文档介绍：第5章生化反应器的设计与分析
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按照所使用的生物催化刑的不同,可将其分为酶催化反应器和细胞生化反应器。
根据反应器的操作方式,可分为间歇操作(分批操作)、连续操作和半间歇操作(半连续操作)等多种方式。
常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构特征来分。其中包括釜式、管式、塔式、膜式等。它们之间的主要差别反映在其外型(长径比)和内部结构上的不同。
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图5—2 几种酶反应器及操作方式示意图
(1)间歇式搅拌罐;(2)连续式搅拌罐;(3)多级连续搅拌罐;〔4)填充床(固定床)(5)带循环的固定床;(6)列管式固定床;(7)流化床;(8)搅拌罐-超滤器联台装置; (9)多釜串联半连续操作;(10)环流反应器;(11)螺旋卷式生物反应器
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图5—3几种细胞反应器示意图
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生化反应器设计的最基本内容有:①选择合适的反应器型式,根据反应及物料的特性和生产工艺特征,确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等;②确定量佳操作条件及其控制方式,如温度、压力、PH、通气量、物料流量等;③计算出所需反应器体积,设计各种结构参数等。
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反应器设计的基本方程有三类:①描述浓度变化的物料衡算式; ②描述温度变化的能量衡算式。或称为能量方程; ③描述压力变化的动量衡算式;(建立这三类方程的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。) ④反应动力学方程式; ⑤热力学计算式;⑥各种传递参数的计算式等。
变量分因变量和自变量两种。
在反应器设计和分析中,建立物料衡算式时通常以反应组分的浓度或某组分的转化率做为因变量;能量衡算式和动量衡算式则分别以反应物系的温度和压力做因变量。
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对于自变量,有时间自变量和空间自变量两种。对于定态过程。由于因变量与时间无关,因此在建立衡算式时就不须考虑时间变量,非定态过程则两种自变量均要考虑。考虑空间自变量时,一般只限于一维——以反应器的轴向距离为空间自变量。
所谓控制体积是指建立衡算式的空间范围,即在多大的空间范围内进行衡算。其选择原则是以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。
输入=输出十消耗十累积
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间歇操作搅拌槽式反应器(BSTR)
tr;tb
对间歇搅拌槽式反应器做物料衡算时,应掌握其两个主要特性:一是在反应进行过程中无物料的输入和输出;二是由于搅拌的作用,反应器内物料充分混合,浓度均一,而且反应物系的浓度仅随反应时间而变化。因此可以对整个反应器做物料平衡。根据式(5—1),对间歇操作的搅拌稿式反应器,其物料衍算式应为
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(5-5)
反应组分转化速率=一反应组分的累积速率
对液相反应:
(5-6)
若令t=0,Cs=Cs0;t=tr, Cs=Cs,分离变量积分可得:
(5-8)
(5-7)
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