生物反应器中的传递与传热.ppt

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。,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，48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。 对于这样一个过程，反应和传质同时起作用。假定反应为一级不可逆反应，同时起作用有三种情况： 氧的传质速率快，反应速率相对较慢，此时为动力学控制，其氧的消耗速率为：,反应速率快，传质速率相对较慢，此时为传质控制，其氧的消耗速率为：,反应速率和传质速率相当，此时为过渡状态，其氧的消耗速率为：,如果反应符合Monod方程，则在稳态下氧的消耗速率和传质速率可表示如下：,3 比氧消耗速率与溶解氧浓度的关系,微生物反应过程中比氧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DO在某一值以上时, DO 随时间线性减少，其比氧消耗速率qO2与DO 无关，为一常数；当DO在某一值以下时， qO2与DO有一定关系，随 DO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DOcri 。 讨论： 当 时, DO 随时间线性减少，qo2与DO无关。这意味微生物反应对于DO为0级反应，而与细胞内呼吸系统有关的酶完全被氧所饱和，微生物反应过程成为酶催化反应控制。进一步，当溶氧浓度大于空气饱和值时，过高的溶氧反而会使微生物生长受到抑制。 当溶氧浓度小于临界溶氧浓度时，比氧消耗速率随溶氧而变化，可认为是由于与呼吸作用有关的酶未被氧饱和，微生物反应成为供氧控制。多数情况下，比氧消耗速率和溶氧的关系可用米氏方程近似表示：,4 氧的体积传质系数,需氧微生物反应器的氧传递性能可用体积传质系数表示，其值越大，说明反应器的氧传递性能越好。因此，要提高反应器的氧传递速率，只要增大kLa即可。,影响体积传质系数的主要因素 影响体积传质系数的因素很多，慨括起来可以分为：,通风和搅拌 无机械搅拌时， 式中：K， 为经验系数和指数，取决于液体的性质、设备的形状等因素，其值由实验确定。 Q通风量，V反应液体积,采用机械搅拌，有利于增加气液接触面积，加长气液接触时间，减小液膜厚度，从而可以提高溶氧效率。 Rushton认为： Calderbank P.H.认为： 其中：vs为反应器内空截面空气线速度，pg /V为单位体积反应液所输入的搅拌功率。 从上可以看出，影响反应器溶氧的主要因素是pg / V，n 和vs 。而vs可归结为通气量的函数，因此，增加搅拌功率，搅拌转速和通气量，对一定的设备而言，可以增加溶氧。但是，上面三者之间是相互关联的。因此，要提高体积传质系数，有效的途径是：增加搅拌器转速n，以提高pg，从而有效地提高体积传质系数kLa；加大通气量Q的同时，提高n，保持pg，以提高kLa或提高C*（可采用向反应液通入纯氧）。,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。Oconner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，温度的升高，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56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，用多组搅拌器可提高溶氧10%；当高径比为4时，采用较大的空气流速和较大的搅拌功率时，多组搅拌可提高溶氧25%。但是，如果搅拌器之间的位置不当，则流型和空气分布情况将发生变化，引起kLa的大幅度下降。 挡板：带有搅拌装置的反应器都应安装适当的挡板，或以垂直冷排管作为挡板，否则搅拌会使液体形成中心下降的漩涡。挡板可使液体形成某种轴向运动，不让大量空气通过漩涡外逸，从而提高气液混合效果，改善氧的传递条件。一般反应器可装4块挡板，装得太多，通气效率也不会有太大的提高。 高径比：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。经验表明：高径比由1增大到2时，kLa可增大40%；由2增大到3时，kLa可增大20%。因此，发酵工厂倾向于采用较大的高径比。但是，高径比也不是越大越好，高径比太大，反而会使kLa下降，这主要是由于气泡体积缩小，造成气液界面积减小之故。,体积传质系数的测定 的测定可以分为热模测定和冷模测定两种。 热模测定：直接利用发酵液在有微生物活动的条件下测定； 冷模测定：利用模拟介质，在无微生物活动的条件下测定。该法主要用于反应器传质性能的研究。 热模测定 在好氧微生物反应过程中，若溶氧浓度恒定在某一值，则可根据氧的供需平衡来计算体积传质系数： 式中，CL*为一已知参数，因此只要通过实验测定CL和rO2，就可以求得。 