生物反應(yīng)器比擬放大

《生物反應(yīng)器比擬放大》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《生物反應(yīng)器比擬放大（62頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第 五 章生 物 反 應(yīng) 器 比 擬 放 大 本 章 重 點(diǎn)1、 發(fā) 酵 罐 的 放 大 基 礎(chǔ) 和 準(zhǔn) 則2、 以 體 積 溶 氧 系 數(shù) KLa（ 或 Kd） 相 等 為基 準(zhǔn) 的 放 大 法3、 以 攪 拌 功 耗 P0 /VL相 等 的 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 反應(yīng) 器 放 大4、 酶 反 應(yīng) 器 的 放 大 基 礎(chǔ) 和 準(zhǔn) 則難 點(diǎn) ： 反 應(yīng) 器 放 大 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 方 法 放 大 過(guò) 程 中 與 培 養(yǎng) -發(fā) 酵 環(huán) 境 相 關(guān) 的 主 要 因 素 n 與 細(xì) 胞 形 態(tài) 學(xué) 、 細(xì) 胞 生 理 學(xué) 和 過(guò) 程 動(dòng)力 學(xué) 之 間 的 關(guān) 系n 與 生 物 反 應(yīng) 器 中 的 流 體

2、力 學(xué) 性 質(zhì) 、 傳遞 現(xiàn) 象 及 發(fā) 酵 液 的 理 化 性 質(zhì) 之 間 的 關(guān)系 。 一 、 放 大 目 的 產(chǎn) 品 的 質(zhì) 量 高 ， 成 本 低 。 必 須 使菌 體 在 大 中 小 型 反 應(yīng) 器 中 所 處 的 外 界環(huán) 境 完 全 或 基 本 一 致 。第 一 節(jié) 生 物 反 應(yīng) 器 放 大 的 目 標(biāo) 及 方 法 二 、 生 物 學(xué) 基 礎(chǔ) 單 位 體 積 輸 入 的 功 率 P/V 或 液 相 體 積 氧 傳 遞 系 數(shù) KLa有 效 放 大 區(qū)末 產(chǎn) 物 的相 對(duì) 濃 度 三 、 放 大 準(zhǔn) 則 與 方 法1、 放 大 準(zhǔn) 則 攪 拌 功 耗 P0/V、 體 積 溶 氧

3、系 數(shù) KLa、 攪 拌 葉 尖 端 線 速 度s、 混 合 時(shí) 間 tM、 相 等 準(zhǔn) 則 。 2、 放 大 方 法 主 要 有 經(jīng) 驗(yàn) 放 大 法 、 因 次 分 析法 、 時(shí) 間 常 數(shù) 法 、 數(shù) 學(xué) 模 擬 法 第 二 節(jié) 通 氣 發(fā) 酵 罐 的 放 大 設(shè) 計(jì) 一 、 機(jī) 械 攪 拌 通 氣 發(fā) 酵 罐 的 功 率 計(jì) 算 經(jīng) 驗(yàn) 放 大 法 (一 )幾 何 相 似 放 大按 反 應(yīng) 器 的 各 個(gè) 部 件 的 幾 何 尺 寸 比 例 進(jìn) 行 放 大 。放 大 倍 數(shù) 實(shí) 際 上 就 是 反 應(yīng) 器 的 增 加 倍 數(shù) 。 1 21 2H HD D 常 數(shù) 32 21 1V D m

4、V D 11 32H mH 11 32D mD （ 二 ） 以 單 位 體 積 液 體 中 攪 拌 功 率 P0 /VL相 等 的 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 反 應(yīng) 器 放 大 n 這 種 方 法 適 用 對(duì) 于 以 溶 氧 速 率 控 制 發(fā) 酵 反 應(yīng)的 生 物 發(fā) 酵 ， 粘 度 較 高 的 非 牛 頓 型 流 體 或 高細(xì) 胞 密 度 的 培 養(yǎng) n P0/VL 常 數(shù) 1. 對(duì) 于 不 通 氣 的 攪 拌 反 應(yīng) 器 2. 對(duì) 于 通 氣 攪 拌 反 應(yīng) 器 ， 可 取 單 位 體 積 液 體分 配 的 通 氣 攪 拌 功 率 相 同 的 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 放 大 n 對(duì) 于 通 氣 式 機(jī) 械

