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1、连续式操作反应器演示文稿第1页，此课件共52页哦第一节第一节酶反应连续操作反应器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第2页，此课件共52页哦在连续稳态时，并由上式可得：均相酶反应，符合M-M方程反应：第3页，此课件共52页哦（2 2）平推流式反应器（）平推流式反应器（CPFR)CPFR)连续稳态操作时，,于是第4页，此课件共52页哦对整个反应器有，有第5页，此课件共52页哦对符合M-M方程的反应，积分：第6页，此课件共52页哦 由以上积分式可知，平推流式反应器由以上积分式可知，平推流式反应器（CPFR)CPF
2、R)与间歇操作全混合反应（与间歇操作全混合反应（BSTRBSTR），其），其反应时间相同，不同之处是，一个是反应浓反应时间相同，不同之处是，一个是反应浓度随着反应时间而变化，一个是随着反应器度随着反应时间而变化，一个是随着反应器的位移而变化。的位移而变化。第7页，此课件共52页哦 连续操作反应器的特点：连续操作反应器的特点：CSTRCSTR：反应器浓度均一，浓度不随时间变反应器浓度均一，浓度不随时间变 化，流出的物料浓度与反应器内物料浓度化，流出的物料浓度与反应器内物料浓度相同。相同。CPFRCPFR：物料浓度在横截面上浓度均一，随着：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、在反应器内位移而发生变化。第8页，此课件共52页哦（3）影响酶反应速率的因素）影响酶反应速率的因素1、酶浓度 2、温度3、PH第9页，此课件共52页哦（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。第10页，此课件共52页哦l达到同一转化率时，达到同一转化率时，CSTRCSTR所需体积要比所需体积要比CPFRCPFR所需体积大，或需要更多的酶。并且所需体积大，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。化率愈高，返混对反应影响程度愈大。l
4、随着随着Km/CKm/Cs0s0值从零到最大，反应速率与底值从零到最大，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。级数提高，返混的影响亦在增大。第11页，此课件共52页哦l对底物抑制的酶反应，由于在对底物抑制的酶反应，由于在CPFRCPFR中维持了比中维持了比CSTRCSTR中更中更高的底物浓度，因而在高的底物浓度，因而在CPFRCPFR中底物的抑制作用更强烈，中底物的抑制作用更强烈，此时显然采用此时显然采用CSTRCSTR更为有利。若为使反应器体积最
5、小，更为有利。若为使反应器体积最小，可以采用一个可以采用一个CSTRCSTR与一个与一个CPFRCPFR的串联设计方案，底物在的串联设计方案，底物在CSTRCSTR中的浓度可保持在反应速率最大时的浓度。也中的浓度可保持在反应速率最大时的浓度。也可采用循环式可采用循环式CPFRCPFR的设计。的设计。l对产物抑制酶反应，由于在对产物抑制酶反应，由于在CSTRCSTR中维持了比中维持了比CPFRCPFR中较中较高的产物浓度，因而在高的产物浓度，因而在CSTRCSTR中产物的抑制作用较大，中产物的抑制作用较大，此时显然应采用此时显然应采用CPFR CPFR 更为有利于。更为有利于。第12页，此课件共
6、52页哦第二节微生物细胞连续操作反应器第13页，此课件共52页哦如左图所示：如左图所示：V V 发酵罐（生物反应器）发酵罐（生物反应器）有效容积（有效容积（L L）F F 培养基体积流量培养基体积流量（L/hL/h）；）；C CS0S0 底物初始浓度底物初始浓度（g/Lg/L）；）；C CS_S_发酵罐内底物浓度发酵罐内底物浓度（g/Lg/L）；）；C CX X发酵罐内菌体浓度发酵罐内菌体浓度（g/Lg/L）；）；一、单级连续发酵（培养）（一、单级连续发酵（培养）（CSTR)VC CX XC CS SFCSoCXoFCSCXC CX0X0-初始接种菌体浓度（初始接种菌体浓度（g/Lg/L）；）
7、；第14页，此课件共52页哦n生长比速率与稀释率的关系生长比速率与稀释率的关系发酵罐浓度视为均一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开始接入微生物细胞（连续进料后不再加入)，当，当连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡：连续稳定进料一定时间后，对细胞平衡：生长量生长量=排出量排出量 V VC CX X=FCFCX X 令：令：D-D-稀释率（稀释率（h h-1-1）即：即：=D=D第15页，此课件共52页哦稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过程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。生长比速率可以人为控制。n连续发酵的必要条件连续发酵的必要条件 D Dma
8、xmax当当D Dmaxmax，发酵就发生，发酵就发生“冲出冲出”现象。现象。*连续发酵连续发酵随着随着D D的变化而变化，自动趋的变化而变化，自动趋向稳态，即向稳态，即=D=D第16页，此课件共52页哦n底物浓度（底物浓度（C CS S）与稀释率的关系：）与稀释率的关系：第17页，此课件共52页哦n菌体相对基质得率系数菌体相对基质得率系数Y Yx/sx/sn菌体浓度与稀释率的关系菌体浓度与稀释率的关系n微生物细胞生产强度微生物细胞生产强度(PX)与稀释率的关系与稀释率的关系第18页，此课件共52页哦n菌体浓度（菌体浓度（C CX X）、底物浓度（）、底物浓度（C CS S）、生产强）、生产强
