生物反应器中的传递与传热.PPTVIP

* * 第三章 生物反应器中的传递与传热（4学时） 基本要求： 了解发酵介质的流变特性、流变模型和影响发酵介质流变特性的因素。 了解氧的传质反应模型，掌握反应器中氧的体积传质系数的定义及其影响因素和测定方法。 了解固定化酶中反应过程的分析,了解内外扩散系数的计算方法,掌握内外扩散的判断和消除方法. 了解两相酶反应过程的分析,掌握液-液传质的计算. 了解生物反应器的灭菌过程以及反应器的传热. 重点： 反应器中氧的体积传质系数的定义及其影响因素。 固定化酶内外扩散的判断和消除方法。 生物反应器的灭菌过程。 难点： 固定化酶内外扩散系数的计算。 1 发酵介质的流变特性 生化反应器中发酵液的流变特性将影响其混合的程度，从而影响其传质和传热的速率。发酵液是由液相和固相构成的多相体系，对于细菌和酵母发酵液，一般来说其粘度较低，流动性较好，热量和质量传递速率较快。如果采用特殊的培养技术得到高浓度的细胞发酵液，则会因其粘度的大大增加而造成热量和质量传递的困难。因此必须予以充分重视。 流变模型 流变模型系指能反映流体流动特性的模型。流体的流动特性又经常以剪应力与速度梯度的关系来表示。 难流动。 凯松流体 N越大，流体的非牛顿特性越明显。 涨塑性流体 K越大流体越稠,n越小，流体的牛顿特性越明显。 拟塑性流体 当剪应力小于屈服应力时流体不流动. 宾汉塑性流体 非牛顿型流体 流动性能较好. 牛顿型流体 牛顿型流体 特 性 模 型 类 别 类 型 第一节 传质基础 影响发酵介质流变特性的因素 发酵介质的流变特性主要取决于细胞的浓度和其形态。一般发酵介质中液相部分粘度较低，但是随着细胞浓度的增加，发酵介质的粘度也相应增大，流体偏离牛顿特性越大。细胞的形态对发酵介质流动特性也有较大影响，如细胞为丝状形态时会导致发酵介质成为非牛顿型流体。 影响发酵介质流变特性的另一个因素为胞外产物，如产物为多糖，此时细胞的存在对发酵介质的流变特性影响较小，而多糖浓度的高低则对介质的粘度有较大影响。 一般当发酵介质中细胞的浓度较低，且其形态为球形时，通常为牛顿型流体，此时流体的流动性能较好，传质和传热性能好，如酵母和细菌发酵液具有这种特性。 2 反应器中传质和反应过程 在生物反应器中进行的生物反应，一般来说是个多相反应，涉及到的相有液相（主要是水相体系，有时是两个液相，比如双水相体系和水相-有机相体系），气相（好氧微生物反应中通入的空气），固相（微生物菌体，固定化载体等）。因此，除了反应过程外，必存在物质的传递，包括底物和产物在一个相中和不同相间的传递。 物质的传递过程和反应过程是个串联过程，只有传递到达反应位点的底物才能被生物催化剂催化而反应，也只有在生物反应生成产物后才能有产物离开反应位点的物质传递。在这个串联过程中，速率最慢的一步（可以是传递也可以是反应）决定了整个过程的速率，因此该步被称为速率控制步骤，对应的有过程为反应控制和传质控制。 当然，在生物反应器内物质的传递和反应是在同一时间内进行的，某物质分子在传递的时候，其它物质分子可能在反应中。但从总体的物流角度看，传递和反应是个串联过程。 有关这方面的内容，将在氧的传递和反应中具体讨论。 第二节 细胞反应过程中的气液传质（氧的传递） 对于好氧微生物反应，氧的传递过程往往是十分重要的。一方面微生物反应达到一定程度后的需氧量十分大，另一方面氧是难溶的气体，这就决定了氧的供给十分困难。因此，本章重点讨论氧的传质。 1 氧的传质模型 氧的传递过程有如下各项： 氧从气相主体扩散到气-液界面； 通过气-液界面的传递； 通过气泡外侧的滞流液膜到达液相主体； 液相主体中的传递； 通过细胞或细胞团外的滞流液膜到达细胞或细胞团与液体的界面； 通过液体与细胞或细胞团之间的界面； 细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散 进入细胞至反应中心的传递。 一般认为：在上述气液传质过程中，气液界面和液相主体的传质阻力都较小，可不计。因此主要的阻力来自气膜和液膜。我们可以用双膜理论来描述上述过程。 因此，氧的气液传质速率为： 上述描述方法同样适应于CO2等其他气体在气液相间的传质过程。 2 氧的传质反应模型 如果在某一需氧微生物反应过程中，生物体为单细胞，其大小可能为几个微米，而液膜的厚度可能为几十微米，此时在液膜内就包含细胞，细胞有可能被吸附在气液界面上， ，此时，4~8各项阻力均可不计。氧可被认为一面溶解于液相，一面消耗于反应，反应体系可做均相处理。