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1、第一节 酶反应连续操作反应器 （1 ）全混合式反应器（CSTR）,对底物的物料衡算式有：,物料流量,进料、反应器中的底物浓度,反应器有效体积,在连续稳态时， ，并由上式可得： 均相酶反应，符合M-M方程反应：,（2）平推流式反应器（CPFR),连续稳态操作时，,于是,对整个反应器有，有,对符合M-M方程的反应，积分：,由以上积分式可知，平推流式反应器（CPFR)与间歇操作全混合反应（BSTR），其反应时间相同，不同之处是，一个是反应浓度随着反应时间而变化，一个是随着反应器的位移而变化。,连续操作反应器的特点： CSTR：反应器浓度均一，浓度不随时间变 化，流出的物料浓度与反应器内物料浓度相同。
2、 CPFR：物料浓度在横截面上浓度均一，随着在反应器内位移而发生变化。,（3）影响酶反应速率的因素 1、酶浓度 2、温度 3、PH,（4）CSTR与SPFR选择与结合 酶反应过程，首先以单底物、无抑制的均 相酶反应动力学为例对CSTR和CPFR作比较与 选择。,达到同一转化率时，CSTR所需体积要比CPFR所需体积大，或需要更多的酶。并且转化率愈高，两者比值愈大。这表明，转化率愈高，返混对反应影响程度愈大。 随着Km/Cs0值从零到最大，反应速率与底物浓度的关系由零级升为一级，两种反应器的体积比随之增大。这表明，随着反应级数提高，返混的影响亦在增大。,对底物抑制的酶反应，由于在CPFR中维持了
3、比CSTR中更高的底物浓度，因而在CPFR中底物的抑制作用更强烈，此时显然采用CSTR更为有利。若为使反应器体积最小，可以采用一个CSTR与一个CPFR的串联设计方案，底物在CSTR中的浓度可保持在反应速率最大时的浓度。也可采用循环式CPFR的设计。 对产物抑制酶反应，由于在CSTR中维持了比CPFR中较高的产物浓度，因而在CSTR中产物的抑制作用较大，此时显然应采用CPFR 更为有利于。,第二节微生物细胞连续操作反应器,如左图所示： V 发酵罐（生物反应器）有效容积（L） F 培养基体积流量（L/h）； CS0 底物初始浓度（g/L）； CS_发酵罐内底物浓度（g/L）； CX发酵罐内菌体浓
4、度（g/L）；,一、单级连续发酵（培养）（CSTR),CX0- 初始接种菌体浓度（g/L）；,生长比速率与稀释率的关系 发酵罐浓度视为均一 开始接入微生物细胞（连续进料后不再加入)，当连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡： 生长量=排出量 VCX=FCX 令： D- 稀释率（h-1） 即：=D,稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过程生长比速率可以人为控制。 连续发酵的必要条件 Dmax 当Dmax，发酵就发生“冲出”现象。 * * * * * * 连续发酵随着D的变化而变化，自动趋向稳态，即=D,底物浓度（CS）与稀释率的关系：,菌体相对基质得率系数Yx/s 菌体浓度与稀释率的关系 微生物细胞生
5、产强度(PX)与稀释率的关系,菌体浓度（CX）、底物浓度（CS）、生产强度（Px）与稀释率（D）的关系作图如下：,D(h-1),Dopt,CX,DCX,CS,DCX,CX,CS,Dc,从上图看出： 1）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度(生长速率）（DCX）,随着稀释率（D）增大而增大，当达到一定的稀释率后，其细胞生产强度随着稀释率增大而降低。 2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（CX）和底物浓度（CS）变化很小。当增大到一定程度，其变化迅速增加。,3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲出，罐内菌体浓度为零，底物浓度等于初始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（DC）。 4）对细胞生产强度而言
6、，有一个最佳稀释率（D0pt），即细胞生产强度最高。 5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越高（转化率高）。,单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高时，可以使用。如果既要转化率高，又要细胞生产强度高，单罐连续发酵就满足不了这个条件。 如何设计才能使转化率和生产强度都高，用多级串联连续就能解决这个问题，一般用两个罐就可满足生产要求，第一个罐用作提高生产强度，第二个罐用作提高转化率。,最佳稀率（Dopt) 最佳稀释率是细胞生产强度 （生长速率）最大时的稀释率。,生产强度对D求导，等于零，即求得稀释率最大值Dopt,最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（CXopt）及最大生产强度（PX)opt,二、两级串