5、 攪 拌 生 物 反 應(yīng) 器 ， 可 取 單 位 體 積液 體 分 配 的 通 氣 攪 拌 功 率 相 同 的 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 放 大 ，即 ：n 對(duì) 于 不 通 氣 時(shí) 的 機(jī) 械 攪 拌 生 物 反 應(yīng) 器 ， 軸 功 率 計(jì) 算 ,3 5 3i L iP n D V D ( )21 32 1 2Dn n D ( )322 1 1DP P D對(duì) 于 通 氣 式 機(jī) 械 攪 拌 生 物 反 應(yīng) 器 ， 可 取 單 位 體 積 液體 分 配 的 通 氣 攪 拌 功 率 相 同 的 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 放 大 . .( ) ( )21G0 75 0 0812 1 2 GQDn n D Q . .(

6、) ( )22 1 1G2 77 0 242g g 1 GQDP P D Q （ 三 ） 以 體 積 溶 氧 系 數(shù) KLa（ 或 Kd） 相 等 為基 準(zhǔn) 的 放 大 法n 在 耗 氧 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 ， 由 于 培 養(yǎng) 液 中 的 溶解 度 很 低 ， 生 物 反 應(yīng) 很 容 易 因 反 應(yīng) 器 溶氧 能 力 的 限 制 受 到 影 響 ， 所 以 以 反 應(yīng) 器KLa的 相 同 作 為 放 大 準(zhǔn) 則 ， 可 以 收 到 較 好的 效 果 。 這 種 方 法 適 用 于 高 好 氧 的 生 物 發(fā) 酵 過(guò) 程 的 反 應(yīng) 器 的 放 大 。 在 耗 氧 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 ， 培 養(yǎng)

7、 液 中 的 溶 解 度 很 低 ，生 物 反 應(yīng) 很 容 易 因 反 應(yīng) 器 溶 氧 能 力 的 限 制 受到 影 響 ， 以 反 應(yīng) 器 KLa的 相 同 作 為 放 大 準(zhǔn) 則 ，可 以 收 到 較 好 的 效 果 。 以 KLa值 相 同放 大 時(shí) ， 一定 要 選 一 個(gè)合 適 的 KLa值 ，可 根 據(jù) 微 生物 發(fā) 酵 產(chǎn) 物的 產(chǎn) 率 與 KLa大 小 的 關(guān) 系 (四 )以 攪 拌 葉 尖 線 端 速 度 相 等 的 準(zhǔn) 則 進(jìn) 行 反 應(yīng) 器 放 大n 適 用 于 生 物 細(xì) 胞 受 攪 拌 剪 切 影 響 較 明 顯 的 發(fā) 酵過(guò) 程 的 放 大 ， 例 如 絲 狀 菌

8、的 發(fā) 酵 。n 攪 拌 葉 尖 線 端 速 度 （ Dn） 是 決 定 攪 拌 剪 切 強(qiáng)度 的 關(guān) 鍵 。n 葉 尖 端 線 速 度 1 1 2 2nD nD 2 11 2n Dn D （ 五 ） 混 合 時(shí) 間 相 同 的 準(zhǔn) 則n 混 合 時(shí) 間 是 指 在 反 應(yīng) 器 中 加 入 物 料 ， 到 它 們 被 混合 均 勻 時(shí) 所 需 的 時(shí) 間 。 在 小 反 應(yīng) 器 中 ， 比 較 容 易混 合 均 勻 ， 而 在 大 反 應(yīng) 器 中 ， 則 較 為 困 難 .32 1 1 13 6 2 2 22( ) M i i L it nD g D H D 21 MM tt 1 42 11

9、2( )n Dn D對(duì) 于 幾 何 相 似 的 反 應(yīng) 器 ， 時(shí) ， 從 上 式 可 以 得 出 ： （ 六 ） 以 單 位 培 養(yǎng) 液 體 積 的 空 氣 流 量 相 同 的 原 則 進(jìn) 行 放 大n 單 位 培 養(yǎng) 液 體 積 在 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 通 入 的 空 氣 量 （ 標(biāo) 準(zhǔn)態(tài) ） ， 即 ： 0LQVVM V ， m3/（ m3min）l操 作 狀 態(tài) 下 空 氣 的 線 速 度 gu ， m/h。 ( ) . . ( )( )40 Lg 2i Li L60Q 273 t 9 8 10 27465 6 VVM 273 t Vu D pD 273 p4 ， m3/（ m3min

