1、生物反应器中传质过程生物反应器中传质过程主要内容主要内容n生物反应体系的流变学特性生物反应体系的流变学特性n氧的传质反应模型氧的传质反应模型nk kL La a的测定方法及其影响因素的测定方法及其影响因素生物反应器中传质过程 生物反应体系的流变学特性生物反应体系的流变学特性n流变学（流变学（RheologyRheology）是研究物质在力作用）是研究物质在力作用下形变和流动的科学下形变和流动的科学n流变特性影响发酵液混合的程度及其传质、流变特性影响发酵液混合的程度及其传质、传热的速率传热的速率n发酵液是由固、液、气构成的多相体系，发酵液是由固、液、气构成的多相体系，存在不同相间传质、传热过程存
2、在不同相间传质、传热过程 生物反应器中传质过程 粘粘度度对对不不同同过过程程的的影影响响生物反应器中传质过程流体的流变学特性流体的流变学特性n剪切力剪切力()()：单位流：单位流体面积上的内摩擦力体面积上的内摩擦力 =F/A=F/An剪切速率剪切速率()()(速度梯速度梯度或切变率度或切变率)=du/dy =du/dyn表观粘度表观粘度 yu+duFdyuuA yu+duFdy基本概念基本概念a生物反应器中传质过程流变性方程流变性方程 当给定的流体在外加剪切力当给定的流体在外加剪切力的作用下，一定产生相应的作用下，一定产生相应的剪切速率的剪切速率，两者之间的关系为该流体在给定温度和压力，两者之
3、间的关系为该流体在给定温度和压力下的流变特性：下的流变特性：K稠密度指数，或称指数律系数稠密度指数，或称指数律系数Pas 0为屈服应力为屈服应力Pa 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nKf0)(生物反应器中传质过程流变特性分类流变特性分类n根据流动状态方程中的有无根据流动状态方程中的有无 0 0和和n n的取值范的取值范围，流变特性分如下几类围，流变特性分如下几类牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体 假塑型流体假塑型流体 (Pseudoplastic)膨胀型流体膨胀型流体(Dilatant)平汉塑型流体平汉塑型流体(Bingham)凯松塑型流体凯松塑型流体(Casso
4、n)生物反应器中传质过程10,nKn1,nKn牛顿型牛顿型假塑型假塑型膨胀型膨胀型平汉塑型平汉塑型pK0凯松塑型凯松塑型21210pKnKf0)(生物反应器中传质过程微生物培养液的流变学特性微生物培养液的流变学特性n细胞浓度细胞浓度 发酵液细胞浓度低，且形态是球形（如细菌、发酵液细胞浓度低，且形态是球形（如细菌、酵母等），属牛顿流体酵母等），属牛顿流体n细胞形态细胞形态 丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状n胞外产物胞外产物 如多糖发酵体系如多糖发酵体系生物反应器中传质过程常见培养液的流变学特性常见培养液的流变学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
5、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生物反应器中传质过程氧的传递特性氧的传递特性氧的传递过
6、程氧的传递过程 液相气相气膜液膜生物反应器中传质过程氧从气泡到细胞中传递过程示意图氧从气泡到细胞中传递过程示意图气膜阻力气膜阻力 1/k1/k1 1;气液界面阻力气液界面阻力1/k1/k2 2;液膜阻力液膜阻力 1/k1/k3 3;反应液阻力反应液阻力 1/k1/k4 4 细胞外液膜阻力细胞外液膜阻力 1/k1/k5;5;液体与细胞之间界面的阻力液体与细胞之间界面的阻力 1/k1/k6 6;细胞之间介质的阻力细胞之间介质的阻力 1/k1/k7 7;细胞内部传质的阻力细胞内部传质的阻力 1/k1/k8 8生物反应器中传质过程niRRnii.3,2,11)(.2211niRCRCRCNin若总阻力
7、计为若总阻力计为R，则，则，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，则式中式中nCCC.,21为各阶段的溶解氧浓度差。为各阶段的溶解氧浓度差。生物反应器中传质过程氧的传递模型氧的传递模型 停滞膜模型（双膜理论停滞膜模型（双膜理论 two-film theory）：气膜和液膜在任何流体动力学条件下，均呈滞流状态。气膜和液膜在任何流体动力学条件下，均呈滞流状态。界面上不存在氧传递阻力。界面上不存在氧传递阻力。在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，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