7、联连续发酵（培养）,连续稳定时，CX0=0 对第一个罐细胞平衡：,对第二个罐细胞平衡：,两罐串联与单罐连续发酵时间的对比 假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。即：CX1=0.85CX2 两罐与单罐排出的底物浓度相等，即： CS2=CS 单罐发酵时间用表示: 两罐发酵时间用m表示：,以上计算，表明用两个罐串联发酵（培养）时间是单罐发酵时间的0.3倍，或说双罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.3倍。反之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间是双罐串联发酵时间的3.33倍，或说单罐发酵罐体积是双罐发酵罐体积的3.33倍。,两级串联培养，第一级控制最佳稀释率,达到最大
8、生长速率。第二级保证底物的转化率。就是根据细胞生长动力学的科学设计。,三、单罐连续培养(细胞循环),对菌体平衡,发酵罐培养系统菌体平衡,细胞浓缩分离系统菌体平衡,细胞循环连续发酵讨论,循环与不循环相比： 在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产能力。 在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率（CS降低） 在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。 如果细胞不浓缩， D =，对CSTR无意义。 生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度。,四、带循环的CPFR,V0 CS0,V0 CSf,Vr CSf,V1 CS1,对系统物料衡算： 反应时间：,带循环的CPFR与不带循环的相比，对底物的抑制的酶
9、反应起到稀释作用，可提高反应速率。对细胞反应起到了连续接种的作用。循环量大小影响反应时间，因此循环量过大反应速率下降。 带循环的CPFR，循环量与进料量之比值成循环比，反应速率最高时的循环比称最佳循环比。,八、微生物细胞反应动力学在生产中的应用 1、酒精生产应用 酒母培养 连续发酵 2、污水处理 厌氧发酵 好氧发酵,酒精连续发酵 酒精连续发酵源于半连续发酵 1933年国外就用糖蜜原料进行酒精半连续发酵，采用的技术是对酵母回收利用，在利用的过程酸处理。 操作要点：发酵终了醪液送入酵母分离机，分离相当醪液7%的酵母乳，将酵母乳送到酵母处理槽加硫酸至pH3，酸化6小时，然后与糖蜜稀释液一起混合进发酵
10、罐。该技术传到巴西，所有的酒精工厂都利用。,举例： 例1： 日产120KL无水酒精，4个30KL酵母罐，1个25KL硫酸罐，15个100KL发酵罐，1个10KL糖蜜溶解罐，1个100KL醪液备用罐。3台离心分离机。 设备总容积：1770KL,例2 70年代用糖蜜连续酒精发酵，用2个发酵罐，罐径5m，高8.6m，总容积170m3，将6T废糖蜜稀释22KL，将pH调到5，灭菌。送到发酵罐，稳态后在第一、二个罐共停留时间10.5小时，第二个罐流出的醪液分离的酵母流入第一个罐，连续运行两周后，回收的酵母在pH2下浸泡1小时后再用。酒精度，第一个罐6.1，第二个罐8.4，pH4.74.8，100Kg废糖
11、蜜出2829L酒精。,发酵成熟醪,酒精连续发酵,思考题： 1、酒精间歇发酵一般用几个发酵罐？是怎样设计出来的？发酵罐的高径比是多少？发酵冷却用怎样的形式？ 2、啤酒露天发酵罐，高径比值是多少？为什么取较大的高径比？ 3、连续发酵为什么自动趋向稳态？ 4、为什么说稀释率是连续发酵的重要参数? 5、酒精连续发酵为什么选用5-6个罐串联？为什么主要控制第一个罐？,污水好氧连续发酵,卧式沼气发酵池,出料,进料,连续发酵应用及控制要点,污水厌氧连续发酵 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,天冠集团实施酒精清洁生产，大力发展循环经济综合利用，从酒精糟液中提取饲料后，用排出的清液生产沼气。过去，处理沼气消化液，需加药再经过板框分离，成本较高。为降低污水处理费用，公司引进当今先进的厌氧生物处理技术，新上一个3000立方米的UASB一级厌氧发酵罐，发酵液经过三相分离器，使其中的沼气、污泥、消化液分开，处理能力大，处理效果好。该技术的成功应用，为高浓度有机废水的处理，探索出了一条新路。,
