第6章生物反应器中的传质过程课件.ppt

1、 生物反应工程原理生物反应工程原理第六章第六章 生物反应器中的传质过程生物反应器中的传质过程6 6 生物反应器中的传质过程生物反应器中的传质过程1.1.生物反应体系中的传质现象生物反应体系中的传质现象2.2.体积传质系数的测定体积传质系数的测定3.3.影响体积传质系数的主要因素影响体积传质系数的主要因素4.4.发酵体系中的氧传递模型发酵体系中的氧传递模型5.5.溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程与溶氧速率的调节学习目的：学习目的： 了解生物反应体系中的流变学特性与质量传递过程。了解生物反应体系中的流变学特性与质量传递过程。掌握体积溶氧系数的测定方法、影响体积溶氧系数的主要掌握体积溶氧系数的测定方

2、法、影响体积溶氧系数的主要因素和评价高效生物反应器主要指标。因素和评价高效生物反应器主要指标。6 6 生物反应器中的传质过程生物反应器中的传质过程6-1 6-1 生物反应体系中的传质现象生物反应体系中的传质现象 6-1-1 6-1-1 流体的流变学特性流体的流变学特性 6-1-2 6-1-2 发酵液的流变学特性发酵液的流变学特性 6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程 6-1-4 6-1-4 氧传递理论概述氧传递理论概述6-2 6-2 体积传质系数的测定体积传质系数的测定6-3 6-3 影响体积传质系数的主要因素影响体积传质系数的主要因素6-4 6-4 发酵体系中

3、的氧传递模型发酵体系中的氧传递模型6-5 6-5 溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程与溶氧速率的调节本节内容本节内容6-1 6-1 生物反应体系中的传质现象生物反应体系中的传质现象生物反应器是生物技术开发中的生物反应器是生物技术开发中的关键性设备，生物技术成果需要生关键性设备，生物技术成果需要生物反应器才能转化为产品。工业生物反应器才能转化为产品。工业生物过程的成功，依赖于生物反应器物过程的成功，依赖于生物反应器的效率。的效率。生物反应器的设计必须明确目的反应的变化规律生物反应器的设计必须明确目的反应的变化规律和速率变化。和速率变化。6-1 6-1 生物反应体系中的传质现象生物反应体系中的传质现

4、象图图1 黏度对不同过程的影响黏度对不同过程的影响黏度的改变会影响黏度的改变会影响液体的湍流性、界面液体的湍流性、界面张力或液膜阻力等。张力或液膜阻力等。微生物的生命活动微生物的生命活动引起发酵液物理性质引起发酵液物理性质的变化。如黏度、表的变化。如黏度、表面张力和离子强度。面张力和离子强度。2-3-1 2-3-1 固定化酶促反应动力学基础固定化酶促反应动力学基础6-1-1 6-1-1 流体的流变学特性流体的流变学特性流变学特性：液体在外加剪切力流变学特性：液体在外加剪切力 作用下所产生的流变特性，作用下所产生的流变特性，简称流变特性。简称流变特性。外加剪切力的作用会产生相应的剪切速率外加剪切

5、力的作用会产生相应的剪切速率 （即速度梯度或（即速度梯度或切变率，切变率，N/m2或或Pa）。）。两者之间的关系为该流体在给定温度和压力下的流变特性两者之间的关系为该流体在给定温度和压力下的流变特性： )(f上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 （1）2-3-12-3-1 固定化酶促反应动力学基础固定化酶促反应动力学基础 多种经验方程描述非牛顿流体的流变特性。多种经验方程描述非牛顿流体的流变特性。 最简最简单的形式是指数律方程。单的形式是指数律方程。6-1-1 6-1-1 流体的流变学特性流体的流变学特性nK （2）式中：式中：K稠密度指数，或称

6、指数律系数稠密度指数，或称指数律系数Pas； n流变性指数，或称指数律的方次。流变性指数，或称指数律的方次。 牛顿型流体，牛顿型流体，n=1，K= 。非牛顿型流体，将非牛顿型流体，将 / 定名为表观黏度。给定流定名为表观黏度。给定流体的表观黏度是剪切速率的函数。体的表观黏度是剪切速率的函数。6-1-1 6-1-1 流体的流变学特性流体的流变学特性表表1 1 与时间无关的纯黏性流体的流变特性与时间无关的纯黏性流体的流变特性 类类 别别 流变性方程流变性方程 表观黏度表观黏度 a a 示示 例例牛顿型牛顿型假塑型假塑型( (幂律幂律) )膨胀型膨胀型( (幂律幂律) )平汉塑型平汉塑型凯松塑型凯松

