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ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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。,第三章 生物反应器中的传递与传热（4学时）,1,1 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。,类 型,类 别,模 型,特 性,牛顿型流体,牛顿型流体,流动性能较好.,非牛顿型流体,宾汉塑性流体,当剪应力小于屈服应力时流体不流动.,拟塑性流体,K越大流体越稠,n越小，流体的牛顿特性越明显。,涨塑性流体,N越大，流体的非牛顿特性越明显。,凯松流体,难流动。,第一节 传质基础,1 发酵介质的流变特性 生化反应器中发酵液的流,2,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。,影响发酵介质流变特性的因素,3,2 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。,2 反应器中传质和反应过程 在生物反应器中进行,4,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。,第二节 细胞反应过程中的气液传质（氧的传递）对,5,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ppt课件,6,一般认为：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CO,2,等其他气体在气液相间的传质过程。,一般认为：在上述气液传质过程中，气液界面和液相主体的,7,2 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：,2 氧的传质反应模型 如果在某一需氧微生物反应过程中,8,3,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q,O2,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,DO,cri,。,讨论：,当 时,DO,随时间线性减少，q,o2,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：,3 比氧消耗速率与溶解氧浓度的关系 微生物反应过程,9,4 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,k,L,a,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：,4 氧的体积传质系数 需氧微生物反应器的氧传递性能可,10,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ppt课件,11,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：v,s,为反应器内空截面空气线速度,，p,g,/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,p,g,/V,，,n,和,v,s,。而,v,s,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,p,g,，从而有效地提高体积传质系数,k,L,a,；加大通气量,Q,的同时，提高,n,，保持,p,g,，以提高,k,L,a,或提高,C,*,（可采用向反应液通入纯氧）。,通风和搅拌采用机械搅拌，有利于增加气液接触面积，加长气液接,12,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。,温度和压力,13,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,k,L,a,增大，有时会使,k,L,a,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,k,L,a,下降。这两种作用的结果，则产生了上述结果。具体是增加,k,L,a,，还是减小,k,L,a,，则需视,a,增大的程度和,k,L,减小的程度。例如：加入十二烷基磺酸钠会使,k,L,a,增大，加入吐温,85,会使,k,L,a,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，,k,L,a,总是随菌体浓度的增大而减小。,反应液的理化性质,14,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k,L,a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k,L,a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，k,L,a可增大40%；由2增大到3时，k,L,a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k,L,a下降，这主要是由