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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。,