10、）. ( )2g L i0 Lu p DQ 27465 6 273 t V . ( )2g L i Lu p DVVM 27465 6 273 t V ， m3/（ m3min） n 以 單 位 培 養(yǎng) 液 體 積 的 空 氣 流 量 相 同 的 原 則進(jìn) 行 放 大 時(shí) ， 有( ) ( )2 1VVM VVM ( )( ) iLg 2L i LVVM DVVM Vu p D p 2 11 2g L2g 1 Lu pDu D p （ 七 ） 以 空 氣 線 速 度 相 同 的 原 則 進(jìn) 行 放 大 n 以 空 氣 線 速 度 相 同 的 原 則 進(jìn) 行 放 大 時(shí) 有 21 gg uu 1

11、22 21 1( )( ) iLL iDVVM pVVM p D 21 4.64DD 21( ) 1( ) 4.64VVMVVM 由 上 式 可 知 ， 當(dāng) 體 積 放 大 100倍 時(shí) ， 即若 忽 略 液 柱 壓 力 ， 即 即 通 風(fēng) 量 減 少 4.64倍 ， 其 結(jié) 果 是 通 風(fēng) 量 過(guò) 小 。 酶 反 應(yīng) 器 的 放 大 基 礎(chǔ) 和 準(zhǔn) 則酶 反 應(yīng) 器 放 大 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 方 法第 三 節(jié) 酶 反 應(yīng) 器 的 放 大 一 、 酶 促 反 應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué) 基 礎(chǔ)n 與 一 般 化 學(xué) 反 應(yīng) 相 比 ， 酶 促 反 應(yīng) 要 復(fù) 雜一 些 ， 影 響 酶 促 反 應(yīng) 的 主 要

12、 因 素 有 ： 酶濃 度 ， 底 物 濃 度 ， 溫 度 壓 力 ， 溶 液 的 介電 常 數(shù) 與 離 強(qiáng) 度 ， PH、 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 因 素 等 。n 最 根 本 的 是 濃 度 因 素1、 零 級(jí) 反 應(yīng) ： 酶 促 反 應(yīng) 速 率 與 底 物 濃 度 無(wú)關(guān) 。2、 一 級(jí) 反 應(yīng) ： 反 應(yīng) 速 率 與 底 物 濃 度 的 一 次方 成 正 比 。 即 酶 催 化 A B的 過(guò) 程 二 、 單 底 物 酶 促 反 應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué)1、 米 氏 方 程n 根 據(jù) “ 酶 -底 物 中 間 復(fù) 合 體 ” 的 假 設(shè) ， 對(duì)酶 E催 化 底 物 S生 成 產(chǎn) 物 P的 反 應(yīng) S P，

13、其 反應(yīng) 機(jī) 制 可 表 示 為 k+1 k+2 E + S ES E+P k-1 E S X P n k+1 k-1 k+2-相 應(yīng) 各 步 的 反 應(yīng) 速 度 常 數(shù)n E S X P-對(duì) 應(yīng) 物 質(zhì) 的 濃 度n P的 生 成 速 度 可 表 示 為 ： rp= k+2X n 三 點(diǎn) 據(jù) 說(shuō) ：（ 1） 底 物 濃 度 S遠(yuǎn) 大 于 酶 濃 度 E時(shí) ， X的 形 成 不 會(huì) 降 低 底 物 濃 度 S， 底 物 濃度 以 初 始 濃 度 計(jì) 算 ；（ 2） 不 考 慮 E+P ES這 個(gè) 可 逆 反 應(yīng) 的存 在 。（ 3） ES E+P是 整 個(gè) 反 應(yīng) 的 限 速 階 段 米 氏

