1、第六章 生物反应器中的传质过程.生物反应器是生物技术开发中的关键性设备，生物技术成果大多需要生物反应器才能转变为产品。工业生物过程的成功，很大程度上依赖于生物反应器的效 率。塔式反应器用于单细胞蛋白生产，原因之一是它在低能耗下，具有较高的氧传递效率。.进行生物反应器设计必须明确目的反应的变化规律和速率变化。前者可从生物学(包括微生物学、生物化学、生物能量学等)中获得满意的结果；后者涉及了各 种速率过程，如生物反应动力学(酶促反应动力学、发酵动力学等)、传质(包括反应液的流变学特性等)与传热的速率等。.为便于理解生物反应器设计理论，本章介绍流变学方面的基本知识；好氧生物 反应器中氧的传递与微生物
2、呼吸；体积溶氧系数及相关因素；溶氧方程及溶氧速率的调节等。.61 生物反应体系的流变特性 生物工业中经常遇到空气、水、发酵液和滤液等气体或液体，尽管种类多，但它们的流动与输送都遵循共同的基本规律。以发酵过程为例，由于微生物的生命活动，分解并利用营养成分，积累代谢产物，引起了发酵液的物理性质，如黏度、表面张力和离子强度等的变化。.另外，发酵液黏度的改变会影响液体的湍动性、界面张力或液膜阻力等。图61是黏度对不同过程影响的示意图。由图61可知，了解发酵液流变学特性的变化(特别是黏度变化)，对掌握生物反应过程传质与混合特点，进而改进发酵过程控制工艺条件及生物反应器设计都有重要意义。.6.1.1 流体
3、的流变学特性流体的流变学特性发酵液的流变学特性是指液体在外加剪切力，作用下发酵液的流变学特性是指液体在外加剪切力，作用下所产生的流变特性，简称流变特性。当给定的流体所产生的流变特性，简称流变特性。当给定的流体在外加剪切力的作用下，一定产生相应的剪切速率在外加剪切力的作用下，一定产生相应的剪切速率r(即速度梯度或切变率，单位为即速度梯度或切变率，单位为Pa)，两者之间的关两者之间的关系为该流体在给定温度和压力下的系为该流体在给定温度和压力下的流变特性：流变特性：(61)式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。生物式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。生物反应醪液多属与时间反应醪液多属与时间无关
4、的黏性流体范围无关的黏性流体范围(表表61)。.有多种经验方程来描述非牛顿型流体的流变特性，其中最简单的形式是指数律方程。.612 发酵液的流变学特性 发酵液中的主要成分是菌体，因此，发酵发酵液中的主要成分是菌体，因此，发酵液流变学特性受菌体的大小和形状的液流变学特性受菌体的大小和形状的 影影响。一些稀薄的细菌发酵液，以水解糖响。一些稀薄的细菌发酵液，以水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液，为噬菌或糖蜜为原料培养酵母的醪液，为噬菌体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状菌菌(霉菌或放线菌霉菌或放线菌)悬浮液不同于细菌和酵悬浮液不同于细菌和酵母母菌悬浮液，菌丝呈丝状或团状
5、。菌悬浮液，菌丝呈丝状或团状。.丝状菌的菌丝一般有一个以上的分枝，这些菌丝长为50一500um，直径为910um。反应器中，这些菌丝体纠缠在一起，使悬浮液黏度达数Pas。团状菌丝体是以稳定的球状积聚在一起而生长，其直径可达几毫米。无论是丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。表62给出了一些发酵液的流变特性。.丝状菌发酵中，高黏度发酵液的表观黏度明显随剪切速率的不同而变化。同一反应器中，离搅拌器远近位置的不同，流动特性明显不同。搅拌桨附近，由于剪切速率较大，发酵液黏度较低；反应器壁面附近，由于剪切速率小，发酵液黏度较高，且流动速率较小。.一般丝状菌(霉菌、放线菌)的发酵液呈假塑型流体、胀塑型流
