气液质量传递的 微生物反应体系中气液传质举例

第第 七七 章章 气气 液液 质质 量量 传传 递递 微生物反应体系中气液传质举例 需氧培养中的氧传递需氧培养中的氧传递 以气态烃为碳源的微生物的培养以气态烃为碳源的微生物的培养 光合微生物培养中光合微生物培养中O O2 2和和COCO2 2 的传递的传递 氢利用菌中氢利用菌中H H2 2、O O2 2、COCO2 2的传递的传递 固氮微生物对固氮微生物对N N2 2的利用的利用 在好气性微生物反应中，传质的关键性问题是氧的传递。第一节第一节 氧的溶解和微生物的耗氧氧的溶解和微生物的耗氧一、一、氧在液体中的溶解氧在液体中的溶解1、溶解氧（DO;Dissolved Oxygen)作为环境因素对微生物反应有直接影响；作为环境因素对微生物反应有直接影响；被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢过程，被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢过程，可视为一种营养性底物。可视为一种营养性底物。难溶：难溶：2525C C、一个大气压，空气中的、一个大气压，空气中的O O2 2在纯水在纯水中的溶解度仅中的溶解度仅0.25mol/m0.25mol/m3 3。发酵液中含有各种成分，。发酵液中含有各种成分，其溶解度更低。其溶解度更低。对于菌体浓度为对于菌体浓度为10101515个个/m/m3 3的发酵液，假定每个菌体的的发酵液，假定每个菌体的体积为体积为1010-16-16 m m3 3，细胞的呼吸强度为，细胞的呼吸强度为2.62.61010-3-3 molO molO2 2/(kgs)/(kgs)，菌体密度为菌体密度为1000 kg/m1000 kg/m3 3，含水量，含水量80%80%，则每立方米培养液的，则每立方米培养液的需氧量为：需氧量为：1010-16-1610101515100010000.2 0.2 2.6 2.61010-3-3 =0.052 molO =0.052 molO2 2/(m/(m3 3s)s)0.25 0.25 0.052=4.8(s)0.052=4.8(s)培养液中的溶解氧最多可用培养液中的溶解氧最多可用4.84.8秒，因此必须连续通气。秒，因此必须连续通气。氧的饱和浓度单位：氧的饱和浓度单位：mmol Ommol O2 2/L,mg O/L,mg O2 2/L,ppm/L,ppm 或大气压或大气压 气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相中的液二相中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶液中的气体分子浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件不变，气体在数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此浓度为溶液中的浓度就不再随时间而变化，此浓度为饱和浓度或或平衡浓度2、饱和浓度3、影响饱和浓度值的因素1）温度 随着温度升高，气体分随着温度升高，气体分子运动加快，使饱和浓子运动加快，使饱和浓度下降。度下降。在1个大气压及不同温度 下纯氧在水中的溶解度（mmol/L)温度（C）溶解度 0 2.18 10 1.70 15 1.54 20 1.38 25 1.26 30 1.16 35 1.09 40 1.03 当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对氧当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算（适用饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算（适用浓度为浓度为4 433C)33C)C*=14.68/(31.6+t)C C*-与与1 1个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度，个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度，mol/mmol/m3 3t-t-溶液的温度，溶液的温度，C C 2）溶液的性质溶质种类：溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度是不同的。气体在不同性质的溶液中的溶解度是不同的。