时间O返回返回2021/5/23)(10/0XXSXSSCCYCCXXCCXXSSXXXSSXSSXrdCCCCCYCCCYKYtXX1000/00/max一、一、BSTR的反应时间的反应时间（3）BSTR的细胞反应的反应时间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O返回返回2021/5/23)(1)(10/00/maxXXSXSSXXSXSOCCYCKCCYC（3）BSTR的细胞反

22、应的反应时间的细胞反应的反应时间0/00/0maxlnlnSSXxXSSXxxrCYCCCYBccAt代入M-M方程得：O返回返回2021/5/2300/00/XSSXXSSXSSXCCYCCYKYA00/XSSXSSXCCYKYBSSrXCPV00（3）BSTR的细胞反应的反应时间的细胞反应的反应时间分部积分可得反应时间的计算式O返回返回2021/5/23二、二、BSTRBSTR的有效体积的有效体积在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：)

23、(0bRRttVVmin82.48.011ln28.0211111ln111ln10020maxSmSSESmSSRXKXCCkXKXCrt有反应器的有效体积：Cso、Xs初始浓度和最终转化率O返回返回2021/5/23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=10minO返回返回2021/5/23min/ L42. 108

24、. 0260/100000SCrXCPV解：（1）反应时间O返回返回2021/5/23（2）该BSTR的有效体积L42.154)42.1082. 4(42.10)(0bRRttVVbRPRPttCVFO返回返回2021/5/23三、三、BSTRBSTR反应过程的优化反应过程的优化( (最优反应时间的确定）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目标函数以产量、生产效率、利润或综合效益等以产量、生产效率、利润或综合效益等最优化的变量最优化的变量在生化反应中反应结束的时间、培养基的组成在生化反应中反应结束的时间、培养基的

25、组成、培养温度、培养温度、pH值等。值等。 例如简单的酶促反应（符合例如简单的酶促反应（符合M-M反应）在反应）在BSTR进行，总操作进行，总操作时间包括反应时间和辅助操作时间（时间包括反应时间和辅助操作时间（ t= tR + tb ，其中，其中tb在某一特定在某一特定的生产中为常数）以单位时间的产物量的生产中为常数）以单位时间的产物量FP为目标函数进行最优化为目标函数进行最优化O返回返回2021/5/230)()(2bRPPbRPttCdtdCttdtdFBoptRPRPttCdtdC,00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2tCiCPCStR,opt-

26、tbCP,opt则为使得FP最大，对反应时间tR 求导，并令其为0，有：得到三、三、 BSTRBSTR反应过程的优化反应过程的优化O返回返回2021/5/23)1()(,maxotpsmsootpsbotprXKcXtt r三、三、 BSTRBSTR反应过程的优化反应过程的优化图解法O返回返回2021/5/23三、三、 BSTRBSTR反应过程的优化反应过程的优化对于均相酶反应？P125解析法)11ln1(,maxotpsotpsotpsmbXXXKtr最佳转化率求法：O返回返回2021/5/23xu=0yuFuy面积面积A剪应力剪应力F/A与速度递度与速度递度du/dy之间的关系之间的关系?

27、O返回返回2021/5/23nK流动特性指数稠度系数nKKn;剪应力剪应力F/A与速与速度递度度递度du/dy之之间的关系间的关系?1、牛顿型流体、牛顿型流体刚度系数屈服应力；00气体、低分子量的液体气体、低分子量的液体2、非牛顿、非牛顿型流体型流体宾汉塑性流体宾汉塑性流体剪应力小于屈服应力时，不流动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拟塑性流体0n1n越大，非牛顿性越明显越大，非牛顿性越明显如，淀粉等；发酵液少见如，淀粉等；发酵液少见O返回返回2021/5/23nK0O返回返回2021/5/23Kn , 1

28、, 00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：10,00n1,00n1, nK.raO返回返回2021/5/23对非牛顿流体，用表观黏度表示：O返回返回2021/5/23O返回返回2021/5/23多糖和胞外蛋白等分泌物都会使发酵液成多糖和胞外蛋白等分泌物都会使发酵液成非牛顿型流体非牛顿型流体O返回返回2021/5/23流体剪 切作用来自于反应器内机械和气流的搅拌作用dDndxISFL2机械搅拌的剪切力估算？气流搅拌的剪切力的估算？O返回返回2021/5/23228 . 112 . 02 . 08 . 1)(1 .131dDdddDndave

29、时均切变率时均切变率25.03)(Kolmogoroff漩涡长度漩涡长度RPRVdnNVP53RBkgdVdVVk36O返回返回2021/5/23LBkgdHDdVVk2324asavek或P133P134鼓泡反应器的时均切变率主要决定于气体表观线速度。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，0.51.0-常数，10005000Us-气体表观线速度，m/sO返回返回2021/5/23一、氧的传递过程一、氧的传递过程图图6-1 6-1 氧从气泡到细胞的传递过程氧从气泡到细胞的传递过程 氧从空气泡传递到细胞的过氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服哪几种阻力？程中需要克服哪几种阻力