6、体等非牛顿型流体特性，并且发酵液的流动特性还随时间变化。例如，链霉素发酵中，前24h发酵液为胀塑型流体，48h及96h呈牛顿型流体特性，120h呈假塑型流体的特性。.微小颗粒(如菌体)悬浮液的黏度是多种因素的函数，除依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、颗粒的变形度、表面特性等因素影响。在霉菌或放线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅度变化。例如，青霉素发酵液的屈服应力与刚性系数都随发酵时间的增加而增大。发酵后期与前期相比，刚性系数可增加近百倍，表观黏度明显增加。.丝状菌发酵中，菌体相互间易形成网状结构，在一定的剪切速率下，团状结构的菌团可被打碎成小片，虽然这些小碎片可再聚集起来，但
7、在高剪切速率下，絮集起来的菌团又将被打碎，使发酵液呈牛顿型流体特性。总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热量的传递、混合特性及菌体生长等产生影响，这给工艺过程控制与设备放大带来困难。.62 生物反应器中的传递过程 生物工业中的不同生产工段，都包含有物质传递过程，如上游操作中的原料预处理，生化反应器的操作与控制，下游操作中的产品回收。根据Weisz的观点：“西勒准数为l，且无任何扩散限制时，细胞和其他成分的生物催化反应以最大反应速率而进行”。但事实上，又总达不到，这说明了传递过程的重要性。.生物反应系统中，反应物(基质)从反应液主体到生物催化剂(微生物细胞、固定化酶或细胞等)表面的传递过
8、程对生物反应过程影响很大，特别是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将受到基质传递速率的限制。因而，在一些发酵过程，如SCP和多糖发酵中，产物的生成速率可通过提高限制性基质的传递速率来加以改善。.即在1m3培养基中每小时需要的氧是溶解量的750倍。若中止供氧，几秒钟内菌体 将会把溶解氧耗尽，因此，在生物反应过程中有效而经济地供氧是极为重要的。微生物对氧的利用率首先取决于发酵液中氧的溶解度和氧传递速率。.有时采取提高生物催化剂有时采取提高生物催化剂(如微生物细胞如微生物细胞)浓度的高密度培养方法提高生产效率，浓度的高密度培养方法提高生产效率，然而，高密度的细胞将使溶解氧
9、迅速耗然而，高密度的细胞将使溶解氧迅速耗尽，使氧的消耗速度超过氧的传递速度。尽，使氧的消耗速度超过氧的传递速度。此时，从气相到液相的氧的传递速度成此时，从气相到液相的氧的传递速度成为生物反应的限制性因素，为提高微生为生物反应的限制性因素，为提高微生物的反应速度，就必须提高氧的传递速物的反应速度，就必须提高氧的传递速度。度。.发酵过程中，有的微生物以菌丝团(或絮状物)的形式生长繁殖，这时，基质必须通过扩散进入菌丝团内，基质的扩散与利用是同步进行的。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，产物的生成速度和菌体的生成速度都将低于悬浮单一细胞的相应速度。为克服发酵过程中的
10、扩散限制，可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。.一般二氧化碳的生成与生物反应的活性有关，一般二氧化碳的生成与生物反应的活性有关，生物反应过程中，常会有大量二生物反应过程中，常会有大量二氧化碳溶解氧化碳溶解在发酵液中，气液两相中的二氧化碳会以不在发酵液中，气液两相中的二氧化碳会以不同形式同形式(CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-)进行进行转变，导致反应液的转变，导致反应液的pH发生变化。发生变化。.双液相生物反应系统中一个典型例子是由双液相生物反应系统中一个典型例子是由碳氢化合物生产碳氢化合物生产SCP。如何提高双液相如何提高双液相反应系统中基质的传递速度也是非常重反应系统中基质的传递速度