14、方 程 ： ,max 1 21 ( ) pp s mps m m r Sr r K SrrK k kK k 底 物 的 消 耗 速 率產(chǎn) 物 的 生 成 速 率米 氏 常 數(shù) 三 、 固 定 化 酶 促 反 應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué)n 固 定 化 酶 促 反 應(yīng) 過(guò) 程 中 ， 需 考 慮 擴(kuò) 散 傳 質(zhì) 與催 化 反 應(yīng) 的 相 互 影 響 ， 有 外 部 與 內(nèi) 部 擴(kuò) 散 的不 同 傳 質(zhì) 方 式 ， 內(nèi) 部 擴(kuò) 散 與 催 化 反 應(yīng) 有 時(shí) 是同 時(shí) 進(jìn) 行 的 ， 外 擴(kuò) 散 通 常 先 于 反 應(yīng) 。1、 外 部 擴(kuò) 散 過(guò) 程 底 物 由 液 體 主 體 向 固 定 化 酶 顆 粒 表

15、面 的 擴(kuò)散 速 率 Ns正 比 于 傳 質(zhì) 表 面 積 及 傳 質(zhì) 推 動(dòng) 力 ，即 擴(kuò) 散 速 率 Ns=KLa（ SSs） n KL-液 膜 傳 質(zhì) 系 數(shù)n a-傳 質(zhì) 比 表 面 積n S-液 體 主 體 中 的 底 物 濃 度n Ss-固 定 化 酶 表 面 處 底 物 濃 度 n 在 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 下 ， 傳 質(zhì) 速 率 等 于 酶 促 反應(yīng) 速 率 ， 當(dāng) 反 應(yīng) 按 米 氏 方 程 規(guī) 則 時(shí) 有 ：n Ns=KLa（ SSs）n 當(dāng) Ss S時(shí) ， 主 體 傳 遞 阻 力 可 以 忽 略n 當(dāng) Ss遠(yuǎn) 大 于 S時(shí) ， 整 個(gè) 反 應(yīng) 速 率 由 外 擴(kuò)散 控 制 n 固

16、 定 化 酶 的 反 應(yīng) 體 系 中 效 率 因 子 （ 外 擴(kuò) 散 ） 的定 義 為 out 0outout rr 有 外 擴(kuò) 散 影 響 時(shí) 實(shí) 際 反 應(yīng) 速 率無(wú) 外 擴(kuò) 散 影 響 時(shí) 固 定 化 酶 外 表 面 處 的 反 應(yīng) 速 率 2、 內(nèi) 部 擴(kuò) 散 過(guò) 程n 對(duì) 于 具 有 大 量 內(nèi) 孔 的 球 形 固 定 化 酶 顆 粒 ， 內(nèi) 部 是酶 促 反 應(yīng) 的 主 要 場(chǎng) 所n 顆 粒 內(nèi) 部 各 處 底 物 和 產(chǎn) 物 的 濃 度 不 同 ， 各 處 的 反應(yīng) 速 率 和 選 擇 性 有 差 異 。 0 0.50 2 SsP sP rV De r d SA -西 勒 準(zhǔn) 數(shù)

17、 ， 是 表 面 反 應(yīng) 速 率 （ 即 以 固 定 化 酶 外 表 面 處 的濃 度 為 基 準(zhǔn) 反 應(yīng) 速 率 與 內(nèi) 擴(kuò) 散 速 率 之 比 ）VP-固 定 化 酶 顆 粒 體 積 , rs-固 定 化 酶 的 反 應(yīng) 速 率AP-固 定 化 酶 顆 粒 外 表 面 的 面 積 , S-平 衡 時(shí) 的 底 物 濃 度De-載 體 內(nèi) 部 底 物 的 擴(kuò) 散 系 數(shù)S S-固 定 化 酶 顆 粒 外 表 面 底 物 濃 度 n 對(duì) 于 球 形 固 定 化 酶 顆 粒 的 內(nèi) 擴(kuò) 散 效 率 因 子 有0inin rr 顆 粒 內(nèi) 的 實(shí) 際 有 效 反 應(yīng) 速 率顆 粒 內(nèi) 無(wú) 濃 度 梯

18、 度 時(shí) 的 反 應(yīng) 速 率 n 酶 反 應(yīng) 器 :酶 為 催 化 劑 進(jìn) 行 生 物 反應(yīng) 的 場(chǎng) 所 .n 游 離 酶 反 應(yīng) 器 、 固 定 化 酶 反 應(yīng) 器n （ 分 ： 固 定 化 單 一 酶 、 復(fù) 合 酶 、 細(xì) 胞器 、 細(xì) 胞 等 形 式 ） 酶 反 應(yīng) 器 及 其 操 作 參 數(shù)n 酶 反 應(yīng) 器 的 分 類型 式 名 稱 操 作 方 式 說(shuō) 明單 相 系 統(tǒng)酶 反 應(yīng) 器 攪 拌 罐 分 批 、 流 加 靠 機(jī) 械 攪 拌 混 合超 濾 膜 反 應(yīng) 器 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