从理论上讲，反映反应器传质性能的体积传质系数的测定应在热模体系中进行。但是，热模测定存在如下缺点：用实际体系测定，成本高，特别是对于需反复测定的反应器研究；实际体系内由于生物呼吸的影响，不利于的计算，尤其是rO2随时间和菌体浓度而变化时的情况；流体的流变特性随时间而变化，而是受流体的流变特性影响，因而不同发酵时间测定出的不同。因此，研究和设计反应器时，为了研究其传质特性，常用冷模介质来模拟实际介质，用冷模测定的数据代替实际体系的数据。相比之下，冷模测定方法方便、快捷和价廉。当然冷模测定的结果还需在实际反应体系上验证才能更好利用。,冷模测定 作为能反映实际体系传质性能的冷模介质的选择有一定的要求，具体可以考虑以下几各方面：冷模介质的粘度等流变学条件同实际体系；气液的界面阻力类似，一般指表面张力；气泡在介质中会聚和分散的方式类似；相同的外部条件下，DL，Dg及C*等应类似；所含固体颗粒浓度及固相物性相似。 下面介绍常用的一种方法：化学法测定体积传质系数（亚硫酸盐氧化法）。 亚硫酸盐氧化法是在反应器内，通过氧被亚硫酸盐氧化消耗的化学反应而进行测定的方法。这是一个动力学特性复杂多变的自由基反应。但是在氧分压pO2=20kpa附近，且亚硫酸盐浓度大于等于0.2mol/l时，该反应可视为对溶解氧浓度的一级不可逆反应。当铜离子的浓度在10-610-3 mol/l范围内，30时的反应速率常数k1 = 3.0 s-1 ,增加因子0.10.2。可见，与氧的溶解过程相比，该反应进行得很快，而且反应对溶解过程的影响不大。故整个吸收过程可作为溶解控制的物理吸收过程处理。并可认为氧一旦溶解，立即与亚硫酸盐反应，使溶液中溶解氧浓度很小，可视为0。因此，如向含催化剂的亚硫酸盐水溶液中连续通气时，可测得溶液中剩余的亚硫酸盐的浓度随时间变化的直线关系，由其斜率即可求得体积传质系数。亚硫酸盐的含量通常采用碘量法。使剩余的亚硫酸盐与已知浓度的过量的碘反应，然后用淀粉作指示剂，用硫代硫酸钠溶液滴定剩余的碘，从而求出亚硫酸盐的浓度。该法使用时应注意符合几点假定：溶液中CL0，即溶解的氧全部为亚硫酸盐所消耗掉；液相为理想混合，各部位的CL皆为0。操作条件恒定，气相组成恒定。,第三节 固定化酶中的固液传质,固定化酶也称固相酶或水不溶性酶，它是通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定空间内其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水、但是仍具有活性的酶。 为什麽要对酶进行固定化？ 反应后容易从反应体系中分离出来，不仅固定化酶可以反复使用，且产物不会受到污染，容易精制提纯。 固定化酶在大多数情况下其稳定性增加，可以在较长的时间内维持酶的活性。 固定化酶具有一定的形状和一定的机械强度，可以装在反应器中长时间使用，便于实现连续化和自动化生产。 当然，酶固定化后其动力学特征会发生变化。 酶的活性变化：酶在固定化时，总会有一部份未被固定而残留在溶液中，造成酶的部分损失；同时由于各种原因也会造成已被固定化的酶的活性有所下降。 酶的稳定性变化：一般情况下，酶固定化后其稳定性均有提高，包括保存时的稳定性、使用时的稳定性和酶的热稳定性。,1 影响固定化酶动力学的因素,空间效应 空间效应包括构象效应和屏蔽效应。 构象效应：酶的活性部位和变构部位的性质取决于酶分子的三维空间结构。酶在固定化过程中，由于存在酶和载体的相互作用而引起了酶的活性部位,发生某种扭曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了酶与底物的结合能力，降低了酶活。 屏蔽效应（位阻效应）：因为载体的存在，使酶分子的活性基团不易与底物相接触，从而对酶的活性部位造成了空间障碍，使酶的活性下降。 分配效应 对于固定化酶参与的固液非均相酶反应，存在两个环境：微观环境（固定化颗粒内部和附近的环境）和宏观环境（主体溶液体系）。 由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起的有关物质浓度在微观环境和宏观环境之间的不同的现象，称为分配效应。往往是底物在微观环境中的浓度比宏观环境中的低，这在某种程度上可以看作是酶的活性下降。,扩散效应 固定化酶对底物进行催化反应时，存在两种方向相反的物质流动： 底物：主体溶液 固定化颗粒内部的催化活性中心,产物：主体溶液 固定化颗粒内部的催化活性中心 这种流动（物质传递）过程包括分子扩散和对流扩散。这种扩散过程会对酶反应速率产生限制作用。 由于扩散限制作用的存在，底物浓度从液相主体到固定化酶颗粒的外表面，再到内表面的活性中心处是依次降低，而产物浓度则相反，由此影响酶反应速率。,扩散限制效应又分为外扩散限制效应和内扩散限制效应两种。 