11、也是非常重要的课题。另外，在双液相生化反应系要的课题。另外，在双液相生化反应系统加入氧载体统加入氧载体(oxygenvector)一类具一类具有很高溶解氧能力的有机物，也是一种有很高溶解氧能力的有机物，也是一种改善氧传递速度的有效方法。改善氧传递速度的有效方法。.固态发酵固态发酵(solid state fermentation)中，通中，通风的作用除为微生物提供足够的氧外，风的作用除为微生物提供足够的氧外，还带走发酵热还带走发酵热(fermentationheat)和部分和部分二氧化碳。同时，通风还带走了大量水二氧化碳。同时，通风还带走了大量水分，使湿度成为决定固态发酵成功与否分，使湿度成为
12、决定固态发酵成功与否的关键因素之一。的关键因素之一。.621 氧传递理论概述氧传递理论概述 好氧发酵中氧的传递途径如图好氧发酵中氧的传递途径如图62。氧传递。氧传递阻力包括气膜阻力阻力包括气膜阻力lk1、气液界面气液界面 阻力阻力lk2。、。、液膜阻力液膜阻力1k3。、。、反应液阻力反应液阻力1k4、细胞外液膜阻力细胞外液膜阻力1k5、液体与细胞之液体与细胞之间界面的阻力间界面的阻力lk6，、，、细胞之间介质的阻细胞之间介质的阻力力1k7，和细胞内部传质的阻力和细胞内部传质的阻力1k8(包包括氧传递到细胞呼吸酶处的阻力括氧传递到细胞呼吸酶处的阻力)等。等。.若总阻力计为若总阻力计为R，则，则，
13、式中，式中，Ri为为i阶段的分阻力。阶段的分阻力。稳态时，各阶段的氧传递速率稳态时，各阶段的氧传递速率N为一定，则为一定，则.微生物反应中的传质过程很复杂。几十年来，微生物反应中的传质过程很复杂。几十年来，在提出的一些传质基本理论中，被广泛用来在提出的一些传质基本理论中，被广泛用来解释传质机制和作为设计计算的主要依据是解释传质机制和作为设计计算的主要依据是停滞膜模型。该模型的基本论点是：停滞膜模型。该模型的基本论点是：(1)在气液两个流体相间存在界面，界面两旁在气液两个流体相间存在界面，界面两旁具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜，这两具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜，这两层稳定的薄膜在任何流体动
14、力学条件下，均层稳定的薄膜在任何流体动力学条件下，均呈滞流状态；呈滞流状态；.(2)在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡(空气中空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态)，即界面上不存在氧传递阻力。即界面上不存在氧传递阻力。(3)在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力，因此，氧由气相主体到液相主体所遇到阻质阻力，因此，氧由气相主体到液相主体所遇到阻力仅存在于两层滞流膜
15、中。力仅存在于两层滞流膜中。.气液界面附近氧分压与浓度的变化如图气液界面附近氧分压与浓度的变化如图63所示。所示。.对于氧的传递速率，以液相浓度为基准可得下式对于氧的传递速率，以液相浓度为基准可得下式.各传质阻力的大小取决于气体的溶解度。如果气各传质阻力的大小取决于气体的溶解度。如果气体在液相中的溶解度高，如氨气溶于水中时，体在液相中的溶解度高，如氨气溶于水中时，液相的传质阻力相对于气相的可忽略不计；反液相的传质阻力相对于气相的可忽略不计；反之，对溶解度小的气体，总传质系数之，对溶解度小的气体，总传质系数KL接近液接近液膜传质系数膜传质系数kL，此时，总传质过程为液相中的此时，总传质过程为液相