19、加 或 連續(xù) 靠 機(jī) 械 攪 拌 混 合固 定 床 填 充 床 連 續(xù) 適 用 于 固 定 床 酶或 微 生 物 反 應(yīng) 中 流 化 床 分 批 、 連 續(xù) 靠 溶 液 的 流 動(dòng) 混 合膜 反 應(yīng) 器懸 濁 氣 泡 塔 連 續(xù)分 批 、 連 續(xù) 膜 狀 或 片 狀 固 定 化適 于 氣 體 為 底 物 2 連 續(xù) 式 酶 反 應(yīng) 器 的 流 動(dòng) 狀 態(tài)分 為 理 想 型 與 非 理 想 型（ 1） 理 想 型 活 塞 式 ： 連 續(xù) 操 作 活 塞 式 反 應(yīng) 式（ CPFR continuous plug flow reactor） ,實(shí) 用 反 應(yīng) 器 為 填 充 床 或 膜 反應(yīng) 器

20、活 塞 式 流 動(dòng) ： 指 反 應(yīng) 液 在 反 應(yīng) 器 內(nèi) 徑呈 嚴(yán) 格 均 一 的 速 度 分 布 ， 流 動(dòng) 如 同 活 塞 運(yùn)動(dòng) ， 反 應(yīng) 速 度 僅 隨 空 間 位 置 不 同 而 變 化 。 全 混 式 ： 連 續(xù) 操 作 攪 拌 式 反 應(yīng) 式 （ CSTR continuous-flow stirred tank reactor） ，為 攪 拌 罐 。 反 應(yīng) 速 度 僅 隨 時(shí) 間 變 化n 全 混 式 流 動(dòng) ： 指 反 應(yīng) 器 混 合 足 夠 強(qiáng) 烈 ，因 而 反 應(yīng) 器 內(nèi) 濃 度 分 布 均 勻 ， 且 不 隨 時(shí)間 而 變 化 。 （ 2） 非 理 想 型 具 有

21、返 混 的 管 型 反 應(yīng) 器 等 二 、 酶 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 和 操 作 的 參 數(shù)停 留 時(shí) 間 n 停 留 時(shí) 間 ： 指 反 應(yīng) 物 料 進(jìn) 入 反 應(yīng) 器至 離 開(kāi) 反 應(yīng) 器 止 所 經(jīng) 歷 的 時(shí) 間n 對(duì) 于 CSTR， 常 用 平 均 停 留 時(shí) 間 =反 應(yīng) 器 容 積 /物 料 的 體 積 流 量/V F 2、 轉(zhuǎn) 化 率 n 轉(zhuǎn) 化 率 ： 表 明 供 給 反 應(yīng) 器 的 底 物 發(fā) 生 轉(zhuǎn) 變 的分 量n 分 批 式 操 作 中 ：（ 初 始 底 物 濃 度 -t時(shí) 間 底 物 濃 度 ） /初 始 底 物 濃 度 0 tP SP t t n 連 續(xù) 操 作 中

22、： （ 流 入 底 物 濃 度 -流 出 底 物 濃 度 ） /流 入 底 物 濃 度 in outinS SS 3、 生 產(chǎn) 能 力 Prn 生 產(chǎn) 能 力 Pr： 單 位 時(shí) 間 、 單 位 反 應(yīng) 器 體 積 內(nèi)的 產(chǎn) 物 量 。n 分 批 式 操 作 中 ：P t ： t時(shí) 間 單 位 反 應(yīng) 液 體 積 中 產(chǎn) 物 的 生 成 量0r P tP St t n 連 續(xù) 操 作 中 ： Pout： 單 位 體 積 流 出 液 中 的 產(chǎn) 物 量r P out inP S 4、 選 擇 性 SPn 選 擇 性 SP： 表 明 整 個(gè) 反 應(yīng) 的 平 均 選 擇 性 ，指 從 1mol底 物

