生物反应器中传质过程.ppt

第七章生物反应器中的传质过程 主要内容 生物反应体系的流变学特性 氧的传质反应模型 kLa的测定方法及其影响因素 7.1 生物反应体系的流变学特性 流变学（Rheology）是研究物质在力作用下形变和流动的科学 流变特性影响发酵液混合的程度及其传质、传热的速率?? 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?? 7.1.1流体的流变学特性 剪切力(τ)：单位流体面积上的内摩擦力 τ=F/A 剪切速率(γ)(速度梯度或切变率) γ=du/dy 表观粘度 流变性方程 当给定的流体在外加剪切力τ的作用下，一定产生相应的剪切速率?，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： K稠密度指数，或称指数律系数Pa·s ?0为屈服应力Pa n流变性指数，或称指数律的方次 流变特性分类 根据流动状态方程中的有无?0和n的取值范围，流变特性分如下几类 牛顿流体 非牛顿流体 假塑型流体 (Pseudoplastic) 膨胀型流体(Dilatant) 平汉塑型流体(Bingham) 凯松塑型流体(Casson) 7.1.2微生物培养液的流变学特性 细胞浓度 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 细胞形态 丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状 胞外产物 如多糖发酵体系 常见培养液的流变学特性 7.2氧的传递特性 氧的传递模型 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。 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，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力。 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（又称单纯扩散） 主动传递（又称主动运输） 促进传递（又称促进扩散） 一种溶解物从浓度C1一边转送到浓度C2一边时，有以下规则： 自由能的变化△G为： 7.3 kLa的测定方法及其影响因素 7.3.1 kLa的测定方法 亚硫酸盐法 2Na2SO3+O2 2Na2SO4 Na2SO3 + I2 + H2O Na2SO4 + 2HI I2+ 2Na2S2O3 Na2S4O6+2NaI 动态法 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续搅拌，此时溶氧浓度直线下降，待溶氧浓度降至Ccrit之前，恢复供气，发酵液中溶氧即开始上升。在这种条件下，并不影响微生物生长。而且由于时间较短。 稳态法（氧衡算法） 葡萄糖氧化法 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kLa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Na。 7.3.2 kLa的影响因素 操作变量 温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等 反应液的理化性质 反应液的粘度、表面张力、氧的溶解度、反应液的组成成分、反应液的流动状态、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、空气分布器的形式等 操作变量 通风与搅拌 增加搅拌转速N，以提高Pg，可有效提高kLa。 增大通气量Q，以提高ωS。在原通气量较低时，提高Q可以显著提高kLa。但当Q原已很高时，进一步提高Q，Pg将随之降低，其综合效果将不会使kLa有明显提高，甚至可能降低。有的调节措施是将两者结合起来。 温度与压力 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力，增加氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶氧速率。 反应液的理化性质 流变学性质 细胞浓度和形态 其它 表面活性剂 离子强度 反应器结构因素的影响 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 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中心