16、中的传递过程所控制。由于氧是难溶气体，因此，传递过程所控制。由于氧是难溶气体，因此，有有.以上是以微生物只利用溶解于液体中的氧为依据进以上是以微生物只利用溶解于液体中的氧为依据进行讨论的。实际上，液膜中行讨论的。实际上，液膜中 存在的微生物细胞也存在的微生物细胞也可直接利用空气中的氧气，但其数量与发酵液内部可直接利用空气中的氧气，但其数量与发酵液内部的微生物细胞的数量相比甚微，故可不考虑。另外，的微生物细胞的数量相比甚微，故可不考虑。另外，当发酵液混合充分，不发生细胞絮凝现象时，传质当发酵液混合充分，不发生细胞絮凝现象时，传质阻力阻力7(图图62)也不再考虑。也不再考虑。体积传质系数也有用体积
17、传质系数也有用kGamol(hmlPa)、Kdmol(minmlPa)和和Kvkmol(hm3Pa)来表示。来表示。.6.2.2 细胞膜内的传质过程细胞膜内的传质过程 营养物质通过细胞膜的传递形式主要有：被动传递营养物质通过细胞膜的传递形式主要有：被动传递(又称单纯扩散又称单纯扩散)、主动传递、主动传递(又称主动运输又称主动运输)和促和促进传递进传递(又称促进扩散又称促进扩散)。被动传递是营养物通过。被动传递是营养物通过简单扩散传递，即由浓度梯度所产生简单扩散传递，即由浓度梯度所产生(由高浓度向由高浓度向低浓度低浓度)，故不需附加能。主动传递是营养物从低，故不需附加能。主动传递是营养物从低浓度
18、向高浓度的扩散浓度向高浓度的扩散(逆浓度梯度逆浓度梯度)，需消耗能量，需消耗能量(代谢能代谢能)。促进传递是营养物。促进传递是营养物依靠载体分于依靠载体分于(载体载体蛋白质或渗透酶蛋白质或渗透酶)的作用而穿过细胞膜。的作用而穿过细胞膜。.细胞膜有一磷脂双分子层，其对极性分子细胞膜有一磷脂双分子层，其对极性分子不通透，这一双分子层阻碍离于和内不通透，这一双分子层阻碍离于和内 部部代谢产物从细胞内扩散出来。同样，某代谢产物从细胞内扩散出来。同样，某些分子如葡萄糖、些分子如葡萄糖、Na+、K+等，通过细胞等，通过细胞膜传入，必须有特别的传递系统。一种膜传入，必须有特别的传递系统。一种溶解物从浓度溶解
19、物从浓度c1一边转送到浓度一边转送到浓度c2一边时，一边时，有以下规则：有以下规则：自由能的变化自由能的变化G为为.主动传递中，推动力是靠主动传递中，推动力是靠ATP水解释放的能水解释放的能量来进行的。例如，量来进行的。例如，H+从血浆从血浆(pH74)到哺乳动物胃液到哺乳动物胃液(pH1)的浓度梯度近似的浓度梯度近似为为106，传递，传递10g当量的当量的H+的的0自由能变自由能变化化G3361J(20)，这些能量来自这些能量来自ATP的水解。的水解。.促进传递是借助载体分子完成的，被传递的化合促进传递是借助载体分子完成的，被传递的化合物在膜外与载体分子结合后，扩散到膜的另一物在膜外与载体分
20、子结合后，扩散到膜的另一边，在细胞内将载体分子释放出。促进传递的边，在细胞内将载体分子释放出。促进传递的特征之一是其传递速率与酶促反应中的米氏方特征之一是其传递速率与酶促反应中的米氏方程类似。当传递的化合物浓度较低时，传递速程类似。当传递的化合物浓度较低时，传递速率与浓度呈线性关系，而当浓度增至一定程度率与浓度呈线性关系，而当浓度增至一定程度后，传递速率呈饱和状态。载体传递有很大的后，传递速率呈饱和状态。载体传递有很大的选选择性和针对性。择性和针对性。.63 体积传质系数的测定及其影响因素体积传质系数的测定及其影响因素631 体积传质系数的测定体积传质系数的测定6311 亚硫酸盐法测定容积氧传