23、 S中 所 得 到 產(chǎn) 物 P的 摩 爾 數(shù) ，由 反 應(yīng) 的 量 論 關(guān) 系 而 決 定 的 。n 平 均 選 擇 性 n 瞬 時(shí) 或 局 部 選 擇 性 為 rp - 主 反 應(yīng) 速 度 r s-副 反 應(yīng) 速 度 0 ( )p sp PS a S S pp p srS r r 三 、 理 想 的 酶 反 應(yīng) 器1、 CPFR型 酶 反 應(yīng) 器n CPFR具 備 的 特 點(diǎn) ： 在 正 常 的 連 續(xù) 穩(wěn) 態(tài) 操 作 情 況下 ， 在 反 應(yīng) 器 的 各 個(gè) 截 面 上 ， 物 料 濃 度 不 隨 時(shí)間 而 變 化 ； 由 于 徑 向 有 嚴(yán) 格 均 勻 的 速 度 分 布 ，故 反 應(yīng)

24、速 率 隨 空 間 位 置 的 變 化 只 限 于 軸 向 。 對(duì) CPFR進(jìn) 行 物 料 衡 算 ， 沿 反 應(yīng) 器 軸 向任 意 切 出 長(zhǎng) 度 為 dl的 一 個(gè) 微 元 管 段 作 為反 應(yīng) 器 微 元 ， 該 微 元 的 體 積 記 為 VAdl， 對(duì) 于 其 他 各 級(jí) 反 應(yīng) 可 得 到 一 般 的 關(guān) 系 式 : sd sr （ 1） 2、 CSTR型 酶 反 應(yīng) 器n 在 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 下 ， CSTR型 酶 反 應(yīng) 器 內(nèi) 各 處 的 濃 度和 溫 度 均 不 隨 空 間 位 置 和 時(shí) 間 而 變 化 ， 因 而 反應(yīng) 器 內(nèi) 各 處 的 反 應(yīng) 速 率 相 等 ， 所

25、 以 可 對(duì) 整 個(gè) 反應(yīng) 進(jìn) 行 物 料 衡 算 ， 一 級(jí) 反 應(yīng) 條 件 下 ， 對(duì) 組 分 S（ 單 位 時(shí) 間 內(nèi) ） 有 ：n 流 入 量 = 流 出 量 + 反 應(yīng) 量 + 積 累 量n FS0 FSt （ rs） V 0 n F（ FS0FSt） =（ rs） V 將 上 式 變 為 一 般 化 的 關(guān) 系 式將 米 式 方 程 代 入 上 式 ， 得 操 作 方 程 ： FS0 FSt 也 可 寫(xiě) 為 (2) 式 總 體 積 0 tS Sk S 0 tsS Sr 00 max ms S S K SS SVF r r S 2 00 1mS K k E （ 2） 3、 CSTR型

26、 與 CPFR型 反 應(yīng) 器 性 能 的 比 較（ 1） 停 留 時(shí) 間 的 比 較將 （ 1） （ 2） 的 結(jié) 果 繪 于 右 圖 中橫 坐 標(biāo) 為 組 分 S的 轉(zhuǎn) 化 率 X， 縱 坐 標(biāo)為 反 應(yīng) 速 的 倒 數(shù) 1/（ rs） 。 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(shí) ，所 需 的 停 留 時(shí) 間 不 同 。 CSTR型的 停 留 時(shí) 間 比 CPFR型 反 應(yīng) 器 的長(zhǎng) ， 即 前 者 所 需 的 反 應(yīng) 器 體 積比 后 者 大 。 圖 中 向 右 斜 的 線 所圍 的 面 積 相 當(dāng) 于 CSTR型 反 應(yīng) 器達(dá) 到 預(yù)