溶质浓度：溶质浓度：通常浓度越高，溶解度越低通常浓度越高，溶解度越低溶液浓度mol/L 盐酸 硫酸 氯化钠 0 1.26 1.26 1.26 0.5 1.21 1.21 1.07 1.0 1.16 1.12 0.89 2.0 1.12 1.02 0.71在25、一个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)发酵液中的发酵液中的DODO比纯水中的比纯水中的 DODO要小要小 在系统总分压小于在系统总分压小于5 5个大气压的情况下，氧的溶解度与总个大气压的情况下，氧的溶解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用压和其他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用HenryHenry定律表示：定律表示：C*=PO2/H3）氧分压C C*与气相与气相P PO2O2达平衡时溶液中的氧浓度，达平衡时溶液中的氧浓度，mmolOmmolO2 2/L/LP PO2 O2 氧分压，氧分压，PaPaH H Henry Henry常数（与溶液性质、温度等有关），常数（与溶液性质、温度等有关），PaPaL/mmolOL/mmolO2 2气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加，必气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加，必要时可向发酵液中通入纯氧以提高溶氧。要时可向发酵液中通入纯氧以提高溶氧。二、微生物的摄氧率二、微生物的摄氧率摄氧率（OUR;Oxygen Utilization Ratio)-单位时间内单位体积培养液中微生物摄单位时间内单位体积培养液中微生物摄取氧的量。记作取氧的量。记作 r rO2O2(mmol/L(mmol/Lh)h)r rO2O2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度、因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度、培养液成分及浓度的不同而异。培养液成分及浓度的不同而异。r rO2O2值的范围一般在值的范围一般在 2525100 mmol/L100 mmol/Lh h比耗氧速率-相对于单位质量的干菌体在单位时相对于单位质量的干菌体在单位时间内所消耗的氧量。也称间内所消耗的氧量。也称呼吸强度；用；用Q QO2O2表示表示 (mmol O(mmol O2 2/g /g h)h)dtDOdXXrQOO122因菌种和反应条件而异，一般在因菌种和反应条件而异，一般在1.51.515 15 mmol/g mmol/g h h 在分批培养中，在分批培养中，r rO2O2和和X X随时间而变化，随时间而变化，Q QO2O2也随时也随时间变化。在对数生长期的后期，间变化。在对数生长期的后期，r rO2O2达到最大值达到最大值r rO2maxO2max。由由r rO2maxO2max和稳态下的和稳态下的X Xst st可求得可求得Q QO2O2maxmax。在恒化器连续培养的定常态下，在恒化器连续培养的定常态下，r rO2O2可表示为：可表示为：r rO2O2=Q QO2O2X X 由于由于Q QO2O2是是 的函数，而的函数，而 是底物（如是底物（如O O2 2)的函数，的函数，因此微生物的因此微生物的Q QO2O2与培养液中的与培养液中的DODO的函数关系可的函数关系可表示为表示为 Q QO2O2=Q QO2maxO2max DO/(DO/(K Ko+DO)o+DO)Q QO2O2随随DODO的增加而升高；当的增加而升高；当DODO增加增加 到一定值时，到一定值时，Q QO2O2不再增加不再增加临界溶氧浓度 -当不存在其他限制性基质时，如果溶氧浓度当不存在其他限制性基质时，如果溶氧浓度高于某定值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶高于某定值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧浓度低于该值，细胞的比耗氧速率就会大大下降；氧浓度低于该值，细胞的比耗氧速率就会大大下降；则该值即为临界溶氧浓度。则该值即为临界溶氧浓度。DODOcricri 在好氧微生物反应中，一般取在好氧微生物反应中，一般取 DO DO DODOcricri以保证反应的正常进行。以保证反应的正常进行。微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1%25%微生物 临界氧浓度 温度（）固氮菌固氮菌 1.8-4.91.8-4.91010-2-2 30 30大肠杆菌大肠杆菌 8.28.21010-3-3 37 37粘质沙雷氏菌粘质沙雷氏菌 1.51.51010-2-2 31 31假单胞菌假单胞菌 9 91010-3-3 30 30酵母酵母 4.64.61010-3-3 34.5 34.5产黄青霉产黄青霉 2.22.21010-2-2 24 24米曲霉米曲霉 2.02.01010-3-3 30 30一些微生物的呼吸临界氧浓度三、影响微生物需氧量的因素三、影响微生物需氧量的因素1、微生物种类种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同2、培养基的组成与浓度培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种类和浓度影响尤为显著。类和浓度影响尤为显著。一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。的增加而增加。3、菌龄 不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。