7、塑型 恒定不变恒定不变随剪切率的增加而减少随剪切率的增加而减少 随剪切率的增加而增加随剪切率的增加而增加 气体、水、低分子量气体、水、低分子量液体液体, ,低分子化合物的低分子化合物的水溶液水溶液大多数微生物培养液，大多数微生物培养液，淀粉悬浮，纸浆，油淀粉悬浮，纸浆，油漆漆玉米粉和糖溶液，淀玉米粉和糖溶液，淀粉，流沙等粉，流沙等纸浆，牙膏，油，巧纸浆，牙膏，油，巧克力及一些发酵液等克力及一些发酵液等血，蕃茄酱，桔子汁血，蕃茄酱，桔子汁及一些发酵液等及一些发酵液等 a1naK1naKpaK/02210)(PaK21210pKpK010 ,nKn1,nKn 0为屈服应力，为屈服应力，Kp为刚性系

8、数，为刚性系数， Kp为凯松黏度为凯松黏度。6-1-2 6-1-2 发酵液的流变学特性发酵液的流变学特性 影响发酵液流变学特性的因素影响发酵液流变学特性的因素 （1 1）细胞浓度）细胞浓度 发酵液细胞浓度低，发酵液细胞浓度低，流变学特性是牛顿型流体。流变学特性是牛顿型流体。 稀薄的细菌发酵液；稀薄的细菌发酵液； 水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液；水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液； 噬菌体侵害的发酵液等。噬菌体侵害的发酵液等。 （2 2）细胞形态）细胞形态 丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。 丝状菌（霉菌或放线菌）的菌丝体丝状菌（霉菌或放线菌）的菌丝

9、体纠缠在一起，使悬浮液纠缠在一起，使悬浮液黏度达数黏度达数Pas。 团状菌丝体是以稳定的球状积聚生长，直径可达几团状菌丝体是以稳定的球状积聚生长，直径可达几mm。6-1-2 6-1-2 发酵液的流变学特性发酵液的流变学特性表表2 2 发酵液的流变特性发酵液的流变特性产物产物微生物微生物发酵液流变特性发酵液流变特性制霉菌素制霉菌素青霉素青霉素青霉素青霉素青霉素青霉素链霉素链霉素新生霉素新生霉素卡那霉素卡那霉素曲古霉素曲古霉素曲古霉素曲古霉素非洛霉素非洛霉素诺尔斯氏链霉菌诺尔斯氏链霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌产黄青霉菌灰色链霉菌灰色链霉菌雪白链霉菌雪白链霉菌卡那霉素菌卡那

10、霉素菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌牛顿性流体牛顿性流体假塑性流体假塑性流体塑性流体塑性流体胀塑性流体胀塑性流体塑性流体塑性流体塑性流体塑性流体假塑性流体假塑性流体塑性流体塑性流体假塑性流体假塑性流体假塑性流体假塑性流体6-1-2 6-1-2 发酵液的流变学特性发酵液的流变学特性 高黏度培养液的表观黏度随剪切速率的不同高黏度培养液的表观黏度随剪切速率的不同而变化。而变化。 搅拌桨附近，剪切速率大，培养液黏度低；搅拌桨附近，剪切速率大，培养液黏度低； 反应器壁面附近，剪切速率小，培养液黏度反应器壁面附近，剪切速率小，培养液黏度高，流动率较小。

11、高，流动率较小。丝状菌发酵丝状菌发酵6-1-2 6-1-2 发酵液的流变学特性发酵液的流变学特性非牛顿型流体特性；非牛顿型流体特性； 一般呈假塑性流体、胀塑性流体等非牛顿型流体特性。一般呈假塑性流体、胀塑性流体等非牛顿型流体特性。牛顿型流体特性；牛顿型流体特性； 细胞间形成网状结构，菌团在剪切速率下碎成小片，再絮集再细胞间形成网状结构，菌团在剪切速率下碎成小片，再絮集再打碎，溶液呈牛顿型流体特性。打碎，溶液呈牛顿型流体特性。流动特性随时间的变化而变化。流动特性随时间的变化而变化。 例如：链霉素发酵，例如：链霉素发酵，前前24h培养液为胀塑性流体；培养液为胀塑性流体； 48h及及96h呈牛顿型流

12、体特性；呈牛顿型流体特性； 120h呈假塑性流体的特性。呈假塑性流体的特性。 丝状菌培养液丝状菌培养液6-1-2 6-1-2 发酵液的流变学特性发酵液的流变学特性 微小颗粒悬浮液的黏度是多种因素的函数微小颗粒悬浮液的黏度是多种因素的函数细胞颗粒浓度；细胞颗粒浓度；颗粒的形状、大小；颗粒的形状、大小；颗粒的变形度、表面特征等。颗粒的变形度、表面特征等。 例如，青霉素培养液的屈服应力与刚性系数都随发酵例如，青霉素培养液的屈服应力与刚性系数都随发酵时间的增加而增大。时间的增加而增大。 发酵前期与后期：发酵前期与后期： 刚性系数可增加近百倍刚性系数可增加近百倍 表观黏度明显增加。表观黏度明显增加。6-