27、 定 轉(zhuǎn) 化 率 所 需 的 時(shí) 間 ，向 左 斜 的 線 所 圍 的 面 積 為 CPFR型 反 應(yīng) 器 達(dá) 到 相 同 轉(zhuǎn) 化 率 所 需的 時(shí) 間 。 最 終 轉(zhuǎn) 化 率 越 高 ， 兩 者 的 差 距 越 大 。 （ 2） 酶 需 求 量 的 比 較n 當(dāng) Km遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大 于 s0時(shí) ， 反 應(yīng) 速 率 可 用 一 級(jí) 動(dòng) 力 學(xué)來(lái) 描 述 ， 于 是 ， （ 1） （ 2） 式 可 簡(jiǎn) 化 成 如 下 式 子 ： n 其 中 常 數(shù) 可 認(rèn) 為 是 擬 一 級(jí) 速 率 常 數(shù) Kf n CSTR中 所 需 酶 的 量 與 CPFR中 所 需 的 酶 的 量 之 比 ，可 從 （ 3式

28、 和 （ 4） 求 得 。2 01mK k E 2 0ln 1m outK k E （ 3） （ 4） 對(duì) 于 一 級(jí) 動(dòng) 力 學(xué) （ 5） 式 表 明 ， 轉(zhuǎn) 化 率 越 高 CSTR中 所 需 酶 的 相 對(duì) 量 也就 越 大 。另 外 ， 比 值 還 依 賴 于 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) ， 一 級(jí) 反 應(yīng) 時(shí) 其 比 值最 大 ， 零 級(jí) 反 應(yīng) 時(shí) 其 比 值 最 小 。 1 ln 1CSTRCPFR outEE （ 5） 反 應(yīng) 體 積 一 定 達(dá) 到 相 同 轉(zhuǎn) 化 率 時(shí) 與 轉(zhuǎn) 化 率 的 關(guān)系 /CSTR CPFRE E 01 ( )KmS 一 級(jí) 反 應(yīng)/CSTR CPFRE E

29、0 0(0 )KmS 級(jí) 反 應(yīng) 0 ( )KmS 一 級(jí) 反 應(yīng) n 如 果 反 應(yīng) 按 米 氏 定 律 ， 則 酶 需 求 量 的 相 對(duì) 比 值 與轉(zhuǎn) 化 率 之 間 的 函 數(shù) 關(guān) 系 可 由 下 圖 表 示 : n 所 以 ,可 根 據(jù) 所 需 轉(zhuǎn) 化 率 X來(lái) 選 擇 反 應(yīng) 器 的類 型 ,或 者 確 定 它 們 所 需 酶 的 相 對(duì) 量 . （ 6）n 式 中 E反 應(yīng) 器 中 的 有 效 酶 濃 度n Kd酶 的 衰 退 常 數(shù)n t操 作 時(shí) 間 dd E K Ed t 若 把 （ 1） （ 2） （ 6） 結(jié) 合 起 來(lái) ， 可 得 描 繪 酶衰 變 時(shí) 的 操 作 方

30、 程 ： 式 中 ， X 0， Xt分 別 為 t=0和 t= t 時(shí) 的 轉(zhuǎn) 化 率 0 000 ln 1ln ln 1m dt m tS K KtS K 000 00 1ln 1 m dm tt tKS K tKS （ 7） （ 8） CSTRCPFR n 由 （ 7） （ 8） 式 可 知 ， 零 級(jí) 反 應(yīng) 時(shí) ， CSTR與 CPFR內(nèi) 酶 活 力 的 衰 退 沒(méi) 有 什 么 區(qū) 別 。 如果 反 應(yīng) 從 零 級(jí) 增 至 一 級(jí) ， 那 么 ， 兩 種 反 應(yīng)器 轉(zhuǎn) 化 率 下 降 的 差 別 就 變 得 明 顯 。 CPFR產(chǎn)量 的 下 降 比 CSTR快 得 多 ， 因 而 CP

31、FR中 酶 的失 活 比 CSTR中 更 為 敏 感 。 如 上 所 述 ， 在 某些 場(chǎng) 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 酶 量 。 （ 4） 反 應(yīng) 器 中 的 濃 度 分 布n 下 圖 繪 出 CSTR與 CPFR中 底 物 濃 度 分 布 。S S0 S S0CPFR 0 1 CSTR 0 1 在 CPFR中 ， 雖 然 在 出 口 端 底 物 濃 度 較 低 ； 但 進(jìn) 口 端高 ,CSTR中 底 物 總 處 于 低 濃 度 范 圍 。 如 果 酶 促 反 應(yīng) 速 率與 底 物 的