例如；菌龄为例如；菌龄为2424小时的产黄青霉呼吸强度最高小时的产黄青霉呼吸强度最高4、培养条件 pHpH、温度等、温度等 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高 5、有毒产物的形成及积累COCO2 2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸作用密切相关。吸作用密切相关。COCO2 2在水中的溶解度是氧的在水中的溶解度是氧的3030倍，因而发酵过程中不及时倍，因而发酵过程中不及时将培养液中的将培养液中的COCO2 2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌的代谢。的代谢。第二节第二节 培养液中氧的传递培养液中氧的传递 在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。而被利用。这是一系列的传递过程，这些传递过程又可分为供氧这是一系列的传递过程，这些传递过程又可分为供氧及耗氧两个方面。及耗氧两个方面。一、氧传递的阻力一、氧传递的阻力氧传递的各种阻力示意图供氧阻力耗氧阻力氧传递过程中各项阻力的示意图供氧方面 包括通过气膜、气包括通过气膜、气-液界面、液膜及液体主流的扩散液界面、液膜及液体主流的扩散耗氧方面 包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细胞内的扩散。胞内的扩散。氧传递可分供氧和耗氧两个方面：氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分压或浓度差）来克服各自的阻力。压或浓度差）来克服各自的阻力。1 1、供氧方面的阻力、供氧方面的阻力1）气膜阻力（1/k1;1/KG）：为气体主流及气为气体主流及气-液界面的气膜液界面的气膜阻力，与空气情况有关。阻力，与空气情况有关。2）气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关，只有具与空气情况有关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气相。备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气相。3）液膜阻力（1/k3;1/KL）：为从气为从气-液界面至液体主流间的液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。4）液流阻力（1/k4;1/KLB）：液体主流中传递的阻力；也与液体主流中传递的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。发酵液的成分和浓度有关。2、耗氧方面的阻力1）细胞周围液膜阻力（1/k5;1/KLC）与发酵液的成分和浓度有关。与发酵液的成分和浓度有关。2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6;1/KA）与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。3）细胞膜的阻力（1/k7;1/KW）：与微生物的生理特性有关。与微生物的生理特性有关。4）细胞内反应阻力（1/k8;1/KR）氧分子与细胞内呼吸酶系反氧分子与细胞内呼吸酶系反 应时的阻力；与微生物的种应时的阻力；与微生物的种类、生理特性有关。类、生理特性有关。1/1/k k1 1、1/1/k k2 2与空气情况有关与空气情况有关1/1/k k3 3 、1/1/k k4 4 、1/1/k k5 5与发酵液成分、浓度有关与发酵液成分、浓度有关1/1/k k6 6 、1/1/k k7 7 、1/1/k k8 8与微生物的种类、特性、生理状态有关与微生物的种类、特性、生理状态有关氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程中需克服的中需克服的 总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：R=1/k1+1/k2+1/k3+-+1/k81/Kt=1/KG+1/KI+1/KL+1/KLB+1/KLC+1/KIS +1/KA+1/KW+1/KR 供氧方面供氧方面 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/1/k k3 3 ;1/K1/KL L ）是氧溶于水时的限制因素。）是氧溶于水时的限制因素。良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少1/1/k k3 3、1/1/k k4 4，加速氧的传递。，加速氧的传递。耗氧方面耗氧方面 实验和计算证实，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，实验和计算证实，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，即即1/1/k k5 5很小很小；而；而菌丝丛（或菌丝团）的阻力（或菌丝团）的阻力（1/1/k k6 6）对菌丝体）对菌丝体的摄氧能力影响显著。