21、递系数亚硫酸盐法测定容积氧传递系数 氧的体积传质系数氧的体积传质系数kLa的测定方法有多种，亚硫酸盐的测定方法有多种，亚硫酸盐法是应用较为广泛的方法之一。正常条件下，亚硫酸法是应用较为广泛的方法之一。正常条件下，亚硫酸根离子的氧化反应非常快，远大于氧的溶解速度。当根离子的氧化反应非常快，远大于氧的溶解速度。当Na2S03溶液的浓度在溶液的浓度在0018045mol内，温度在内，温度在2045时，反应速度几乎不变，所以，氧一旦溶解时，反应速度几乎不变，所以，氧一旦溶解于于Na2S03溶液中立即被氧化，反应液中的溶解氧浓度溶液中立即被氧化，反应液中的溶解氧浓度为零。此时氧的溶解速度为零。此时氧的溶
22、解速度(氧传递速度氧传递速度)成为控制氧化成为控制氧化反应速度的决定因素。反应速度的决定因素。.以铜以铜(或钴或钴)离子为催化剂，亚硫酸钠的氧离子为催化剂，亚硫酸钠的氧化反应式为化反应式为：过量的碘与反应剩余的过量的碘与反应剩余的Na2SO3反应，再用反应，再用标准的标准的Na2S2O3溶液滴定剩余的碘。根据溶液滴定剩余的碘。根据Na2S2O3，溶液消耗的体积数，可求出溶液消耗的体积数，可求出Na2SO3的浓度。由的浓度。由(68)式可知式可知(由于由于c=0).亚硫酸盐法的优点是适应亚硫酸盐法的优点是适应kLa值较高时的测定，但对大值较高时的测定，但对大型反应器来讲，每次实型反应器来讲，每次
23、实验都要消耗大量的高纯度的亚验都要消耗大量的高纯度的亚硫酸盐。硫酸盐。.6312 动动 态态 法法 虽然亚硫酸盐法简便，使用范围广，但其测定虽然亚硫酸盐法简便，使用范围广，但其测定kLa是在非培养条件下进行的，因此所测是在非培养条件下进行的，因此所测kLa值值与实际培养体系的与实际培养体系的kLa值存在差异。采用氧电值存在差异。采用氧电极测量极测量kLa除具有操作简单，受溶液中其他离除具有操作简单，受溶液中其他离子干扰少外，还可在微生物培养状态下快速、子干扰少外，还可在微生物培养状态下快速、连续地测量所得信息可迅速为发酵过程控制所连续地测量所得信息可迅速为发酵过程控制所参考，因此，在实际培养体
24、系中常使用氧电极参考，因此，在实际培养体系中常使用氧电极法法测定测定kLa。.利用氧电极进行利用氧电极进行kLa的测量有多种方法，动态法是常用的测量有多种方法，动态法是常用的方法之一。通风培养液中氧的物料衡算为：的方法之一。通风培养液中氧的物料衡算为：根据培养液中溶解氧浓度变化速率，可以求出根据培养液中溶解氧浓度变化速率，可以求出QO2X(图图64)。当液体的溶氧浓度下降到一定程度时。当液体的溶氧浓度下降到一定程度时(不低于临界溶解氧不低于临界溶解氧浓度浓度)，再恢复通气，培养液中溶解氧浓度，再恢复通气，培养液中溶解氧浓度将逐渐升高，最后将逐渐升高，最后恢复到原先的水平。恢复到原先的水平。.由
25、(344)式可得：以上操作过程中降低溶解氧浓度的方法是利用微生物的呼吸作用。也可以上操作过程中降低溶解氧浓度的方法是利用微生物的呼吸作用。也可使用氮气置换溶液中溶解氧的方法，测定使用氮气置换溶液中溶解氧的方法，测定KLa值。值。.6313 稳稳 态态 法法 稳定状态下，(344)式左边为零，因此即耗氧速率等于供氧速率。利用氧电极测定反应液中溶解氧浓度c，KLa为.6314 葡萄糖氧化法葡萄糖氧化法 葡萄糖氧化法是在有氧条件下，利用葡萄葡萄糖氧化法是在有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶糖氧化酶(glucose oxidase)的催化作用，的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定通过葡萄糖生成葡萄酸
26、的反应，测定KLa的方法。利用一定浓度的氢氧化钠的方法。利用一定浓度的氢氧化钠溶液溶液滴定一定量反应液至中性，由氢氧化钠滴定一定量反应液至中性，由氢氧化钠的消耗求出氧的溶解速度的消耗求出氧的溶解速度Na。.该方法的优点是葡萄糖溶液接近实际培养液，具有实用性，该方法的优点是葡萄糖溶液接近实际培养液，具有实用性，但受酶来源的影但受酶来源的影响，使用有局限性。响，使用有局限性。.632 影响影响KLa的因素的因素 从一定意义上讲，KLa愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好，因此，有必要了解与KLa值相关的影响因素，以确保获得适宜的KLa值。影响KLa的因素可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构