13、1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程生物工业中不同生产工段，都包含有物质传递过程生物工业中不同生产工段，都包含有物质传递过程 上游操作中的原料预处理；上游操作中的原料预处理； 生化反应器的操作与控制；生化反应器的操作与控制； 下游操作中的产品回收。下游操作中的产品回收。 根据根据Weisz的观点：西勒准数为的观点：西勒准数为1，且无任何扩散，且无任何扩散限制时，细胞和其它成分的生物催化反应以最大反应限制时，细胞和其它成分的生物催化反应以最大反应速率而进行，但事实上达不到。速率而进行，但事实上达不到。 6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过

14、程基质的传质速率低于生物催化剂的反应速率时，生物催化基质的传质速率低于生物催化剂的反应速率时，生物催化剂的催化效率受到基质传递速率的限制。剂的催化效率受到基质传递速率的限制。可提高限制性基质的传递速率来改善产物的生成速率。例可提高限制性基质的传递速率来改善产物的生成速率。例如如单细胞蛋白（单细胞蛋白（SCP）和多糖的发酵。）和多糖的发酵。生物反应过程生物反应过程6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程 氧是一种难溶气体。氧是一种难溶气体。 在在2525和和1 110106 6PaPa时，空气中的氧在纯水中时，空气中的氧在纯水中的溶解度仅为的溶解度仅为0.25mol/

15、m0.25mol/m3 3左右。左右。 培养基中含有大量有机物和无机盐，实际氧培养基中含有大量有机物和无机盐，实际氧在液相中的溶解度就更低。在液相中的溶解度就更低。氧的溶解度氧的溶解度6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程菌体需氧量菌体需氧量 当菌体浓度为当菌体浓度为1015个个/m3，每个菌体体积（含水量，每个菌体体积（含水量80%）为为10-16m3(直径直径5.8m)，细胞呼吸强度为，细胞呼吸强度为2.610-3mol 氧氧/(kg细胞细胞s)，菌体密度为，菌体密度为1000kg/m3，则每立方米培养基的，则每立方米培养基的需氧量为：需氧量为： 2.610-

16、310-1610151000(1-80%) = 0.052mol氧氧/(m3s) = 187.2mol氧氧/(m3h) 即在即在1m3培养基中每小时需要的氧是溶解量的培养基中每小时需要的氧是溶解量的750倍。倍。 在生物反应过程中有效而经济地供氧是极为重要的。在生物反应过程中有效而经济地供氧是极为重要的。6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程微生物对氧的利用率取决于微生物对氧的利用率取决于氧的溶解度；氧的溶解度；氧传递速率。氧传递速率。采取高密度培养方法提高生产效率采取高密度培养方法提高生产效率氧的消耗速度超过氧的传递速度氧的消耗速度超过氧的传递速度氧的传递速度成

17、为生物反应的限制性因素。氧的传递速度成为生物反应的限制性因素。 6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程有的微生物以菌丝团（或絮状物）的形式生长繁殖。有的微生物以菌丝团（或絮状物）的形式生长繁殖。基质必须通过扩散进入菌丝团内，基质的扩散与利用同步基质必须通过扩散进入菌丝团内，基质的扩散与利用同步进行。进行。当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的，且反应速度当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的，且反应速度与基质浓度呈正比时，产物和菌体的生成速度都将低于悬浮与基质浓度呈正比时，产物和菌体的生成速度都将低于悬浮单一细胞的相关速度。单一细胞的相关速度。发酵过程中的扩散限制

18、，可通过减小菌丝团尺寸来解决。发酵过程中的扩散限制，可通过减小菌丝团尺寸来解决。6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程二氧化碳的生成与生物反应的活性有关二氧化碳的生成与生物反应的活性有关大量二氧化碳溶解在反应液中；大量二氧化碳溶解在反应液中；气液两相中的二氧化碳会以不同形式气液两相中的二氧化碳会以不同形式 (CO2,H2CO3 , HCO3-1,CO3-2) 进行进行转变；转变；反应液的反应液的pH值发生变化。值发生变化。 6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程双液相生物反应系统双液相生物反应系统一个典型例子是由碳氢化合物生产单细胞蛋

19、白。一个典型例子是由碳氢化合物生产单细胞蛋白。在反应系统加入氧载体（在反应系统加入氧载体（oxygen vectors，一类具有很高，一类具有很高溶解氧能力的有机物）是一种改善氧传递速度的有效方法。溶解氧能力的有机物）是一种改善氧传递速度的有效方法。6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程固态发酵（固态发酵（Solid state fermentation）通风的作用）通风的作用为微生物提供足够的氧；为微生物提供足够的氧；带走发酵热带走发酵热和部分二氧化碳；和部分二氧化碳；同时还带走大量水分，使湿同时还带走大量水分，使湿度成为决定固态发酵成功与否度成为决定固态发酵成