的摄氧能力影响显著。在耗氧方面的主要阻力是在耗氧方面的主要阻力是1/1/k k6 6、1/1/k k7 7、1/1/k k8 8。在搅拌和合理的在搅拌和合理的 工艺条件下，结团现象减少，因而能降低工艺条件下，结团现象减少，因而能降低1/1/k k6 6。1/1/k k8 8与微生物生长及代谢的条件有关，若生长条件合适，与微生物生长及代谢的条件有关，若生长条件合适，代谢产物能及时移去，则代谢产物能及时移去，则1/1/k k8 8就会减少，否则就会增大。就会减少，否则就会增大。当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时通过单位体积的传递速率为：传递速率相等，这时通过单位体积的传递速率为：nO2=推动力阻力 Pi1/K in nO2 O2 氧的传递通量氧的传递通量 (传递速率传递速率)，mol/(mmol/(m3 3s)s)P Pi i 各阶段的推动力（分压差），各阶段的推动力（分压差），PaPa1 1/K K i i 各阶段的传递阻力，各阶段的传递阻力，N Ns/mols/molnO2=C C 1 C 2 C 8 K 1/k1 1/k2 1/k8二、气液相间的氧传递和氧传质方程式二、气液相间的氧传递和氧传质方程式氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相等，即：等，即：nO2=ppI1/KGpp*1/KGCICL1/KLC*CL1/KLp 气体主体氧分压，气体主体氧分压，Pa;pI 气液界面氧分压，气液界面氧分压，PaCI 气液界面氧浓度，气液界面氧浓度，mol/m3;CL 液相主体氧浓度，液相主体氧浓度，mol/m3 p*与与CL平衡的气相氧分压，平衡的气相氧分压，Pa;C*与与p平衡的液相氧浓度，平衡的液相氧浓度，mol/m3 KG 以氧分压为推动力的总传递系数以氧分压为推动力的总传递系数,mol/(m2sPa)KL 以氧浓度为推动力的总传递系数，以氧浓度为推动力的总传递系数，m/s在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率可表示为：递速率可表示为：OTR=KL a(C*CL)OTR 单位体积培养液中的氧传递速率，mol/(m3s)a 比表面积，m2/m3 KL 以氧浓度为推动力的传递系数，m/sG/=KLa V (C*-CL)G-溶解于液体中的氧量，mmol-气-液接触时间，h V-培养液的体积，LCL-液相中氧的浓度，mmol/LC*-与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和浓度，mmol/LKL-以浓度差表示推动力的传质系数（氧传质系数），m/ha-比表面积（即单位体积的液体中所含的气-液接触面积），m2/m3 氧传质方程：氧传质方程：G/=KLa V (C*-CL)OTR=KL a(C*CL)由于由于“a”a”不易测得，因此常将不易测得，因此常将 K KL La a作为一项来处理，作为一项来处理，称为称为体积氧传递系数或或供氧系数，单位为，单位为 h h-1-1微生物对氧的需求速率，也即使氧不成为发酵的限制因微生物对氧的需求速率，也即使氧不成为发酵的限制因素而必须满足的供氧速率：素而必须满足的供氧速率：G/=QO2XV=r V OTR=rQ QO2-O2-微生物的呼吸强度，微生物的呼吸强度，mmol Ommol O2 2/g(/g(干菌体干菌体)h hX X-菌体浓度，菌体浓度，g/Lg/LV V-培养液体积，培养液体积，L L r r-培养物的摄氧率，培养物的摄氧率，mmolOmmolO2 2/L/Lh h 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，则：率等于微生物对溶氧的需求速率，则：KLa(C*-CL)=QO2 X=rKLa =rC*-CL 若供氧速率大于需氧速率，即若供氧速率大于需氧速率，即K KL La(a(C C*-C CL L)r r，此，此时发酵液中溶解氧浓度时发酵液中溶解氧浓度C CL L会不断增加，趋近于会不断增加，趋近于C C*。若需氧速率大于供氧速率，则若需氧速率大于供氧速率，则C CL L 逐渐下降而趋向逐渐下降而趋向于零（尽管此时通气和搅拌可能仍在进行）于零（尽管此时通气和搅拌可能仍在进行）由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时（假定由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时（假定C C*在在一定条件下也不变），一定条件下也不变），K KL La a 越大，发酵液中溶解氧浓度越大，发酵液中溶解氧浓度C CL L也越大；所以可用也越大；所以可用K KL La a的大小来衡量发酵设备的通气效的大小来衡量发酵设备的通气效率。率。KLa =rC*-CL 实验室用的摇瓶和无搅拌的鼓泡装置，其实验室用的摇瓶和无搅拌的鼓泡装置，其KL La a值值约为约为1 1100 h100 h-1-1；带搅拌的发酵罐，其带搅拌的发酵罐，其K KL La a值约为值约为2002001000 h1000 h-1-1。