8、匀的，也就是无任何传质阻力。氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力。生物反应器中传质过程PCPiCi液相主流气 液膜 膜气相主流传氧方向 气液界面附近氧传递的双膜理论模型气液界面附近氧传递的双膜理论模型 -C)*(CKP*)-(PK)()(LGCCkPPkNiLig N：传氧速率：传氧速率(kmol/m2.h)kg：气膜传质系数：气膜传质系数 kmol/(m2.h.atm)kL：液膜传质系数：液膜传质系数(m/h)P*为与液相主流中溶氧浓度为与液相主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强相平衡的氧的分压强(atm)C*为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的浓度为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的
9、浓度(kmol/m3)KG：以氧的分压差为总推动力的总传质系数：以氧的分压差为总推动力的总传质系数kmol/(m2.h.atm)KL：以氧的浓度差为总推动力的总传质系数：以氧的浓度差为总推动力的总传质系数(m/h)生物反应器中传质过程LgLkkHK111)(CCkNL氧气氧气H H值很大，因此值很大，因此kLKL亨利定律：亨利定律：C*=P/H或或P*=HCH为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体溶于溶剂的难易。溶于溶剂的难易。)(*CCakNaLa 单位体积反应液中气液比表面积单位体积反应液中气液比表面积Na单位体积反应液中氧的传质速率单
10、位体积反应液中氧的传质速率mol/m3s；kLa体积传质系数体积传质系数s-1生物反应器中传质过程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：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）被动传递（又称单纯扩散）主动传递（又称主动运输）主动传递（又称主动运输）促进传递（又称促进扩散）促进传递（又称促进扩散）生物反应器中传质过程 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C2一一边时，有以下规则：边时，有以下规则：自由能的变化自由能的变化G为：为：12lnCCTRGG式中，式中，R RG G和和T T分别为气体常数和绝对温度分别为气
11、体常数和绝对温度生物反应器中传质过程Cu2+kLa的测定方法及其影响因素的测定方法及其影响因素 7.3.1 kLa的测定方法的测定方法n亚硫酸盐法亚硫酸盐法 2Na2SO3+O2 2Na2SO4 Na2SO3+I2+H2O Na2SO4+2HI I2+2Na2S2O3 Na2S4O6+2NaI生物反应器中传质过程*CNaakL*32*CdtdCCNaakSONaL100040322322tVCVNaOSNaOSNat：两次取样时间间隔：两次取样时间间隔V0：取样分析液体积：取样分析液体积 将测得得反应液中残留的将测得得反应液中残留的Na2SO3浓度与取样时间作图，浓度与取样时间作图，由由Na2
12、SO3消耗曲线的斜率求出消耗曲线的斜率求出dtdCSONa32优点优点:不需专用的仪器，适用于摇瓶及小型试验设备中不需专用的仪器，适用于摇瓶及小型试验设备中k kL La a的测定。的测定。缺点：测定的是亚硫酸钠溶液的体积溶氧系数缺点：测定的是亚硫酸钠溶液的体积溶氧系数k kL La a，而不，而不是真实的发酵液中的是真实的发酵液中的k kL La a。生物反应器中传质过程n动态法动态法 先提高发酵液中溶氧浓度，使其远高先提高发酵液中溶氧浓度，使其远高于临界溶氧浓度处，稳定后停止通气而继于临界溶氧浓度处，稳定后停止通气而继续搅拌，此时溶氧浓度直线下降，待溶氧续搅拌，此时溶氧浓度直线下降，待溶氧
13、浓度降至浓度降至Ccrit之前，恢复供气，发酵液中溶之前，恢复供气，发酵液中溶氧即开始上升。在这种条件下，并不影响氧即开始上升。在这种条件下，并不影响微生物生长。而且由于时间较短。微生物生长。而且由于时间较短。生物反应器中传质过程XQCCakdtdCOL2)(*通风培养液中氧的物料衡算：通风培养液中氧的物料衡算：当停止通风，有：当停止通风，有：XQdtdCO2*21CXQdtdCakCOLXQdtdCO2从所得直线的斜率求出从所得直线的斜率求出k kL La a值，并由截距得到值，并由截距得到C C*对对C C作图，作图，由由生物反应器中传质过程用溶氧电极测定整个过程的用溶氧电极测定整个过程的
14、溶解氧浓度溶解氧浓度C C。在停气阶段，。在停气阶段，C C的降低与的降低与t t成线性关系，直成线性关系，直线的斜率线的斜率 。恢复通气。恢复通气后，后，C C逐渐回升，在恢复的过逐渐回升，在恢复的过渡阶段内，渡阶段内，C C对对为一直线，直线斜率为一直线，直线斜率 。由此可计算出由此可计算出k kL La a。优点：只需要单一的溶氧电优点：只需要单一的溶氧电极，可以测得实际发酵系统极，可以测得实际发酵系统中的中的k kL La a值值 XQO2)(2XQdtdCOakL1生物反应器中传质过程n稳态法（氧衡算法）稳态法（氧衡算法）XQCCakdtdCOL2)(*连续操作，稳定状态下，连续操作