外扩散：液相主体与固定化酶颗粒的外表面之间的一种扩散。 内扩散：固定化酶颗粒的外表面与微孔内部的酶催化活性中心之间的一种扩散。 上面讨论的三种效应中，空间效应难以定量描述；分配效应可以描述，但是比较复杂。这两种效应可以通过校正M-M方程中的动力学参数来体现其影响。 不论分配效应是否存在，固定化酶反应受到扩散限制时所观察到的反应速率成为有效反应速率或宏观反应速率，对应建立的动力学方程称为有效动力学方程或宏观动力学方程。该方程同时考虑了反应和传递两个方面。,2 内外扩散限制效应,引入内外扩散有效因子来表示内外扩散限制作用对固定化酶反应过程的影响。 外扩散有效因子：,内扩散有效因子：,内外扩散同时存在时的有效因子：,内外扩散有效因子的求取参见教材P64-113相关内容。 外扩散的消除：增加宏观主体流体的流动速度，直至反应速率不变时，可以认为外扩散限制作用已消除。 内扩散的消除：减小颗粒的当量直径，直至反应速率不变时，可以认为内扩散限制作用已消除。 内外扩散限制作用的大小与反应本质、底物和产物的性质、主体流体的性质和流动状况等因素有关。,第四节 两相酶反应过程中的液-液传质,第五节 生物反应过程中的传热,生物反应过程中的热量主要由以下几部分组成: 培养基中的能源除了用于维持细胞的生命活动并进行生物合成反应外, 其余部分则以热的形式放出而使培养基温度上升. 机械搅拌所消耗的能量最终转化为热而使培养基温度上升. 需氧微生物培养时的通气操作在带走部分显热的同时会使水分蒸发而 带走蒸发热. 生物反应器与周围环境之间的热量交换. 对于生物反应器,上面几项热量中有加入到反应器内的,有从反应器中移 走的,因此要使生物反应在反应器内维持在一定的温度下进行,就要根据热量 的产生和损失情况,除去或补充热量.,1 生物反应器的传热过程,对一生物反应过程，如果保持反应器内的反应温度不变，则可以写出下述热量平衡方程：,其中：QE- 单位体积培养基中除去热量速率，J/(m3.s)； QB- 单位体积培养基中因生物反应的放热速率， J/(m3.s)； QA- 单位体积培养基中因搅拌造成的放热速率， J/(m3.s)； QS ，QV- 分别为单位体积培养液因通气带走的显热和蒸发热速 率， J/(m3.s)； QR- 单位体积培养液向周围环境的散失热量速率， J/(m3.s)。 通过上式，可以求得一定装填系数的生物反应器单位时间内所需要移走的热量（QE.V)，从而可以求出不同形式(夹套加热、蛇管加热、挡板加热）的反应器所需要的换热面积(A)，见教材P334-337。这样才能保证该反应器在该反应温度下有效进行生物反应。 QB，QA，QS，QV，QR的求取见教材P333-334。,生物反应器换热面积的计算,2 灭菌过程中的传热,生物反应过程，特别是细胞培养过程，常要求在没有杂菌污染的情况下进行，因此要进行严格的灭菌。 常用的灭菌方法：化学药剂灭菌、射线灭菌、加热灭菌及过滤灭菌等。 工业上对培养基灭菌，主要是加热灭菌，特别是利用蒸汽进行湿热灭菌。工业上对空气的灭菌主要采用过滤灭菌，又称空气除菌。 培养基分批灭菌过程中的传热 分批灭菌就是将配制好的培养基加入到反应器或其它设备中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行灭菌的操作过程。蒸汽压力一般在（34）X105Pa，温度在120 0C左右。 分批灭菌加热的三个阶段：加热升温、保温和冷却。灭菌主要是在保温阶段实现的，总的灭菌结果是三者的总和：, 灭菌度,一般情况下：,灭菌度的计算（P338),根据细胞死亡动力学可知:,对于保温阶段,由于温度不变，如时间恒定，那么其灭菌度值为常数。 但是对加热和冷却则是非定态过程，其温度随时间而变，因此死亡速率常数是时间的函数，即有：,因此要求出加热和冷却阶段的灭菌度，就必须把上面两式表示的函数关系式代入上面的积分式中。,加热升温和冷却时间的计算（P338340) 加热升温阶段： 夹套间接蒸汽加热，蒸汽温度保持不变，有： 蒸汽直接加热，蒸汽温度保持不变，有： 冷却阶段：采用夹套或蛇管间接冷却，有： 其中有关参数的定义见教材。,为使生物反应顺利进行，总是要达到一定的灭菌度。为保证有一定的灭菌度，就必须保证有一定灭菌温度和灭菌时间。灭菌温度和灭菌时间是相互关联的。总体上，灭菌温度高，灭菌时间短；灭菌温度低，灭菌时间长。 在这里要考虑两个过程：细胞的死亡过程和培养基中营养物质的分解。灭菌温度高，灭菌时间短，但营养物质的分解可能也多。 在灭菌过程中，还得注意培养液的体积变化。对于蒸汽直接加热灭菌过程，在温度低于1000C时，蒸汽大部分冷凝为水，培养液体积变大；当温度过高时，培养液中的水会蒸发，培养液体积变小。对于蒸汽间接加热灭菌过程，温度过高，时间过长，会使培养液体积变小。 总之，灭菌过程是个复杂的过程，在理论指导下，还得参考经验数据。,灭菌过程注意事项：,连续灭菌过程得传热 自学教材P340342上得内容。,