第3章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; 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;第二节 细胞反应过程中的气液传质（氧的传递）;; 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。;2 氧的传质反应模型;3 比氧消耗速率与溶解氧浓度的关系 ;4 氧的体积传质系数;;;温度和压力 温度的高低改变了氧的溶解度，同时也影响到液体的物性。一般，温度的升高，会降低液体的粘度，减小液体的表面张力，增大氧在液相中的扩散系数，因此有利于提高氧的溶解速率。O’conner的研究结果表明，常温下用活性污泥法处理废水时，提高温度可增加体积传质系数。同时，温度的升???，会使 下降。有下面的关系式： 上式表明，体积传质系数与温度成正比，而与液体粘度成反比。 操作罐压的高低及液柱的高低，都会影响溶氧速率。佐藤等的研究表明，在通风搅拌反应器中，通气量恒定时，溶氧速率随压力的增大而增大，同时体积传质系数值也随压力的增大而增大。三者之间的关系如下： 式中p*为与液相中溶解氧浓度C相平衡的氧分压。 ;反应液的理化性质 反应液的理化性质指液体的粘度，密度，表面张力及气体溶质在液相中的扩散系数等。即使对于牛顿型流体，上面各理化性质都会随反应过程的进行而发生变化，因此它们间接影响传质性能。而对于非牛顿型流体，这些性质对体积传质系数的影响就更加复杂了。 反应液中的有机物的影响：有些是作为底物加入的，有些是代谢产物。有些有机物的存在会降低体积传质系数值，例如蛋白质；有些有机物的存在会提高体积传质系数值，例如酮、醇及脂等。 反应液中盐类的影响：添加多种盐类，反应液的离子强度会增加，从而体积传质系数值增加，其增加的程度随投入动力的增大而增大，有时为纯水的5～6倍。这主要原因是在盐类反应液中，气泡群变细小，并且难以合并，（增大了a）。另外，气体的滞留量也有增大的倾向。 表面活性剂的影响：微生物培养基中的有些天然营养物本来就是表面活性物质，并且在反应中微生物还会分泌出一些活性物质。这些表面活性物质的存在，有时会使kLa增大，有时会使kLa减小。由于这些物质吸附在气液两相的界面上，一方面降低液体的表面张力，使气泡直径变小，a增大；另一方面，表面活性物质在相界面上聚集，使液膜传质系数kLa下降。这两种作用的结果，则产生了上述结果。具体是增加kLa，还是减小kLa，则需视a增大的程度和kL减小的程度。例如：加入十二烷基磺酸钠会使kLa增大，加入吐温85会使kLa减小。 微生物反应不仅因反应而对气体有吸收作用，而且微生物本身作为悬浮微小颗粒在物理上也影响气体的吸收。根据实验结果，含有死菌体的培养液，kLa总是随菌体浓度的增大而减小。;反应器结构因素的影响 通气管：生化工程学者曾对各种形式的通气管的氧传递能力进行过研究，以便能找出一种氧由气泡传递到液相的高效率的通气管。但是，以单位体积反应液的功率消耗为基准，进行不同类型的比较，却发现由亚硫酸钠法测定的kLa值并无很大差异。 搅拌器：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。实验表明，搅拌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，才能达到较好的溶氧效果。一般，当高径比为2.5时，