20、功与否的关键因素之一。的关键因素之一。 营养物质通过细胞膜的传递形式主要有：营养物质通过细胞膜的传递形式主要有： （1）被动传递（又称单纯扩散）被动传递（又称单纯扩散） 营养物由高浓度向低浓度扩散；营养物由高浓度向低浓度扩散； 不需附加能。不需附加能。 （2）主动传递（又称主动运输）主动传递（又称主动运输） 营养物从低浓度向高浓度的扩散；营养物从低浓度向高浓度的扩散； 需消耗能量（代谢能）。需消耗能量（代谢能）。 （3）促进传递（又称促进扩散）促进传递（又称促进扩散） 营养物依靠载体分子（载体蛋白质或渗透酶）的作用营养物依靠载体分子（载体蛋白质或渗透酶）的作用而穿过细胞膜。而穿过细胞膜。细胞膜

21、内的传质过细胞膜内的传质过程程6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程细胞膜磷脂双分子层细胞膜磷脂双分子层对极性分子不通透；对极性分子不通透；阻碍离子和内部代谢产物从细胞内扩散出来；阻碍离子和内部代谢产物从细胞内扩散出来；某些分子通过细胞膜传入，必需有特别的传递某些分子通过细胞膜传入，必需有特别的传递系统。系统。 6-1-3 6-1-3 生物反应器中的传递过程生物反应器中的传递过程 一种溶解物从浓度一种溶解物从浓度c1一边转送到浓度一边转送到浓度c2一边时，有一边时，有以下规则：以下规则： 自由能的变化自由能的变化G为：为：12lnccTRGG （3）式中，式中，R

22、G和和T分别为气体常数和绝对温度。分别为气体常数和绝对温度。 主动传递中，主动传递中，c2c1 ，G，自由能增加；，自由能增加； 被动传递中，被动传递中，c2c1 ，G 消耗速率时，菌体的耗氧速率消耗速率时，菌体的耗氧速率成为限制性因素。成为限制性因素。溶解氧浓度溶解氧浓度 临界值（通常为溶解氧浓度的临界值（通常为溶解氧浓度的10%10%），微生物细胞的呼吸就会不受到抑制，氧的消耗，微生物细胞的呼吸就会不受到抑制，氧的消耗速率就不依赖于溶解氧浓度，为一定值。速率就不依赖于溶解氧浓度，为一定值。氧的比消耗速率是发酵液中溶解氧的双曲函数。氧的比消耗速率是发酵液中溶解氧的双曲函数。6-4-1 6-4

23、-1 氧传递的并联模型氧传递的并联模型XQdyDOdDOyO2222微生物细胞在界膜内，作为生物相占一定空间。由于界膜内多微生物细胞在界膜内，作为生物相占一定空间。由于界膜内多相反应系统在数学处理上十分繁琐，故将其看成均相反应系统相反应系统在数学处理上十分繁琐，故将其看成均相反应系统，并以双膜模型为依据加以讨论。，并以双膜模型为依据加以讨论。好氧反应是在好氧反应是在DODOcri下进行的。如果这一界膜内氧的消下进行的。如果这一界膜内氧的消耗速率对耗速率对DO是是0级反应关系，其衡算式为级反应关系，其衡算式为式中式中DO2为氧的扩散系数。为氧的扩散系数。（1 1）当边界条件当边界条件 y=0 时

24、，时，DOy=DO*； y=L时，时， DOy=DO，解上式得，解上式得*2222222DOyDXQDODOyDXQDOLOOLOOy上式给出了氧在界膜中的浓度变化。上式给出了氧在界膜中的浓度变化。6-4-1 6-4-1 氧传递的并联模型氧传递的并联模型（2 2）6-4-26-4-2发酵系统中的氧衡算发酵系统中的氧衡算串联模型串联模型发酵中溶解氧的浓度取决于氧的传递速度和氧的利用速度。发酵中溶解氧的浓度取决于氧的传递速度和氧的利用速度。气相中的氧经过气液界面，多数氧先经物理吸收后，才为微气相中的氧经过气液界面，多数氧先经物理吸收后，才为微生物消耗。经主体溶液后，氧进入细胞内才进行生化反应。生物

25、消耗。经主体溶液后，氧进入细胞内才进行生化反应。当反应器内气液两相充分混合，且无液深影响，分批式操作，当反应器内气液两相充分混合，且无液深影响，分批式操作，氧的衡算式为：氧的衡算式为：XQDODOakXQOARdtDOdOLO22)(*式中，式中，OAR 为为氧的吸收速率氧的吸收速率( (oxygen absorptive rate) )。（3 3）akeakXQDODOLtLO2*tLOeakXQDODO0*2若若kLa和和Q02为一定值，且为一定值，且 X=X0et ，积分上式得，积分上式得（5 5） （4 4）6-4-26-4-2发酵系统中的氧衡算发酵系统中的氧衡算串联模型串联模型积分的