第三节第三节 发酵液的流变特性发酵液的流变特性 微生物发酵液是由三个体系组成的，即液相、固相和气相微生物发酵液是由三个体系组成的，即液相、固相和气相 液相中有可溶性的营养物、可溶性盐类和微生物代谢产物；液相中有可溶性的营养物、可溶性盐类和微生物代谢产物；固相包括单个菌丝体或菌丝团（菌丝丛）、不溶性营养物和固相包括单个菌丝体或菌丝团（菌丝丛）、不溶性营养物和某些特殊的微生物代谢物；某些特殊的微生物代谢物；气相包括通入的无菌空气（包括未溶解的氧）、微生物代谢气相包括通入的无菌空气（包括未溶解的氧）、微生物代谢产生的产生的COCO2 2等气体、某些低分子量易挥发的物质等等气体、某些低分子量易挥发的物质等 由于微生物的代谢作用，发酵液中各种物质的组成不断变由于微生物的代谢作用，发酵液中各种物质的组成不断变化，表现为发酵液的理化性质的不断变化，如固形物质的含量、化，表现为发酵液的理化性质的不断变化，如固形物质的含量、发酵液的黏度、表面张力、离子强度等。发酵液的黏度、表面张力、离子强度等。这些变化对三相体系之间的混合这些变化对三相体系之间的混合、氧的溶解速度、营养物质、氧的溶解速度、营养物质的转移等均产生影响。的转移等均产生影响。一、流体类型一、流体类型在切向力作用下平行板内液体速度分布 在两块相互靠近的平行板在两块相互靠近的平行板之间充满液体，下板固定不之间充满液体，下板固定不动，给上板施加一作用力动，给上板施加一作用力F F，使上板以一定的速度使上板以一定的速度 运动。运动。其中与上板接触的流体层以其中与上板接触的流体层以与上板相同的速度一起运动，与上板相同的速度一起运动，与下板接触的流体则保持静与下板接触的流体则保持静止，中间各层因流体的内摩止，中间各层因流体的内摩擦产生速度不等的平行运动，擦产生速度不等的平行运动，在流体层中产生速度在流体层中产生速度 梯度。梯度。剪应力(shear stress)单位流体面积上的切向力；单位流体面积上的切向力；F/AF/A当剪应力与速度梯度成正比时，可用牛顿黏性定律来表示：当剪应力与速度梯度成正比时，可用牛顿黏性定律来表示：剪应力，剪应力，N/mN/m2 2 或或 PaPad d /d/dx =x =速度梯度或速度梯度或切变率切变率(shear rate)(shear rate)，s s1 1 液体黏度，液体黏度，(kg(kgs)/ms)/m2 2 =（d /dx）=/牛顿型与非牛顿型流体剪应力与切变率的关系1-牛顿型流体2-平汉塑性流体3-拟塑性流体4-涨塑性流体5-凯松流体牛顿型流体非牛顿型流体平汉塑性流体 拟塑性流体涨塑性流体 凯松流体一）一）牛顿型牛顿型 (Newtonian)(Newtonian)流体流体 1 1）服从牛顿黏性定律；）服从牛顿黏性定律；2 2）剪应力与剪切速率之间呈直线关系；直线的斜率即为）剪应力与剪切速率之间呈直线关系；直线的斜率即为黏度黏度 ；3 3）黏度）黏度 只是温度的函数，与流变状态无关，因此是一常只是温度的函数，与流变状态无关，因此是一常数。数。也即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，也即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，且在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏度相同。且在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏度相同。二）非牛顿型流体二）非牛顿型流体1 1）不服从牛顿黏性定律）不服从牛顿黏性定律2 2）其黏度）其黏度 不是常数，它不仅是温度的函数，而且随流动不是常数，它不仅是温度的函数，而且随流动状态而异，因此没有固定的黏度值。状态而异，因此没有固定的黏度值。平汉塑性流体 拟塑性流体涨塑性流体 凯松流体3 3）根据剪应力与切变率）根据剪应力与切变率间的关系，分为：间的关系，分为：1、拟塑性（pseudoplastic）流体 主要特征是黏度随着剪应速率的增高主要特征是黏度随着剪应速率的增高而降低。而降低。流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈凸形曲线凸形曲线关系，关系，表明剪切速率的增加，剪应力的增加随之减小，即增加流速会降表明剪切速率的增加，剪应力的增加随之减小，即增加流速会降低流体的粘性阻力。低流体的粘性阻力。K 均匀度常数（稠度系数），均匀度常数（稠度系数），Pas n 流态指数流态指数 流态指数流态指数n n 表示表示非牛顿流体性质的显著程度，非牛顿流体性质的显著程度，n n =1=1为牛为牛顿型流体；顿型流体；n n 值偏离值偏离1 1愈远，非牛顿型流体性质愈显著。愈远，非牛顿型流体性质愈显著。=K n其流变特性可表示为：0n1 拟塑性流体，在不同搅拌转速下，所显示出的黏度不同；拟塑性流体，在不同搅拌转速下，所显示出的黏度不同；在同一搅拌转速下，培养液中的剪应速率随着离开搅拌涡轮在同一搅拌转速下，培养液中的剪应速率随着离开搅拌涡轮的径向距离，按指数倍数降低，故离开涡轮的径向距离越远，的径向距离，按指数倍数降低，故离开涡轮的径向距离越远，黏度越高。