15、，稳定状态下，dC/dt=0CCXQakOL*224.26273273760)(2TPGGVVXQoutinLAO生物反应器中传质过程n葡萄糖氧化法葡萄糖氧化法 有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶（有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定kLakLa的方法。利用一定浓度的氢氧化钠溶液滴定一定量反应的方法。利用一定浓度的氢氧化钠溶液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液至中性，由氢氧化钠的消耗求出氧的溶解速度Na。)2/(VtNaOHNatt取样时间间隔；取样时间间隔；VV
16、滴定样品量滴定样品量)/(*CCNaakLC C为溶氧仪给出的溶解氧浓度值为溶氧仪给出的溶解氧浓度值生物反应器中传质过程7.3.2 kLa的影响因素的影响因素n操作变量操作变量 温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等n反应液的理化性质反应液的理化性质 反应液的粘度、表面张力、氧的溶解度、反应反应液的粘度、表面张力、氧的溶解度、反应液的组成成分、反应液的流动状态、发酵类型等液的组成成分、反应液的流动状态、发酵类型等n反应器的结构反应器的结构 指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等空气分布器的形式等生
17、物反应器中传质过程操作变量操作变量n通风与搅拌通风与搅拌 增加搅拌转速增加搅拌转速N，以提高，以提高Pg，可有效提高，可有效提高kLa。增大通气量增大通气量Q，以提高，以提高S。在原通气量较低时，提。在原通气量较低时，提高高Q可以显著提高可以显著提高kLa。但当。但当Q原已很高时，进一步提原已很高时，进一步提高高Q，Pg将随之降低，其综合效果将不会使将随之降低，其综合效果将不会使kLa有明显有明显提高，甚至可能降低。有的调节措施是将两者结合起提高，甚至可能降低。有的调节措施是将两者结合起来。来。)()()(NVPKaksLgL生物反应器中传质过程n温度与压力温度与压力 温度影响氧的溶解度，同时
18、也影响了液体的温度影响氧的溶解度，同时也影响了液体的物性常数。温度升高，降低液体的粘度与表面张物性常数。温度升高，降低液体的粘度与表面张力，增加氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶力，增加氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶氧速率。氧速率。生物反应器中传质过程反应液的理化性质反应液的理化性质n流变学性质流变学性质 细胞浓度和形态细胞浓度和形态n其它其它表面活性剂表面活性剂离子强度离子强度生物反应器中传质过程反应器结构因素的影响反应器结构因素的影响n搅拌器搅拌器:搅拌器组数和搅拌器直径的最适距离对溶搅拌器组数和搅拌器直径的最适距离对溶氧有一定的影响氧有一定的影响n挡板挡板：带有搅拌装置的反应器都应安
19、装适当的挡板，：带有搅拌装置的反应器都应安装适当的挡板，或以垂直冷却管作为挡板，否则搅拌会使液体形成或以垂直冷却管作为挡板，否则搅拌会使液体形成中心下降的漩涡。中心下降的漩涡。n高径比高径比:当空气流量和单位体积的功率消耗不变时，当空气流量和单位体积的功率消耗不变时，通气效率随高径比的增大而增大。通气效率随高径比的增大而增大。n其它其它生物反应器中传质过程提高提高kLa和和Na的措施的措施n增加搅拌转速增加搅拌转速Nn增大通气量增大通气量Qn提高提高C*，通入纯氧，或在可能的条件下提高罐内操作，通入纯氧，或在可能的条件下提高罐内操作压力压力 n重复地放出一部分发酵液，补充新鲜来菌的等体积培重复
20、地放出一部分发酵液，补充新鲜来菌的等体积培养基，这样可以降低发酵液粘度，使养基，这样可以降低发酵液粘度，使kLa大幅度回升。大幅度回升。n选择适当的氧载体，能够明显地提高反应器的选择适当的氧载体，能够明显地提高反应器的kLa。常用正十二烷常用正十二烷生物反应器中传质过程 微生物反应过程中氧比消耗速率和溶解氧浓度间的关微生物反应过程中氧比消耗速率和溶解氧浓度间的关系可以通过试验来测定。从数据可以看出，当系可以通过试验来测定。从数据可以看出，当DO在某一在某一值以上时值以上时,DO随时间线性减少，其氧比消耗速率随时间线性减少，其氧比消耗速率 与与DO无关，为一常数；当无关，为一常数；当DO在某一值以下时，在某一值以下时，与与DO有一有一定关系，随定关系，随DO的减少，两者呈双曲线关系。这一值，我的减少，两者呈双曲线关系。这一值，我们称为临界溶解氧浓度，记为们称为临界溶解氧浓度，记为DOcrit。7.4 发酵系统中耗氧发酵系统中耗氧 与供氧的动态关系与供氧的动态关系2OQ2OQ