26、初始条件为积分的初始条件为t = 0时，时，dDO/dt = 0 。一般，。一般， kLa（h-1）值）值在在100以上以上 ，（h-1）值在）值在2以下，显然以下，显然kLa， 这样有这样有et1（/ kLa）。）。因此，上式可以写为因此，上式可以写为由（由（3）式，取）式，取dDO/dt=0，也可简单地推出上式。，也可简单地推出上式。 6-4-26-4-2发酵系统中的氧衡算发酵系统中的氧衡算串联模型串联模型 以上讨论是假定以上讨论是假定kLa和和Q02一定，并且认为一定，并且认为X=X0et。一般情。一般情况下况下，这些假定是不成立的。但稳定状态下总是成立的，即，这些假定是不成立的。但稳定

27、状态下总是成立的，即tLtOtakXQDODO)(2*DOt接近接近0， ，Q02X为为kLa所控制。所控制。分批操作中，分批操作中，kLa是由是由 给出。给出。实际发酵中，为防止氧的限制，由上式所获得的实际发酵中，为防止氧的限制，由上式所获得的DO必须必须大于大于DOcri。 （6 6） )/()(*max2critODODOXQXQDOakOL26-4-26-4-2发酵系统中的氧衡算发酵系统中的氧衡算串联模型串联模型表表1 1 微生物细胞微生物细胞的的DOcri值值 微生物细胞的种类微生物细胞的种类温度温度 DOcri （mmol/L）发光细菌发光细菌维涅兰得固氮菌维涅兰得固氮菌大肠杆菌大

28、肠杆菌酵母酵母产黄青霉菌产黄青霉菌米曲霉米曲霉24.030.037.015.034.020.024.030300.010.0180.0490.00820.00310.0460.00370.0220.0090.0206-4-26-4-2发酵系统中的氧衡算发酵系统中的氧衡算串联模型串联模型上表列出了一些微生物细胞的临界溶解氧值，上表列出了一些微生物细胞的临界溶解氧值，其大小约为溶解氧浓度的其大小约为溶解氧浓度的5%10%，一般在，一般在0.0030.05（mmol/L）之间。）之间。为保证为保证DODOcri，在好氧生化反应器的设，在好氧生化反应器的设计中，必须能够保证计中，必须能够保证kLa值足

29、够大值足够大。6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型丝状菌的培养中，常丝状菌的培养中，常形成直径为几毫米数量形成直径为几毫米数量级的团状物。级的团状物。在团状和絮状的细胞在团状和絮状的细胞集合体中，液体主体湍集合体中，液体主体湍流难以达到其内部。流难以达到其内部。物质传递影响到生物物质传递影响到生物活性。活性。影响好氧发酵中物质影响好氧发酵中物质传递的关键因素是溶解传递的关键因素是溶解氧浓度。氧浓度。 菌丝团呈球型（半径菌丝团呈球型（半径=R）；）；菌丝体密度为菌丝体密度为x（里外密度相同）；（里外密度相同）；菌丝体内物质传递仅由分子扩散所引起；菌丝体

30、内物质传递仅由分子扩散所引起；菌丝体耗氧速率与氧浓度的关系适用米式菌丝体耗氧速率与氧浓度的关系适用米式方程。方程。在以上假定与稳定状态下，有如下方程式。在以上假定与稳定状态下，有如下方程式。CKCQdrdCrdrCdDmOxmax22)(22productDO6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型 （7 7） 6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型 边界条件为：边界条件为：r =R时，时，C=CL； r =0 时，时，dC/dr =0。引入无因次项引入无因次项 y=C/CL，x=r/R，=km/CL，上式变形为

31、，上式变形为yaydxdyxdxyd222max)(662OxLQDCRa其中，其中， x =1时，时，y =1；x =0时，时，dy/dx =0。 （9 9） （8）式的边界条件为：）式的边界条件为： （8 8） 6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型 菌丝团的表观比耗氧速率菌丝团的表观比耗氧速率 可由下述方程式规定。可由下述方程式规定。2OQdrCKCQrdrrQRRmOxOx0max333)()(343422102max3)(22dxyyxQQOO整理得整理得（1111）（1010）式（式（8 8）可以写作）可以写作yyaxdxdyxdxd22（