27、3个部分。操作变量包括温度、压力、通风量和转速(搅拌功率)等；发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的型式等。当然有些因素是相互关联的。.6321 操作变量操作变量 (1)通风与搅拌通风与搅拌 由双膜理论可知，由双膜理论可知，KL是液相扩散系数是液相扩散系数DL和滞流层厚度和滞流层厚度的函数。实验表明，在的函数。实验表明，在 不同尺寸的搅拌罐中，不同尺寸的搅拌罐中，KL与与(PVL)0.26成成正比，即正比，即KL与罐的大小无关。对高湍流与罐的大小无关。对高湍流鼓泡式
28、反应器，可利用下式估算鼓泡式反应器，可利用下式估算KL：.由于由于KL为气泡直径和所处流体动力学特性所左右，为气泡直径和所处流体动力学特性所左右，因此，有必要讨论实际发酵系统中气泡大小的因此，有必要讨论实际发酵系统中气泡大小的分布和流动类型。反应器中气泡流动方式分为分布和流动类型。反应器中气泡流动方式分为两类：一类是气泡自由上升两类：一类是气泡自由上升(如在鼓泡罐、塔如在鼓泡罐、塔式反应器、气升式反应器和工业中常用的搅拌式反应器、气升式反应器和工业中常用的搅拌罐等中罐等中)；另一类是呈高湍流型；另一类是呈高湍流型(主要是实验室主要是实验室中使用的反应器及小型搅拌罐中中使用的反应器及小型搅拌罐中
29、)。大型发酵。大型发酵罐归为前一类，这是因为虽然在搅拌桨附近液罐归为前一类，这是因为虽然在搅拌桨附近液体呈高湍流状态，但对反应器整体呈高湍流状态，但对反应器整体的传质，湍体的传质，湍流影响并不大。对鼓泡式反应器的流影响并不大。对鼓泡式反应器的A、关联式关联式有有:.6323 反应器结构因素的影响反应器结构因素的影响 为寻找一种氧由气泡传递到液体的高效率空气分布器，生化工程学者曾对多种形式的空气分布器的氧传递能力进行研究。.通用式发酵罐中搅拌器的组数及搅拌器之间的最通用式发酵罐中搅拌器的组数及搅拌器之间的最适距离对溶氧有一定的影响。实验表明，搅拌适距离对溶氧有一定的影响。实验表明，搅拌器组数和间
30、距在很大程度上要根据发酵液的特器组数和间距在很大程度上要根据发酵液的特性来确定，只有这样才能达到较好的溶解氧效性来确定，只有这样才能达到较好的溶解氧效果。一般地讲，当高径比为果。一般地讲，当高径比为25时，用多组搅时，用多组搅拌器可提高溶氧系数拌器可提高溶氧系数10，当高径比为，当高径比为4时，时，采用较大空气流速和较大功率时，多组搅拌采用较大空气流速和较大功率时，多组搅拌 可提高溶氧系数可提高溶氧系数25。但是，当搅拌器之间的。但是，当搅拌器之间的位置不恰当时，液体流型和空气分布位置不恰当时，液体流型和空气分布将发生变将发生变化，引起体积溶解氧系数大幅度下降。化，引起体积溶解氧系数大幅度下降
31、。.带有搅拌装置的反应器都应安装适当的挡带有搅拌装置的反应器都应安装适当的挡板或以垂直冷却管兼当挡板用，否则，板或以垂直冷却管兼当挡板用，否则，搅拌会使液体形成中心下降的旋涡。挡搅拌会使液体形成中心下降的旋涡。挡板可以使液体形成某种轴向运动，减少板可以使液体形成某种轴向运动，减少 回旋运动，不让大量空气通过旋涡外逸，回旋运动，不让大量空气通过旋涡外逸，从而提高了气液混合效果，改善氧的传从而提高了气液混合效果，改善氧的传递递条件。一般反应器可装条件。一般反应器可装4块挡板，装得块挡板，装得太多，通气效率也不会有很大的提高。太多，通气效率也不会有很大的提高。.当空气流量和单位体积功耗不变时，通气当