30、？氧的整个传递过程可分为供氧氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面，请分别指出和耗氧两个方面，请分别指出这两个过程的传氧路线？这两个过程的传氧路线？问题问题1 1问题问题2细胞分散在培养液中，只能利用细胞分散在培养液中，只能利用?氧，氧，O返回返回2021/5/23一、氧的传递过程一、氧的传递过程4、对流扩散通过液相主体，、对流扩散通过液相主体，R42、氧从气泡侧滞流层外分子扩散至气、氧从气泡侧滞流层外分子扩散至气-液界面处，阻力液界面处，阻力R21、氧气对流扩散至气液界面气泡侧滞流层外，阻力、氧气对流扩散至气液界面气泡侧滞流层外，阻力R1)界面处界面处？无阻力无阻力3、氧通过界面后，分子扩

31、散通过液相侧滞流层，、氧通过界面后，分子扩散通过液相侧滞流层，R35、通过细胞（团）外的滞流液膜，到达液相与细胞界面处，、通过细胞（团）外的滞流液膜，到达液相与细胞界面处，R56、通过液固界面，、通过液固界面，R6；7、细胞团内细胞之间的扩散，阻力、细胞团内细胞之间的扩散，阻力R78、氧进入细胞、氧进入细胞传递到细胞内的呼吸酶位置上被利用传递到细胞内的呼吸酶位置上被利用，阻力，阻力R8O返回返回2021/5/23瓶颈在哪？瓶颈在哪？一、氧的传递过程一、氧的传递过程dzdCDJAABAO返回返回2021/5/23二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论1 1

32、、基本定理、基本定理亨利定律： 溶质在液相中的体积摩尔浓度溶质在液相中的体积摩尔浓度C C与其在气相中的分压与其在气相中的分压p p* *之间之间存在如下关系：存在如下关系：p p* *=C/H=C/H H H溶解度系数，溶解度系数，Pa.mol/m3Pa.mol/m3费克定律：J JA A扩散通量，单位面积上单位时间内扩散传递的物质量扩散通量，单位面积上单位时间内扩散传递的物质量 ，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s) 。O返回返回2021/5/232）传质机理，先介绍雷诺实验二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论滞流或层流滞流或层流湍流或紊

33、流湍流或紊流雷诺实验演示雷诺实验演示O返回返回2021/5/232）传质机理层流流动层流流动 传质机理仍为分子扩散传质机理仍为分子扩散湍流流动湍流流动 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。分布被均化。二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论O返回返回2021/5/233 3）双膜理论双膜理论二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论LIGI

34、O/kCC/kppN112要点：要点：相互接触的气液两相间有一稳定相互接触的气液两相间有一稳定的界面，的界面，界面上气液两相处于平衡界面上气液两相处于平衡状态状态。界面两侧分别存在两层膜，气膜界面两侧分别存在两层膜，气膜和液膜。两层膜均很薄，和液膜。两层膜均很薄，膜内流体膜内流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质式进行传质。 膜外气液相主体中，膜外气液相主体中，流体流动非流体流动非常剧烈，溶质的浓度很均匀，常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质传质阻力可以忽略不计，传质阻力集中阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。在两层膜内。 O返回返回2021/5/234）传

35、质速率方程二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论LIGIO/kCC/kppN112CIPIN N氧，氧，G GN N氧，氧，L LN NO2O2N N氧，氧，G G=k=kG G(p-p(p-pI I) )N N氧，氧，L L=k=kL L(C(CI I-C)-C)N NO2O2=K=KG G(p-p(p-p* *) )或或 N NO2O2=K=KL L(C(C* *-C)-C)O返回返回2021/5/23LGLIGIOHkkppkHpHpkppN11*/ 1*/ 12LGGkHkK11GLLHkkK1114）传质速率方程二、气二、气- -液传质过程的基

36、本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论稳态下：稳态下：N N氧，氧，G G=N N氧，氧，L L=？N NO2O2C CI I=p=pI I.H.HC=pC=p* *.H.HN NO2O2=K=KL L(C(C* *-C)-C)K KL L= =k kL LxoLLLOLcqCc akROTRdtdc22)(*氧气难溶氧气难溶O返回返回2021/5/23氧的传递速率总方程式氧的传递速率总方程式OTR=K OTR=K L L（c cL L* *-c-cL L）式中：式中： OTR-OTR-单位体积培养液中的传氧速率，单位体积培养液中的传氧速率， mol/mmol/m3 3ss； K KL