32、1212）6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型1)()(maxmax22OLmLOQCKCQQ1) 1(32xOdxdyaQQ若取菌丝团表面的比耗氧速率若取菌丝团表面的比耗氧速率作为比较的标准，则菌丝团的耗氧效率因子作为比较的标准，则菌丝团的耗氧效率因子（1515） （1414） 因此因此1102max33)(22xOOdxdyadxdyxaQQ（1313）6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型a a反映了菌丝团中最大反应速率与最大传递速率之比。反映了菌丝团中最大反应速率与最大传递速率之比。反应速率越大，传递

33、速率越小，菌丝团内部缺氧就越反应速率越大，传递速率越小，菌丝团内部缺氧就越严重，效率因子也就越低。严重，效率因子也就越低。yaydxdyxdxyd222 在式中：在式中：（1616）图图3 3 黑曲霉菌丝团的效率因子黑曲霉菌丝团的效率因子6-4-36-4-3菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型左图为左图为对应对应 作图。作图。DCQRLO6)(max2实线是实线是Km=CL(-1)时用时用Runge-Kutta-Gill法对（法对（8）式及边界条件）式及边界条件（15）式计算所得的结果。）式计算所得的结果。虚线是由虚线是由Yano等人研究所得的结等人研究所得的结果。果。

34、小圆点代表由小圆点代表由Yano等人研究黑曲等人研究黑曲霉菌丝团的呼吸作用时所测出的霉菌丝团的呼吸作用时所测出的值。值。6-5 6-5 溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程是在一定条件（如温度、压力、培养基性溶氧方程是在一定条件（如温度、压力、培养基性质和几何比例相近等）下，在小型设备里通过试验建质和几何比例相近等）下，在小型设备里通过试验建立氧传递系数与一些参数之间的关联式，然后再进行立氧传递系数与一些参数之间的关联式，然后再进行模拟放大，应用于生产设备的设计中的带有经验性质模拟放大，应用于生产设备的设计中的带有经验性质的关联式的关联式此经验公式，有一定的应用局限性。此经

35、验公式，有一定的应用局限性。溶氧方程溶氧方程表表2归纳了一些生物反应器的溶氧方程。归纳了一些生物反应器的溶氧方程。影响反应器溶氧速率的主要因素影响反应器溶氧速率的主要因素Pg/V、N、ws、高径比、高径比HL/D及反应器的比例大小。及反应器的比例大小。表表2中：中：D为反应器直径；为反应器直径；Di 为搅拌器叶片直径；为搅拌器叶片直径；NP为搅为搅 拌功率准数；拌功率准数；Ni 为搅拌叶的组数；为搅拌叶的组数；PG/VL 为单位体积反应为单位体积反应 液所输入的搅拌功率；液所输入的搅拌功率；L为叶片长度。为叶片长度。6-5-1 6-5-1 溶氧方程溶氧方程6-5-1 6-5-1 溶氧方程溶氧方

36、程研究者研究者实实 验验 装装 置置溶溶 氧氧 方方 程程测定系统测定系统Coope等等VL=2767L，D=15，21，24，43cm，Di/D=0.4平浆式搅拌器平浆式搅拌器NP=16亚硫酸盐亚硫酸盐山本等山本等VL=2.7，21.2LD=15，30cmDi/D=0.5，涡轮式，涡轮式NP=6亚硫酸盐亚硫酸盐OldshueVL=100000L，D=6.1mH=3.66m，涡轮式，涡轮式NP=8活性污泥活性污泥吉田等吉田等D=15，25，37.5cmDi=6，10，15cm涡轮浆涡轮浆NP=12水水氧气氧气福田等福田等VL=1500L，Di/D=0.5涡轮浆涡轮浆NP=12亚硫酸盐亚硫酸盐田

37、田 口口VL=50000L，D=130cm涡轮浆涡轮浆NP=6水水空气空气阿塞等阿塞等D=10440cm，Di/D=1/3，1/2，涡轮浆，涡轮浆NP=667. 0s95. 0LgL)V/P(68.66ak 5 . 0s94. 0Lg3L)V/P(1032.21ak )V/P( 5 . 7akLgL 32s3223L)DN(8 .11ak 7 . 07 . 0s56. 0LgiGN)V/P()N8 . 20 . 2(ak 56. 0s38. 0LgG)V/P(78. 1ak s3 . 2i5 . 13 . 12 . 04GDNLD103ak 表表 一些微生物反应器的溶氧方程一些微生物反应器的溶

38、氧方程 26-5-2 6-5-2 单位溶解氧功耗单位溶解氧功耗LQgPNaVPPN不同形式和不同大小的反应器，不同形式和不同大小的反应器，kLa值相同，值相同，NP值值可能有很大区别；可能有很大区别；同一反应器，同一反应器，kLa值不同，值不同，NP的差异亦可能很大。的差异亦可能很大。 （1616）式中，式中，PQ为通风所消耗的功率为通风所消耗的功率kLa值作为评价通风生化反应器的重要指标。值作为评价通风生化反应器的重要指标。一个性能良好的反应器，应具有较高的一个性能良好的反应器，应具有较高的kLa值，同时其值，同时其溶解溶解1mol氧所消耗的能量（氧所消耗的能量（NP）应该低。）应该低。6-

