【第三届原创参赛】生物反应器的设计和分析 原创翻译 Design and Analysis of Biological Reactors

楼主作品不完整啊！！期待继续补充和完善
在完成之前暂时不收录在参赛作品列表中！由于是最后一个月参赛了~~所以楼主一定要在月末之前补充完整哦~

活塞流模型

活塞流，就是这垂直于流体流动方向的横截面上的流体粒子的年龄相同。因此，不存在不同年龄的流体粒子之间的混合，或者说不存在不同停留时间的流体粒子之间的混合。需要指出的是，这种混合式宏观尺度的，所以又称为宏观混合。对于活塞流，虽然同一横截面上流体粒子年龄相同，但这一截面与另一截面上的流体粒子的年龄则是不同的。因此，可以认为活塞流图存在轴向混合，或者说返混合为零。

全混流模型

全混流反应器内的流体由于受到强进烈的搅拌作用，进入反应器的流体粒子有一部分在反应器内停留时间很短，很快从出口离开了反应器，也会有一部分粒子到了出口附近，纲要离开又被搅了回来，致使这些粒子在反应器中停留时间极长。因此流体粒子在全混流反应器中的停留时间有长有短，参差不齐的，即存在着不同的停留时间的流体粒子之间的混合，称为宏观混合/返混。这种混合程度与搅拌有关，搅拌越强烈，返混程度越严重。当返混程度达到最大时，则反应器内不同停留时间的流体粒子间达到最大混合，或称为完全混合，此时反应器内物料浓度处处相同，这就是全混流模型。

第一节、理想的生物反应器

（9-1）

（9-2）

（9-3）

CSTR的基本设计式

第二节、反应器中非理想的混合

The time mixing denotes the time required for the tank composition to achieve a specific level of homogeneity following addition of a tracer pulse at single point of the vessel.

实验测定 　停留时间分布的实验测定采用信号响应法。在设备进口处输入一定信号(通常为一种示踪物,如某种有色液体),在出口处连续或定时地检测对于输入信号的响应值，如示踪物浓度C（τ），即得响应曲线。



信号应既不影响流动状态，又便于分析检测，本身性质亦不发生变化。可以采用具有不同特征的输入信号，常用的有：①脉冲信号。在极短时间内，在设备进口处一次输入一定量的示踪物,在出口处获得示踪物的浓度C_E,即可得响应曲线C_E(τ)(图3a)。

连续灭菌流程及设备

连续灭菌具有如下的优点：

（1）提高产量。与分批灭菌相比培养液受热时间短，可缩短发酵周期，同时培养基成分破坏较少。

（2）产品质量较易控制。

（3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。

（4）适宜采用自动控制。

（5）降低劳动强度。

在连续灭菌过程中，蒸汽用量虽平稳，但气压一般要求高于0.5Mpa（表压）。连消设备比较复杂，投资较大。采用连续灭菌时，发酵罐应在连续灭菌开始前先进行空消，以容纳经过灭菌的培养基。加热器、维持罐和冷却器也应先进行灭菌，然后才能进行培养基连续灭菌。组成培养基的耐热性物料和不耐热性物料可在不同温度下分开灭菌，以减少物料受热破坏的程度，也可将糖和氮源分开灭菌，以免醛基与氨基发生反应而生成有害物质。对于粘度过高或固体成分较多的培养基要实现连消困难较多，主要是灭菌的均匀度问题。设计这类物料的连消设备必须避免管道过长，或尽可能将淀粉质物料先行液化。

实现连续灭菌，有两种方案。一是利用热交换器对发酵介质进行间接加热和冷却，其特点是单位体积热交换器具有较高的传热面积。第二种是用蒸汽直接喷射加热发酵介质。被加热后的介质继而通过保温段，最后用闪蒸膨胀法进行冷却，该方法的特点加热、冷却过程进行的很快，有利于实现灭菌要求的高温短时。目前应用较多的是第二种方法。

固定化酶的性质

影响酶催化活性的因素:1. 构象改变或立体屏蔽以及微扰2. 分配效应和扩散限制效应

（一）酶的活性 ：通常低于天然酶（有例外）。

（二）酶的稳定性：酶的耐热性、对变性剂、抑制剂、蛋白酶的抵抗力增加。 可能的原因：①固定化增加了酶活性构象的牢固程度， 可防止酶分子伸展变形；②抑制酶的自身降解。③固定化部分阻挡了外界不利因素对酶的侵袭。

（三）酶的最适温度： 最适温度与酶稳定性有关。多数酶固定化后热稳定性上升，最适温度也上升（有例外）。

（四）酶的最适pH



由于酶失活是不可避免的，所以要保持恒定的酶活力，就必须进行催化剂的再生、新催化剂的补充或更换，这就要求反应器应具备相应的结构。底物的性质是选择反应器的另一重要因素。－般来讲，细粒状和胶状底物有可能阻塞填充柱或发生分层，这时可使用循环式反应器或流化床反应器。另外，在考虑反应器的价格时，不要忽略固定化酶本身的价格。

应用

日本的一家公司已经将固定化酵母应用于乙醇生产的中试规模（流化床反应器）。并且，产物得率（糖—乙醇）已经达到理论最大产率的95%，相对于总体积的乙醇产量已达到20g/(L.h).