32、空气流量和单位体积功耗不变时，通气效率随高径比的增大而增大。经验表效率随高径比的增大而增大。经验表 明；明；当反应器的高径比由当反应器的高径比由1增加到增加到2时，时，KLa可可增加增加40左右；由左右；由2增加到增加到3时，时，KLa增加增加20。因此，人们倾向于采用较高的高。因此，人们倾向于采用较高的高径比。径比。.对气流搅拌式生化反应器，当采用非黏性液对气流搅拌式生化反应器，当采用非黏性液体的发酵物系，可用以下方程获得体的发酵物系，可用以下方程获得KLa值值.64 发酵系统中的氧传递发酵系统中的氧传递 一般认为，发酵系统中氧由气相到液相的一般认为，发酵系统中氧由气相到液相的总传质系数近似
33、等于液膜传质系数。总传质系数近似等于液膜传质系数。当当反应器内气液充分混合时，主体溶液中反应器内气液充分混合时，主体溶液中氧的浓度呈恒定状态。在实际发酵过程氧的浓度呈恒定状态。在实际发酵过程中，由于多种原因难以实现完全混合，中，由于多种原因难以实现完全混合，特别是发酵液为非牛顿型特别是发酵液为非牛顿型(如丝状菌培养如丝状菌培养)时，液相内可能产生浓度梯度，此时，时，液相内可能产生浓度梯度，此时，相关阶段的氧传递阻力不容忽视。相关阶段的氧传递阻力不容忽视。.尽管环绕细胞的液膜的动力学条件与环绕尽管环绕细胞的液膜的动力学条件与环绕空气泡的类同，但由于微生物细胞比空空气泡的类同，但由于微生物细胞比空
34、气泡要小得多，则环绕单一细胞的液膜气泡要小得多，则环绕单一细胞的液膜阻力比空气泡的要小，其对氧传递的影阻力比空气泡的要小，其对氧传递的影响可以忽略不计。当发酵液中溶解氧浓响可以忽略不计。当发酵液中溶解氧浓度超过临界值时，微生物细胞的氧吸收度超过临界值时，微生物细胞的氧吸收率与此时的溶解氧浓度无关，这表明了率与此时的溶解氧浓度无关，这表明了环绕单一细胞的液膜阻力可以忽略不计。环绕单一细胞的液膜阻力可以忽略不计。.相对其他阻力，细胞内的氧传递阻力可忽相对其他阻力，细胞内的氧传递阻力可忽略不计，这或是由于细胞呼吸酶在细略不计，这或是由于细胞呼吸酶在细 胞胞膜上膜上(如某些细菌如某些细菌)，或是由于细
35、胞直径小，或是由于细胞直径小且细胞器所处位置与膜间距离相当接近且细胞器所处位置与膜间距离相当接近(如酵母菌等如酵母菌等)。.当微生物生长是以菌丝团当微生物生长是以菌丝团(或球或球)形式进行时，氧形式进行时，氧的传递过程将变得复杂。由于菌丝团的体积比的传递过程将变得复杂。由于菌丝团的体积比单细胞大得多，有的高达几立方毫米，此时环单细胞大得多，有的高达几立方毫米，此时环绕菌丝团的液膜阻力不能忽略。发酵中菌丝团绕菌丝团的液膜阻力不能忽略。发酵中菌丝团的大小以保证团内不出现无氧区域为宜，其取的大小以保证团内不出现无氧区域为宜，其取决于氧的消耗速率、氧的扩散速率及主体溶液决于氧的消耗速率、氧的扩散速率及
36、主体溶液中氧的浓度等。图中氧的浓度等。图66中中(a)和和(b)分别给出了分别给出了细胞浓度和菌丝团浓度对细胞浓度和菌丝团浓度对kL的影响。的影响。.微生物呈膜状生长时微生物呈膜状生长时(如生物转盘法或生如生物转盘法或生物滤池法处理废水时物滤池法处理废水时)，氧的传递有其特，氧的传递有其特征。对于生物转盘法，氧是沿着气相一征。对于生物转盘法，氧是沿着气相一液相一微生物膜的方向进行，总的容积液相一微生物膜的方向进行，总的容积传质系数值一般为传质系数值一般为1030h。.当氧的传递速率大于氧的消耗速率时，菌当氧的传递速率大于氧的消耗速率时，菌体的耗氧速率成为限制性因素。氧的比体的耗氧速率成为限制性