黏度越高。许多高分子化合物如黄原胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素许多高分子化合物如黄原胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素等的水溶液，许多丝状菌如青霉、曲霉、链霉菌等的培养液等的水溶液，许多丝状菌如青霉、曲霉、链霉菌等的培养液都表现出拟塑性。都表现出拟塑性。2、涨塑性（dilatant）流体 主要特征是黏度随着剪应速率的增主要特征是黏度随着剪应速率的增加而增高。加而增高。流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈凹形曲凹形曲线线关系，表明剪切速率的增加，剪应力也随之增加，流体关系，表明剪切速率的增加，剪应力也随之增加，流体的流动阻力随之加大。的流动阻力随之加大。=K n 其流变特性可表示为：n 1值越大，非牛顿特性就越显著。链霉素、四环素、庆大霉素的前期发酵液，很稀的酵链霉素、四环素、庆大霉素的前期发酵液，很稀的酵母悬浮液呈涨塑性。母悬浮液呈涨塑性。3、平汉（bingham）塑性流体 主要特征是当剪应力小于屈服应力时，主要特征是当剪应力小于屈服应力时，液体不发生流动，只有当剪应力超过屈液体不发生流动，只有当剪应力超过屈服应力时才发生流动。服应力时才发生流动。它的流态曲线也它的流态曲线也呈直线呈直线，但，但不通过原点不通过原点。=0+0 屈服应力屈服应力(在纵轴上的截距在纵轴上的截距)，Pa 刚性系数，刚性系数，Pas 其流变特性可用下式表示:黑曲霉、产黄青霉、灰色链霉菌等丝状菌的发酵液呈平汉黑曲霉、产黄青霉、灰色链霉菌等丝状菌的发酵液呈平汉塑性。塑性。4、凯松(Casson)流体 其流变特性可表示为：1/2=C1/2+KC 1/2 C C1/2 1/2 屈服应力，屈服应力，PaPaK KC C 凯松黏度凯松黏度,Pa,Pa1/2 1/2 s s1/21/2有研究表明青霉素发酵液为凯松流体有研究表明青霉素发酵液为凯松流体 剪应力与剪切速率的关系表现剪应力与剪切速率的关系表现为一为一不通过原点的曲线不通过原点的曲线。非牛顿流体没有确定的黏度值，通常把一定切变率下剪非牛顿流体没有确定的黏度值，通常把一定切变率下剪应力与此切变率之比称为应力与此切变率之比称为表观黏度(a a)。a=/平汉塑性流体、拟塑性流平汉塑性流体、拟塑性流体和凯松流体的表观黏度体和凯松流体的表观黏度随切变率的增大而减小；随切变率的增大而减小；涨塑性流体的表观黏度则涨塑性流体的表观黏度则随切变率的增大而增大。随切变率的增大而增大。发酵罐中的非牛顿流体的平均切变率与搅拌转速成正比：发酵罐中的非牛顿流体的平均切变率与搅拌转速成正比：=N 平均切变率，平均切变率，s s1 1N N 搅拌器转速，搅拌器转速，s s1 1 无因次常数无因次常数 对于不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器，对于不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器，常数常数 值在值在10-1310-13之间；之间；对于两层的涡轮浆式搅拌器对于两层的涡轮浆式搅拌器 可取可取11.511.5。产生菌 产物 流变学性质产黄青霉产黄青霉 青霉素青霉素 拟塑性拟塑性盾壳霉盾壳霉 甾类羟化甾类羟化 平汉塑性平汉塑性诺尔斯氏链霉菌诺尔斯氏链霉菌 制霉菌素制霉菌素 牛顿型牛顿型雪白链霉菌雪白链霉菌 新生霉素新生霉素 平汉塑性平汉塑性灰色链霉菌灰色链霉菌 链霉素链霉素 平汉塑性平汉塑性内孢霉内孢霉 葡萄糖糖化酶葡萄糖糖化酶 平汉塑性平汉塑性部分丝状菌发酵液的流变学性质二、发酵液的流变学二、发酵液的流变学不同的发酵液可呈不同的流体类型不同的发酵液可呈不同的流体类型 发酵液，特别是含有固形物数量较多的发酵液，往往表现发酵液，特别是含有固形物数量较多的发酵液，往往表现为非牛顿流体特性。为非牛顿流体特性。一般每升含有一般每升含有2020克或更克或更多的菌体和固形物的培养多的菌体和固形物的培养液，均呈现非牛顿型流体液，均呈现非牛顿型流体中的平汉塑性流体性质。中的平汉塑性流体性质。放线菌摇瓶发酵菌丝球霉菌、放线菌的菌丝体在发酵中虽不呈典型的颗粒状，但错霉菌、放线菌的菌丝体在发酵中虽不呈典型的颗粒状，但错综复杂交织的网状菌丝丛和松散结构的菌丝球状体可看作是综复杂交织的网状菌丝丛和松散结构的菌丝球状体可看作是固形物。固形物。在发酵过程中，培养在发酵过程中，培养液流动模型参数会随着液流动模型参数会随着细胞浓度、形态的变化，细胞浓度、形态的变化，培养基物质的消耗，代培养基物质的消耗，代谢产物的积累以及补料谢产物的积累以及补料等发生明显的变化，表等发生明显的变化，表现出时变性。现出时变性。发酵液的流变类型也可发生变化。如有人测得：如有人测得：链霉素发酵在链霉素发酵在2424小时为塑性流体，发酵液黏度达小时为塑性流体，发酵液黏度达90Pa90Pas s；在；在4848小时和小时和9696小时为牛顿性流体，其黏度为小时为牛顿性流体，其黏度为18Pa18Pas s和和38Pa38Pas。