9、度（度（P Px x）与稀释率（）与稀释率（D D）的关系作图如下：）的关系作图如下：D(h-1)DoptCXDCXCSDCXCXCSDc第19页，此课件共52页哦从上图看出：从上图看出：1 1）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度(生长速率）（生长速率）（DCDCX X）,随着稀释率（随着稀释率（D D）增大）增大而增大，当达到一定的稀释率后，其细胞生而增大，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。产强度随着稀释率增大而降低。2 2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（C CX X）和底物浓度（和底物浓
10、度（C CS S）变化很小。当增大到一定）变化很小。当增大到一定程度，其变化迅速增加。程度，其变化迅速增加。第20页，此课件共52页哦3 3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲）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（始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（D DC C）。）。4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率（D D0pt0pt），即细胞生产强度最高。），即细胞生产强度最高。5 5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率
11、越高（转化率高）。高（转化率高）。第21页，此课件共52页哦 单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高时，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。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，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。第二个罐用作提高转化率
12、。第22页，此课件共52页哦最佳稀率（最佳稀率（D Doptopt)最佳稀释率是细胞生产强度最佳稀释率是细胞生产强度 （生长速率）最（生长速率）最大时的稀释率。大时的稀释率。生产强度对生产强度对D D求导，等于零，即求得稀释率最大值求导，等于零，即求得稀释率最大值D Doptopt第23页，此课件共52页哦最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（C CXoptXopt）及最大）及最大生产强度（生产强度（P PX X)optopt第24页，此课件共52页哦二、两级串联连续发酵（培养）二、两级串联连续发酵（培养）FCSoCXo1 1C CX X1 1V V1 1C CS1S12
13、 2C CX X2 2V V2 2C CS2S2FCS2CX2FCS1CX1第25页，此课件共52页哦连续稳定时连续稳定时，CX0=0对第一个罐细胞平衡对第一个罐细胞平衡：第26页，此课件共52页哦对第二个罐细胞平衡：对第二个罐细胞平衡：第27页，此课件共52页哦两罐串联与单罐连续发酵时间的对比两罐串联与单罐连续发酵时间的对比 假定用两个罐假定用两个罐(等体积）串联连续发酵，第一个罐等体积）串联连续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的的菌体浓度为第二个罐的0.850.85倍。即：倍。即：C CX1X1=0.85C=0.85CX2X2 两罐与单罐排出的底物浓度相等，即：两罐与单罐排出的底物浓度相
14、等，即：C CS2S2=C=CS S单罐发酵时间用单罐发酵时间用表示表示:两罐发酵时间用两罐发酵时间用m m表示：表示：第28页，此课件共52页哦第29页，此课件共52页哦 以上计算，表明用两个罐串联发酵（培以上计算，表明用两个罐串联发酵（培养）时间是单罐发酵时间的养）时间是单罐发酵时间的0.30.3倍，或说双倍，或说双罐串联发酵罐体积是单罐体积的罐串联发酵罐体积是单罐体积的0.30.3倍。反倍。反之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间之，也可以说单罐串联发酵（培养）时间是双罐串联发酵时间的是双罐串联发酵时间的3.333.33倍，或说单罐倍，或说单罐发酵罐体积是双罐发酵罐体积的发酵罐体积是双罐发
15、酵罐体积的3.333.33倍。倍。第30页，此课件共52页哦 两级串联培养，第一级控制最佳稀释率两级串联培养，第一级控制最佳稀释率,达到最大生长速率。第二级保证底物的转达到最大生长速率。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化率。就是根据细胞生长动力学的科学设计。计。第31页，此课件共52页哦三、单罐连续培养三、单罐连续培养(细胞循环细胞循环)FCSCX2FCS0CXVCSRFCSCX1（1+R）FCSCXRFCSCX1对菌体平衡对菌体平衡u发酵罐培养系统菌体平衡发酵罐培养系统菌体平衡u细胞浓缩分离系统菌体平衡细胞浓缩分离系统菌体平衡第32页，此课件共52页哦FCSCX2FCS
16、0C CX XV VC CS SR RF FC CS SCX1（1+R）FCSCXR RF FC CS SC CX X1 1第33页，此课件共52页哦第34页，此课件共52页哦第35页，此课件共52页哦n细胞循环连续发酵讨论细胞循环连续发酵讨论循环与不循环相比：循环与不循环相比：u在转化率和在转化率和发酵罐体积不变时，可发酵罐体积不变时，可提高生产提高生产能力。能力。u在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率（化率（C CS S降低）降低）u在生产能力和转化率一定时，可减小设备体在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。积。u如果细胞不浓缩，如果细胞不浓