37、因素。氧的比消耗速率是发酵液中溶解氧的双曲函数。消耗速率是发酵液中溶解氧的双曲函数。只要溶解氧浓度高于其临界值只要溶解氧浓度高于其临界值(通常为溶通常为溶解氧浓度的解氧浓度的10)，微生物细胞的呼吸就，微生物细胞的呼吸就会不受抑制，氧的消耗速率就不依赖溶会不受抑制，氧的消耗速率就不依赖溶解氧浓度，为一定值。下面先叙述微生解氧浓度，为一定值。下面先叙述微生物没有形成絮状物或颗粒，而呈分散悬物没有形成絮状物或颗粒，而呈分散悬浮状时的氧传递模型。浮状时的氧传递模型。.641 氧传递的并联模型氧传递的并联模型 单细胞微生物的大小只有几微米，而气液界膜厚单细胞微生物的大小只有几微米，而气液界膜厚度可认为
38、有几十微米，因此，微生物细胞可在度可认为有几十微米，因此，微生物细胞可在界膜内，并作为生物相占有一定空间。界膜内界膜内，并作为生物相占有一定空间。界膜内这种多相反应系统在数学处理上十分繁琐，故这种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，井以双膜模型为依据将其看成均相反应系统，井以双膜模型为依据加以讨论。好氧微生物反应是在溶解氧浓度加以讨论。好氧微生物反应是在溶解氧浓度DO临界氧浓度临界氧浓度DOcri条件下进行的，因此，条件下进行的，因此，在这一领域内氧的消耗速率对在这一领域内氧的消耗速率对DO是是0级反应关级反应关系，其衡算式为系，其衡算式为:.642 发酵系统中的氧衡算发
39、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与氧的发酵中溶解氧的浓度取决于氧的传递速度与氧的利用速度。对实际好氧发酵系统而言，气相中利用速度。对实际好氧发酵系统而言，气相中的氧经过气液界面时，消耗的并不多，绝大多的氧经过气液界面时，消耗的并不多，绝大多数氧首先经物理吸收到主体溶液后，才被微生数氧首先经物理吸收到主体溶液后，才被微生物所消耗，所以氧经过主体溶液后，进入到细物所消耗，所以氧经过主体溶液后，进入到细胞内才能进行生化反应。当反应器内气液两相胞内才能进行生化反应。当反应器内气液两相充分混合，且无液深影响时，对分批式操作，充分混合，且无液深影响时，对分批式操作，氧
40、的衡算式为氧的衡算式为.65 溶氧方程与溶氧速率的调节溶氧方程与溶氧速率的调节 651 溶氧方程溶氧方程 前面介绍了与前面介绍了与kLa相关的各种影响因素，讨论这些相关的各种影响因素，讨论这些参数的目的是找出其与参数的目的是找出其与kLa值的相互关系，因为这值的相互关系，因为这是微生物反应器设计与放大的根本。准确地建立溶是微生物反应器设计与放大的根本。准确地建立溶氧系数与上述诸因素之间的关联式是非常困难的。氧系数与上述诸因素之间的关联式是非常困难的。生化工程人员往往是在一定条件生化工程人员往往是在一定条件(如温度、压力、如温度、压力、培养基性质和几何比例相近等培养基性质和几何比例相近等)下，在
41、小型设备里下，在小型设备里通过试验建立氧传递系通过试验建立氧传递系 数与一些参数之间的关联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式，然后再进行模拟放大，应用于生产设备的设计中。这种带有经验性质的关联式称为溶氧方程。中。这种带有经验性质的关联式称为溶氧方程。.计算微生物反应器的溶氧方程很多，但这些经计算微生物反应器的溶氧方程很多，但这些经验公式都是在设备容量和操作验公式都是在设备容量和操作 变量变化范变量变化范围不大的情况下所得到的，有一定的应用局围不大的情况下所得到的，有一定的应用局限性。表限性。表67归纳了一些微生物反应器的溶归纳了一些微生物反应器的溶氧方程。影响反应器溶氧速率的主要因素有氧方程。影响反应器溶氧速率的主要因素有PGV、N、s，高径比高径比HLD及反应器的及反应器的比例大小。比例大小。.652 单位溶解氧功耗单位溶解氧功耗 KLa值的大小是评价通风反应器的重要指值的大小是评价通风反应器的重要指标，但不是惟一的指标。一个性能良标，但不是惟一的指标。一个性能良好好的反应器，应具有较高的的反应器，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。.