39、5-3 6-5-3 溶氧速率的调节溶氧速率的调节提高氧传递速率提高氧传递速率Na的两条途径：的两条途径：一是提高氧传质推动力（一是提高氧传质推动力（c*_c）二是提高二是提高kLa值。值。 )(*ccakNaL由由可以看出可以看出: :6-5-3 6-5-3 溶氧速率的调节溶氧速率的调节 增加操作压力，即增加传质推动力（增加操作压力，即增加传质推动力（c*-c），可以提），可以提高高Na。但操作压力的提高势必提高通风的功率消耗，。但操作压力的提高势必提高通风的功率消耗，因此在实际生产中，在通风压力许可的范围内可以考虑，因此在实际生产中，在通风压力许可的范围内可以考虑，但设计时不宜选择过高的操作

40、压力。但设计时不宜选择过高的操作压力。 提高搅拌转速和增大通风量，对一定的设备而言，提高搅拌转速和增大通风量，对一定的设备而言，都可增大都可增大kLa值，从而提高值，从而提高Na。 例题例题【例例】 有一机械搅拌式反应器，容积为有一机械搅拌式反应器，容积为60m3，实际装液量，实际装液量为为40m3，反应器内压，反应器内压1.515105Pa，培养温度，培养温度30，通风量，通风量为为30m3/min（标准状态），液柱高度等于罐内径，空气中（标准状态），液柱高度等于罐内径，空气中氧的分压（平均值）与液相中氧的分压分别为氧的分压（平均值）与液相中氧的分压分别为0.313105Pa和和0.3031

41、05Pa，单位体积反应液的功率消耗为，单位体积反应液的功率消耗为1.5马力马力/m3，容积传质系数为，容积传质系数为 ，求氧由气相到液相的传质效率求氧由气相到液相的传质效率)atmhm/(kmol)VP(0635. 0K367. 0s95. 0LgV 【解解】由于由于D=HL，所以，所以D2D/4=40，D=3.7m容积传质系数关联式中的气体空塔速度容积传质系数关联式中的气体空塔速度ws为为)/(124)7 . 3)(4(60)515. 1013. 1()273303(302hms )/(1033. 2)/)(10987. 0()124()5 . 1 (0635. 035567. 095. 0

42、PamhkmolPaatmKv)/(94. 04010)303. 0313. 0(1033. 255hkmolPVKvNL)/(9 .164 .2221. 060300hkmolN%6 . 51009 .1694. 01000NN氧由气泡到液相的传质速度氧由气泡到液相的传质速度N为为氧的供给速度氧的供给速度N0为为所以氧的传递效率所以氧的传递效率为为 此时，假定传递到液相的氧全部为微生物所消耗，其氧此时，假定传递到液相的氧全部为微生物所消耗，其氧的利用率也仅为所供氧的的利用率也仅为所供氧的5.6%。例题例题小结小结 发酵系统中，当氧的传递速率大于氧的消耗发酵系统中，当氧的传递速率大于氧的消耗速

43、率时，菌体的耗氧速率成为限制性因素。只要速率时，菌体的耗氧速率成为限制性因素。只要溶解氧浓度高于其临界值，微生物细胞的呼吸就溶解氧浓度高于其临界值，微生物细胞的呼吸就会不受到抑制，氧的消耗速率就不依赖于溶解氧会不受到抑制，氧的消耗速率就不依赖于溶解氧浓度。浓度。 提高氧传递速率提高氧传递速率Na的两条途径：一是提高的两条途径：一是提高氧传质推动力（氧传质推动力（c*-c）。二是提高）。二是提高kLa值。值。思考题思考题1 1. .能否说，提高好氧发酵中氧传递速率的最好的方法是能否说，提高好氧发酵中氧传递速率的最好的方法是提高搅拌。怎样做更为有效？提高搅拌。怎样做更为有效？2.2.一定的搅拌转速

44、和通风一定的搅拌转速和通风（4565）条件下，测定）条件下，测定kLa的结果如表所示的结果如表所示温度温度t()kLa(h-1)C*(kg/m3)（mPas）45505560652122222412462556.6510-36.3510-35.9310-31.6482.5913.5314.4970.463 如果在所试验的温度范围内，气泡直径一定，试如果在所试验的温度范围内，气泡直径一定，试比较此条件下氧传递最大速率与温度的关系，从理论比较此条件下氧传递最大速率与温度的关系，从理论的角度说明产生这种现象的原因。的角度说明产生这种现象的原因。 生物反应工程原理生物反应工程原理第六章第六章 生物反应

