第七章生物反应器中的传质过程.ppt

第七章生物反应器中的传质过程; 6.1、生物反应体系的流变学特性 6.2、生物反应器中的传递现象 6.3、体积传质系数的测定及其影响因素 6.4、发酵体系中的氧的传递 6.5、溶氧方程与溶氧速率的调节;6.1 生物反应体系的流变特性; 反应液的流变学特性：是指液体在外加剪切力? 作用下所产生的流变特性，简称流变特性 。 当给定的流体在外加剪切力的作用下，一定产生相应的剪切速率?（即速度梯度或切变率，N/m2或Pa），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： ;表6-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性 ; 有多种经验方程来描述非牛顿流体的流变特性，其中最简单的形式是指数律方程。; 发酵液流变学特性为菌体的大小和形状的不同所影响。 一些稀薄的细菌发酵液；以水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液；为噬菌体侵害的发酵液等均为牛顿流体。 丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状。丝状菌的菌丝一般有一个以上的分枝，这些菌丝长约50-500 ?m，直径为9～10 ?m。反应器中，这些菌丝体纠缠在一起，使悬浮液粘度达数Pas。团状菌丝体是以稳定的球状积聚在一起而生长，其直径可达几mm。无论是丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。;表6-2 发酵液的流变特性; 丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显随剪切速率的不同而变化。同一反应器中，离搅拌器远近位置的不同，流动特性明显不同。 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流体等非牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性还随时间而变化。 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、颗粒的变形度、表面特性等因素影响。霉菌或放线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅度变化。 丝状菌发酵中，菌体相互间易形成网状结构，在一定的剪切速率下，团状结构的菌团可被打碎成小片，虽然这些小碎片可再聚集起来，但在高剪切速率下，絮集起来的菌团又将被打碎，使发酵液呈牛顿型流体特性。 总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热量的传递、混合特性及菌体生长等产生影响。;6.2 生物反应器中的传递过程; 氧是一种难溶气体，在25℃和1×106Pa时，空气中的氧在纯水中的溶解度仅为0.25mol/m3左右。由于培养基中含有大量有机物和无机盐，实际氧在液相中的溶解度就更低。当菌体浓度为1015 个/m3，每个菌体体积（含水量80% ）为10-16m3(直径5.8μm)，细胞呼吸强度为2.6×10-3mol 氧/(kg细胞·s)，菌体密度为1000[kg/m3]，则每立方米培养基的需氧量为： 2.6×10-3×10-16×1015×1000×(1-80%) = 0.052mol氧/(m3·s)= 187.2mol氧/(m3·h) 即在1m3培养基中每小时需要的氧是溶解量的750倍。因此，在生物反应过程中有效而经济地供氧是极为重要的。; 微生物对氧的利用率首先取决于发酵液中氧的溶解度和氧传递速率。 采取高密度培养方法提高生产效率时，高密度的细胞将使氧的消耗速度超过氧的传递速度。此时，氧的传递速度成为生物反应的限制性因素，为提高微生物的反应速度，就必须提高氧的传递速度。 ; 发酵过程中，有的微生物以菌丝团（或絮状物）的形式生长繁殖，这时，基质必须通过扩散进入菌丝团内，基质的扩散与利用是同步进行的。当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的，且反应速度与基质浓度呈正比时，产物的生成速度和菌体的生成速度都将低于悬浮单一细胞的相关速度。 为克服发酵过程中的扩散限制，可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。; 一般二氧化碳的生成与生物反应的活性有关，生物反应过程中，常常会有大量二氧化碳溶解在反应液中，气液两相中的二氧化碳会以不同形式 (CO2,H2CO3 , HCO3-1,CO3 -2 ) 进行转变，导致反应液的pH值发生变化。 双液相生物反应系统中一个典型例子是由碳氢化合物生产SCP。如何提高反应系统中基质的传递速度是非常重要的课题。在反应系统加入氧载体是一种改善氧传递速度的有效方法。 固态发酵（Solid state fermentation）中，通风除为微生物提供足够的氧外，还带走发酵热（Fermentation heat）和部分二氧化碳，同时还带走大量水分，使湿度成为