第四节第四节 影响供氧的因素影响供氧的因素据氧传质方程据氧传质方程OTR=KL a (C*-CL)或或 G/=KLa V(C*-CL)影响供氧的主要因素是推动力影响供氧的主要因素是推动力(C C*-C CL L)和体积氧和体积氧传递系数传递系数K KL La a。一、一、影响氧传递推动力的因素影响氧传递推动力的因素要提高推动力，只能设法提高要提高推动力，只能设法提高C C*或减少或减少C CL L1、提高氧饱和浓度（C*）要提高要提高C C*，可降低培养温度、提高氧分压和降低培养，可降低培养温度、提高氧分压和降低培养基浓度等。基浓度等。但这几方面局限性都很大2、降低溶氧浓度（CL）降低降低C CL L可通过减少空气流量等方法来达到，但溶氧可通过减少空气流量等方法来达到，但溶氧浓度不能低于临解氧浓度。另外，减少空气流量本身浓度不能低于临解氧浓度。另外，减少空气流量本身会使会使K KL La a下降。下降。二、影响体积吸收系数二、影响体积吸收系数K KL La a的因素的因素1、搅拌作用：1 1）把从空气管中引入发酵罐的空气打成碎泡，增加气）把从空气管中引入发酵罐的空气打成碎泡，增加气-液液接触面积接触面积“a”,a”,亦即增加氧的传递面积。亦即增加氧的传递面积。2 2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。3 3）增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体）增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体主流中的流体阻力，从而增大主流中的流体阻力，从而增大K KL La a值。值。4)4)减少菌丝结团现象，降低细胞壁表面的液膜阻力，改减少菌丝结团现象，降低细胞壁表面的液膜阻力，改变细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围变细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围“废物废物”和和“废气废气”的浓度，有利于微生物的代谢。的浓度，有利于微生物的代谢。几种微生物在不同搅拌转速下发酵时的KLa、r和C*值 微生物 搅拌器转速 空气流速 KLa r C*r/min L/Lmin 1/h mg/Lh mg/LPs.ovalis 300 1.0 95 288 5.9 500 1.0 153 360 5.9 700 1.0 216 432 5.9啤酒酵母啤酒酵母 300 1.0 90 576 6.7 500 1.0 169 720 6.7 700 1.0 219 864 6.7 从上表可见，搅拌转速对从上表可见，搅拌转速对K KL La a的影响很大，对微生物的的影响很大，对微生物的摄氧率也有影响，但对摄氧率也有影响，但对C C*无影响。无影响。但过高的搅拌速度不但浪费动力，还会损伤菌体，引但过高的搅拌速度不但浪费动力，还会损伤菌体，引起菌体自溶及减产等。起菌体自溶及减产等。搅拌与通气效率之间的关系可用经验式表示：搅拌与通气效率之间的关系可用经验式表示：KLa=K(P/V)(Vs)(app)-K K-经验常数，与设备的形状、几何比例尺寸、通风装经验常数，与设备的形状、几何比例尺寸、通风装置的型式等有关置的型式等有关P P/V V-单位体积液体实际消耗的功率（指通气情况下单位体积液体实际消耗的功率（指通气情况下的功率），的功率），KW/mKW/m3 3V Vs-s-空气直线速率，空气直线速率，m/hm/h app app-液体的表观黏度，液体的表观黏度，Pa Pa S S、为指数，与搅拌器和空气分布器的型式等有关，为指数，与搅拌器和空气分布器的型式等有关，一般通过实验测得一般通过实验测得2、空气流速KLa=K(P/V)(Vs)(app)-从上式可见，从上式可见，KLa随空气速度的增加而增大。V Vs s为气流的直线速度；其指数为气流的直线速度；其指数 约为约为 0.40.40.720.72，随搅拌器型，随搅拌器型式而异。式而异。若空气速度过大，将使叶轮发生若空气速度过大，将使叶轮发生“过载过载”，即叶轮不，即叶轮不能分散空气，此时气流形成大气泡在轴的周围逸出。能分散空气，此时气流形成大气泡在轴的周围逸出。当空气速度超过当空气速度超过“过载过载”速度后，速度后，K K L La a 并不随之而增加。并不随之而增加。一般来说，用一组搅拌器时，过载空气流速为一般来说，用一组搅拌器时，过载空气流速为90m/h90m/h；用二组搅拌器时则可增加到用二组搅拌器时则可增加到150m/h150m/h。3、培养液的物理性质 在发酵过程中，菌本身的繁殖及其代谢可引起发酵液物理在发酵过程中，菌本身的繁殖及其代谢可引起发酵液物理性质的不断变化，如改变培养液的表面张力、黏度和离子浓性质的不断变化，如改变培养液的表面张力、黏度和离子浓度等；而这些变化会影响气体的溶解度、发酵液中气泡的直度等；而这些变化会影响气体的溶解度、发酵液中气泡的直径和稳定性及其合并为大气泡的速度等。发酵液的性质还影径和稳定性及其合并为大气泡的速度等。发酵液的性质还影响液体的湍动以及界面或液膜的阻力，因而显著地影响氧的响液体的湍动以及界面或液膜的阻力，因而显著地影响氧的传递效率。传递效率。