37、-L-以浓度差为推动力的总传质系数（以浓度差为推动力的总传质系数（m/s)m/s) 比表面积（比表面积（m m2 2/m/m3 3) ) K KL L-以浓度差为推动力的体积传递系数，（以浓度差为推动力的体积传递系数，（s s-1-1）；）； c cL L-溶液中氧的实际浓度，（溶液中氧的实际浓度，（mol/mmol/m3 3）；）； c cL L* *-与气相中氧分压与气相中氧分压p p平衡时溶液中氧浓度，（平衡时溶液中氧浓度，（mol/mmol/m3 3）；）；二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论O返回返回2021/5/23二、气二、气- -液传质

38、过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论式中：式中： R Ro2-o2-氧的消耗速率，氧的消耗速率， mol/mmol/m3 3ss； c cx x 细胞质量浓度（细胞质量浓度（m m2 2/m/m3 3) ) q qo2o2-氧消耗比速率，（氧消耗比速率，（s s-1-1）；）；0dtdcL5)氧传递对细胞生长影响氧传递对细胞生长影响O返回返回2021/5/23二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论式中：式中： K Ko2-o2-氧的饱和系数氧的饱和系数 r ro2,maxo2,max 氧的最大呼吸速率氧的最大呼吸速率 Da- Da-氧传

39、递的氧传递的DamkohlerDamkohler数数；)(*2max, 222LLLXOLOLoXoOCc a kccKcqc qR若细胞生长符合若细胞生长符合Monod方程，在稳态下，方程，在稳态下，akKrDaLOo22max,若定义XOc qOTROUR 2max*) (O返回返回2021/5/23min,max)(LLccaKOTRaKcqccdtdcLXOLL2min,0在恒定状态下，二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传质过程的基本定理及双膜理论6）最低溶氧浓度(最低通气条件最低通气条件)O返回返回2021/5/23二、气二、气- -液传质过程的基本定理及双膜理论液传

40、质过程的基本定理及双膜理论7 7）影响氧传质速率的因素）影响氧传质速率的因素: :气液比表面积气液比表面积氧的传质系数氧的传质系数氧在培养基中的溶解度氧在培养基中的溶解度体积传质系数体积传质系数kLa8）体积传质系数kLa的测定O返回返回2021/5/23一、反应器结构与操作参数一、反应器结构与操作参数O返回返回2021/5/231、反应器的结构、反应器的结构筒体筒体搅拌装置搅拌装置换热装置换热装置挡板挡板消泡器消泡器电动机与变速装置电动机与变速装置空气分布器空气分布器各种管道接口各种管道接口O返回返回2021/5/232、反应器的操作参数、反应器的操作参数已趋于标准化已趋于标准化H/D=1.

41、7-3d/D=1/2-1/3W/D=1/8-1/12B/D=0.8-1.0s/d=12.5O返回返回2021/5/233、搅拌器的类型与特性、搅拌器的类型与特性搅拌形成的流动形态：径向流和轴向流微生物发酵罐常用的搅拌桨：涡轮式搅拌桨4 . 0bmDW对剪切敏感的动物细胞培养选用桨叶大能引起层流流动的搅拌桨挡板数或宽度计算：O返回返回2021/5/234、通气速率与搅拌速度、通气速率与搅拌速度yxMPFrKN Re转速增加通气速率增加高转速低通气速率的操作条件有利于流体分散和传质。分析右图？O返回返回2021/5/23二、搅拌功率计算二、搅拌功率计算1、影响因素？影响因素？搅拌功率消耗的原因是克

42、服流体的阻力反应器直径液柱高度搅拌速度液体粘度流体密度重力加速度搅拌器的型式与反应器结构P=f(n,d, ,g)O返回返回2021/5/23二、搅拌功率计算二、搅拌功率计算2、计算方法计算方法搅拌功率消耗的原因是克服流体的阻力对牛顿型流体,非通气yxgdnndKdnP)()(2253*)(*)(31dHdDfLP146或全挡板条件下：(Fr)y=1O返回返回2021/5/23二、搅拌功率计算二、搅拌功率计算当ReM104，流体处于湍流状态，x=0 P=Kn3d5p1.当D/d=3,HL/d=3,B/d=1,挡板数为4时，分析P147图5-34？2.当D/d 3，HL/d 3, P*=f P)6

43、 . 04 . 0 (mPPmO返回返回2021/5/23二、搅拌功率计算二、搅拌功率计算3、多层搅拌器的轴功率计算45.056.032)(ggVndpCPm-搅拌器层数4、通气时的搅拌功率计算RVSABEQQQQQQ适于多层搅拌器及非牛顿流体例5-3O返回返回2021/5/23一、反应过程的传热一、反应过程的传热1、过程的热量衡算mwRETAhVQQE-反应器传热速率, j/(m3.s)QB-生物反应热, j/(m3.s)QA-搅拌造成的放热速率, j/(m3.s)QS-通气带出的显热, j/(m3.s)QV-蒸发热, j/(m3.s)QR-反应液对环境的辐射热, j/(m3.s)O返回返回2021/5/23 2、反应器的换热计算NoImageP153