17、缩，D=D=，对，对CSTRCSTR无意义。无意义。u生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度。浓度。第36页，此课件共52页哦四四、带循环的带循环的CPFRCPFRV0CS0V0CSfVrCSfV1CS1第37页，此课件共52页哦第38页，此课件共52页哦第39页，此课件共52页哦对系统物料衡算对系统物料衡算：反应时间：反应时间：第40页，此课件共52页哦 带循环的带循环的CPFRCPFR与不带循环的相比，对底与不带循环的相比，对底物的抑制的酶反应起到稀释作用，可提高物的抑制的酶反应起到稀释作用，可提高反应速率。对细胞反应起到了连续接种的反应速率。对细
18、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。环量过大反应速率下降。带循环的带循环的CPFRCPFR，循环量与进料量之比值，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成循环比，反应速率最高时的循环比称最佳循环比。佳循环比。第41页，此课件共52页哦八、微生物细胞反应动力学在生产中的应用八、微生物细胞反应动力学在生产中的应用1 1、酒精生产应用、酒精生产应用酒母培养酒母培养连续发酵连续发酵2、污水处理 厌氧发酵厌氧发酵 好氧发酵好氧发酵第42页，此课件共52页哦n酒精连续发酵酒精连续发酵 酒精连续发酵源于半连续发
19、酵酒精连续发酵源于半连续发酵 19331933年国外就用糖蜜原料进行酒精半连续发酵，采用的技术是年国外就用糖蜜原料进行酒精半连续发酵，采用的技术是对对酵母回收利用酵母回收利用，在利用的过程，在利用的过程酸处理酸处理。操作要点：发酵终了醪液送入酵母分离机，分离相当醪液操作要点：发酵终了醪液送入酵母分离机，分离相当醪液7%7%的酵的酵母乳，将酵母乳送到酵母处理槽加硫酸至母乳，将酵母乳送到酵母处理槽加硫酸至pH3pH3，酸化，酸化6 6小时，小时，然后与糖蜜稀释液一起混合进发酵罐。该技术传到巴西，所有然后与糖蜜稀释液一起混合进发酵罐。该技术传到巴西，所有的酒精工厂都利用。的酒精工厂都利用。第43页，
20、此课件共52页哦举例：举例：例例1 1：日产日产120KL120KL无水酒精，无水酒精，4 4个个30KL30KL酵母罐，酵母罐，1 1个个25KL25KL硫酸罐硫酸罐，1515个个100KL100KL发酵罐，发酵罐，1 1个个10KL10KL糖蜜溶解罐，糖蜜溶解罐，1 1个个100KL100KL醪液备用罐。醪液备用罐。3 3台离心分离机。台离心分离机。设备总容积：设备总容积：1770KL1770KL第44页，此课件共52页哦例例2 2 70 70年代用糖蜜连续酒精发酵，用年代用糖蜜连续酒精发酵，用2 2个发酵罐，个发酵罐，罐径罐径5m5m，高，高8.6m8.6m，总容积，总容积170m170
21、m3 3，将，将6T6T废糖蜜稀释废糖蜜稀释22KL22KL，将，将pHpH调到调到5 5，灭菌。送到发酵罐，稳态后在第一、二，灭菌。送到发酵罐，稳态后在第一、二个罐共停留时间个罐共停留时间10.510.5小时，第二个罐流出的醪液分离的小时，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，回收的酵母酵母流入第一个罐，连续运行两周后，回收的酵母在在pH2pH2下下浸泡浸泡1 1小时后再用。酒精度，第一个罐小时后再用。酒精度，第一个罐6.16.1，第二，第二个罐个罐8.48.4，pH4.74.8pH4.74.8，100Kg100Kg废糖蜜出废糖蜜出2829L2829L酒精。酒精。第45页
22、，此课件共52页哦糖化醪CO2发酵成熟醪酒精连续发酵酒精连续发酵第46页，此课件共52页哦思考题：思考题：1 1、酒精间歇发酵一般用几个发酵罐？是怎样、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？酵冷却用怎样的形式？2 2、啤酒露天发酵罐，高径比值是多少？为什、啤酒露天发酵罐，高径比值是多少？为什么取较大的高径比？么取较大的高径比？3 3、连续发酵为什么自动趋向稳态？、连续发酵为什么自动趋向稳态？4 4、为什么说稀释率是连续发酵的重要参数、为什么说稀释率是连续发酵的重要参数?5 5、酒精连续发酵为什么选用、酒精
23、连续发酵为什么选用5-65-6个罐串联？个罐串联？为什么主要控制第一个罐？为什么主要控制第一个罐？第47页，此课件共52页哦n污水好氧连续发酵污水好氧连续发酵清液曝气池污泥沉淀池污泥循环泵污水污泥 压缩空气第48页，此课件共52页哦卧式沼气发酵池卧式沼气发酵池出料进料第49页，此课件共52页哦l连续发酵应用及控制要点连续发酵应用及控制要点n 污水厌氧连续发酵上流式厌氧污泥床反应器（UASB）第50页，此课件共52页哦第51页，此课件共52页哦 天冠集团实施酒精清洁生产，大力发展循环经济综合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。利用，从
24、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，新上一个处理技术，新上一个30003000立方米的立方米的UASBUASB一级厌氧发酵罐一级厌氧发酵罐，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。用，为高浓度有机废水的处理，探索出了一条新路。第52页，此课件共52页哦