发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质；在生产上也可利用这消泡剂等均可改变培养液的理化性质；在生产上也可利用这些手段来改善发酵液的物理性质。些手段来改善发酵液的物理性质。4、空气分布器和发酵液高度对通气效率的影响 生产实践证明，多孔环状鼓泡器的效果并不比单孔鼓生产实践证明，多孔环状鼓泡器的效果并不比单孔鼓泡器好。且多孔鼓泡器易堵。泡器好。且多孔鼓泡器易堵。高位发酵罐增加发酵罐的高度增加发酵罐的高度(D:H=1:7)(D:H=1:7)；增加了气；增加了气-液接触时间，提高液接触时间，提高了氧的利用率。了氧的利用率。5、其它因素 影响发酵罐溶氧的主要因素是：单位体积液体的搅拌功率影响发酵罐溶氧的主要因素是：单位体积液体的搅拌功率P P/V V，搅拌转数和空气的截面流速。，搅拌转数和空气的截面流速。另有些因素也在一定程度上影响溶氧另有些因素也在一定程度上影响溶氧1）搅拌器组数和间距对溶氧的影响 据径高比和发酵液的特性决定据径高比和发酵液的特性决定 一般来说，当一般来说，当H/D=2.5 H/D=2.5 时，用多组搅拌器可提高溶氧系时，用多组搅拌器可提高溶氧系数数10%10%，当当H/D=4H/D=4并采用较大的空气流速和较大的功率时，并采用较大的空气流速和较大的功率时，多组搅拌器可提高溶氧系数多组搅拌器可提高溶氧系数25%25%。若搅拌器之间相互位置不恰当，则流型和空气分布情况将若搅拌器之间相互位置不恰当，则流型和空气分布情况将发生变化，就会引起溶氧系数的大幅度降低。发生变化，就会引起溶氧系数的大幅度降低。2）功率、转速、风量之间的关系对溶氧的影响 增加搅拌功率、搅拌转速和风量，对一定的设备而言都增加搅拌功率、搅拌转速和风量，对一定的设备而言都会增加溶氧。会增加溶氧。但三者之间存在着相互关系，增加风量虽然能增加溶氧，但三者之间存在着相互关系，增加风量虽然能增加溶氧，但在转数不变的情况下会降低搅拌功率，溶氧又会随之降低但在转数不变的情况下会降低搅拌功率，溶氧又会随之降低。3）有机物质和表面活性剂对KLa 影响 某些有机物质如蛋白胨，能降低某些有机物质如蛋白胨，能降低K KL La a如在水中加入如在水中加入10000ppm10000ppm的蛋白胨，则的蛋白胨，则K KL La a 值降低到未加时值降低到未加时的的40%40%左右。左右。但某些少量的醇、酮和酯反而会使但某些少量的醇、酮和酯反而会使K KL La a 值提高值提高如将如将20 ppm20 ppm的这类物质加入水中，能使的这类物质加入水中，能使K KL La a 值增加值增加5050100%100%。4）压力的影响第五节第五节 体积氧传递系数的测定体积氧传递系数的测定亚硫酸盐氧化法使用使用复膜氧电极进行测量的进行测量的动态法在第十章中介绍在第十章中介绍1 1）CuCu2+2+作催化剂，溶解在水中作催化剂，溶解在水中O O2 2能立即氧化能立即氧化SOSO3 3-2-2，使之成，使之成为为SOSO4 4-2-2。（氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉）。（氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉）原理：CUSO42Na2SO3 +O2 2Na2SO42 2）剩余的）剩余的NaNa2 2SOSO3 3与过量的碘作用与过量的碘作用 H2ONa2SO3+I2 Na2SO4+2HI3 3）再用标定的）再用标定的NaNa2 2S S2 2O O3 3滴定剩余的碘滴定剩余的碘2Na2S2O3+I2 Na2S4O6+2NaI操作程序：将一定温度的自来水加入试验罐内，开始搅拌，加入亚将一定温度的自来水加入试验罐内，开始搅拌，加入亚硫酸钠晶体，使硫酸钠晶体，使SO3-2浓度约浓度约0.5mol/L左右；再加入硫酸铜晶左右；再加入硫酸铜晶体，使体，使Cu2+浓度约为浓度约为10-3 mol/L，待完全溶解；通空气，一开，待完全溶解；通空气，一开始就接近预定的流量，尽快调至所需的空气流量；稳定后立始就接近预定的流量，尽快调至所需的空气流量；稳定后立即计时，为氧化作用开始；氧化时间连续即计时，为氧化作用开始；氧化时间连续410min，到时停，到时停止通气和搅拌，准确记录氧化时间。止通气和搅拌，准确记录氧化时间。试验前后各用吸管取试验前后各用吸管取5100ml样液，立即移入新吸入的样液，立即移入新吸入的过量的标准碘液中；然后用标准的硫代硫酸钠溶液，以淀过量的标准碘液中；然后用标准的硫代硫酸钠溶液，以淀粉为指示剂滴定至终点。粉为指示剂滴定至终点。计算：设 V-V-两次滴定所用两次滴定所用NaNa2 2S S2 2O O3 3毫升数的差数毫升数的差数 N-NaN-Na2 2S S2 2O O3 3的浓度，常用的浓度，常用 0.100mol/L0.100mol/L m-m-样品的体积，样品的体积，mlml t-t-两次取样的间隔时间，两次取样的间隔时间，minmin P-P-罐内绝对压强，罐内绝对压强，atmatm若操作时罐压P=1atm，则体积溶氧系数KLa=VN60/mt4C*在在25,1atm下下,C*=0.21 (mmolO2/L)dissolved oxygen sensorYSI dissolved oxygen sensor