45、器中的传质过程生物反应器中的传质过程6 6 生物反应器中的传质过程生物反应器中的传质过程1.1.生物反应体系中的传质现象生物反应体系中的传质现象2.2.体积传质系数的测定体积传质系数的测定3.3.影响体积传质系数的主要因素影响体积传质系数的主要因素4.4.发酵体系中的氧传递模型发酵体系中的氧传递模型5.5.溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程与溶氧速率的调节学习目的：学习目的： 了解生物反应体系中的流变学特性与质量传递过程。了解生物反应体系中的流变学特性与质量传递过程。掌握体积溶氧系数的测定方法、影响体积溶氧系数的主要掌握体积溶氧系数的测定方法、影响体积溶氧系数的主要因素和评价高效生物反应器主要指

46、标。因素和评价高效生物反应器主要指标。6 6 生物反应器中的传质过程生物反应器中的传质过程6-1 6-1 生物反应体系中的传质现象生物反应体系中的传质现象6-2 6-2 体积传质系数的测定体积传质系数的测定6-3 6-3 影响体积传质系数的主要因素影响体积传质系数的主要因素 6-3-1 6-3-1 操作变量操作变量 6-3-2 6-3-2 反应液的理化性质反应液的理化性质 6-3-3 6-3-3 反应器的结构反应器的结构6-4 6-4 发酵体系中的氧传递模型发酵体系中的氧传递模型6-5 6-5 溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程与溶氧速率的调节本节内容本节内容1 1）亚硫酸盐法测定容积氧传递系数

47、）亚硫酸盐法测定容积氧传递系数 亚硫酸根离子的氧化反应速度亚硫酸根离子的氧化反应速度氧的溶解速度。氧的溶解速度。 氧一旦溶解于氧一旦溶解于Na2SO3溶液中立即被氧化，反应液中的溶解溶液中立即被氧化，反应液中的溶解氧浓度为零。氧的溶解速度成为控制氧化反应速度的决定因素。氧浓度为零。氧的溶解速度成为控制氧化反应速度的决定因素。 当当Na2SO3溶液的浓度在溶液的浓度在0.0180.45mol内，温度在内，温度在2045时，反应速度几乎不变。时，反应速度几乎不变。6-2 6-2 体积传质系数的测定体积传质系数的测定422322222SONaOSONaouorCC （1 1）亚硫酸钠的氧化反应式为亚

48、硫酸钠的氧化反应式为6-26-2 体积传质系数的测定体积传质系数的测定水或其他水或其他液体液体+ + NaNa2 2SOSO3 3CuCu2+2+或或CoCo2+2+搅拌搅拌一定一定时间时间取样取样过量过量碘液碘液淀粉淀粉硫硫代代硫硫酸酸钠钠滴滴定定取样取样与与剩余剩余碘液碘液反应反应读数计算计算准准确确读读数数图图1 亚硫酸盐法测定容积氧传递系数亚硫酸盐法测定容积氧传递系数 6-26-2 体积传质系数的测定体积传质系数的测定将测得的反应液中残留的将测得的反应液中残留的Na2SO3浓度与取样时间作图。浓度与取样时间作图。由由Na2S2O3消耗曲线的斜率求出消耗曲线的斜率求出 再由上式求出再由上

49、式求出kLa。)(*ccakNaL由由 式可知式可知 （2 2）*/32cdtdccNaakSONaLdtdcSONa/32)(outinLALGGVcVak 该方法多次取样，而只需要分析出口气体中氧的含量，省该方法多次取样，而只需要分析出口气体中氧的含量，省去滴定操作的去滴定操作的kLa测定方法。测定方法。kLa值可由下式给出值可由下式给出 （3 3）式中：式中：为空气的密度；为空气的密度； VA为空气的体积流量；为空气的体积流量； VL为反应液的体积；为反应液的体积； Gin和和Gout分别为进出口气体中氧的分别为进出口气体中氧的mol分率。分率。 6-26-2 体积传质系数的测定体积传质

50、系数的测定优点：适应优点：适应kLa值较高时的测定。值较高时的测定。缺点：每次实验都要消耗大量的高纯度的亚硫酸盐（针对缺点：每次实验都要消耗大量的高纯度的亚硫酸盐（针对大型反应器）大型反应器） 。注：由于亚硫酸盐法测定注：由于亚硫酸盐法测定kLa是在非培养条件下进行的，因是在非培养条件下进行的，因此，所测此，所测kLa值与实际培养体系的值与实际培养体系的kLa值存在差异。值存在差异。6-26-2 体积传质系数的测定体积传质系数的测定 另外，体积传质系数也有用另外，体积传质系数也有用kGamol/(hmlPa)； Kdmol/(minmlPa)； 和和Kvkmol/(hm3Pa)来表示。来表示。