32、 濃 度 成 正 比 ， 那 么 ， 對(duì) CSTR而 言 ， 由 于 整 個(gè) 反 應(yīng) 器 處 于 低 反 應(yīng) 速 率 條 件 下 ， 所 以 其 生 產(chǎn) 能 力 也 低 。 例 題 max 3 38*10 /( . )r mol ms 31 /mK mol m 35.0*10pd m5 31*10 /F m s3 3 1*10 /inS mol m 10 31*10 /eD m s 解 ： 反 應(yīng) 器 出 口 的 底 物 濃 度 3 31 1*10 1 0.95 50 /out inS S mol m 31000 50 317 /1000lnln 50in outinoutS SS mol m

33、SS （ 1）進(jìn) 口 與 出 口 底 物 的 對(duì) 數(shù) 平 均 濃 度 （ 2） max 0.5max 0.5 /( ) 12 1ln m min out m S Sm SPP me m S SS m S K S K rS K Sr SK SVA KD K S SS K ss max和 所 以 反 應(yīng) 與 零 級(jí) 反 應(yīng) 相 似 -r =因 此 將 -r =r 代 入 2-60式 后 積 分 得 0 0 .50 2 SsP sP rV D e r d SA （ 3） （ 4） 0.5max3 4 106 2 ,5.0*10 8*10 0.09366 2*1*10 *317minp e Ss S

34、Kd rD SS S 由 于 所 以 上 式 變 形 為以 代 替 計(jì) 算0.33 3 , 1. 1, . in in 時(shí) 由 于 內(nèi) 擴(kuò) 散 效 率 因 子 所 以 內(nèi) 擴(kuò) 散 阻 力 可 忽 略 不 計(jì)（ 5） （ 4） （ 1） CSTR設(shè) 計(jì) 對(duì) CSTR固 定 化 酶 反 應(yīng) 器 ， 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 下 ， 底 物 的 衡 算 式 有n FS0 FS 反 應(yīng) 器 體 積 V 空 隙 率 0 SF S F S r V 流 入 流 出 消 耗由 于 酶 促 反 應(yīng) 在 固 定 化 酶 顆 粒 內(nèi) 進(jìn)行有 V= （ 1-） V （ 7） 0 0 max 5 34 ( )1 (8)( )1

35、(9)1*10 (1000 50) 1 50 24.21 1 0.5 8*10 *50s mF S SV rF S S K SV r SV m 將 米 氏 方 程 代 入 得將 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) 代 入 （ 8）（ 9） （ 10） （ 2） CPFR固 定 化 酶 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì)取 長(zhǎng) 度 為 L， 體 積 為 V的 任 一 微 元 體 積 進(jìn) 行 物料 衡 算n FSFS+ S=（ rs） V 流 入 流 出 微 小 體 積 內(nèi) 消 耗 空 隙 率 FS V FS+ S FS in FSOUT L L反 應(yīng) 器 長(zhǎng) 度 由 于 酶 促 反 應(yīng) 在 顆 粒 內(nèi) 進(jìn) 行 ， 實(shí) 際 體 積

36、應(yīng) 為 AL*（ 1-） ， 即V= AL*（ 1-） （ 12）由 于 底 物 在 顆 粒 間 的 空 隙 內(nèi) （ A） 流 動(dòng) ， 所 以體 積 流 量 F與 底 物 流 動(dòng) 線 速 度 u 有 如 下 關(guān) 系 ：F=uA （ 13）將 （ 12） 和 （ 13） 代 入 到 （ 11） 中 ， 變 為 微 分 形式 ， 得udS/dL =rs（ 1-） （ 14）積 分 （ 14） 得 0 max 5 62 6 4 11 (15),1 ln1 1*10 6.37*10 /0.5*2 /40.5*6.37*10 1* * 1*ln(50/1000) (50 1000) 7.51 0.5 1*8*10outinL SS s outm out inindL u d Sr LSuL K S Sr SFu m sA m 2 將 米 氏 方 程 代 入 積 分 得 反 應(yīng) 器 長(zhǎng) 度 為所 以L=反 應(yīng) 器 體 積V=AL= /4*2 *7.5 23.6m由 于 是 零 級(jí) 反 應(yīng) ,CPFR固 定 化 酶 反 應(yīng) 器 體 積 僅 比 CSTR固 定 化 反 應(yīng) 器 體 積 略 ?。?15）