生化反应器的传递过程(09).ppt

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1、生化反应器的传递过程<生化过程反应与传质机理>专题八流变特性:指流体混合时的流动特性。生化反应器中生物介质(发酵液)的流变特性将影响其混合的程度、传质和传热的速率。6.1生物介质的流变特性生物介质是由液相和固相(细胞及不溶性组分)构成的多相体系，对细菌或酵母发酵液，一般说来粘度较低，流动性好，热量质量传递速率较快而用特殊的培养技术得到的高浓度细胞发酵液，因粘度的增加而造成热量、质量传递困难。如多种抗生素、有机酸等发酵产品生产中，由于发酵液中有大量菌丝体或菌球的存在，使其粘度增加，呈现非牛顿流动特性。这些流体流动性差，易使混合不充分，传热和传质产生困难。一、流变模型流变模型:能反映流体流动特性的

2、模型。流体的流动特性常用剪应力与速度梯度的关系来表示和区分。剪应力:单位流体面积上的剪切力或内摩擦力(F／A)速度梯度：(1)牛顿型流体：剪应力与速度梯度成正比的流体为流体的粘度，为切变率。流动服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体，具有确定的粘度值，气体、低分子的液体常为牛顿型流体。（２）非牛顿流体：不满足牛顿粘性定律的流体为，其剪应力与切变率之比不是常数，因而没有确定的粘度值。宾汉塑性流体拟塑性流体涨塑性流体凯松流体表观粘度是指剪应力与切变率之比。宾汉(Bingham)塑性流体:它的流动特性可用下式表示：屈服应力刚度系数特点：当剪应力小于屈服应力时，流体不发生流动，当剪应力超过屈服应力时流体

3、才发生流动。如黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌等丝状菌发酵液及生活用品如牙膏，肥皂等．拟（假）塑性流体：流动特性可用下式表示流动特性指数０1涨塑性流体n值越大，流体的非牛顿特性越明显，淀粉、玉米粉、糖溶液、部分中药提取液属于这种流动特性，发酵液中较少见。凯松(Casson)流体：流体模型为凯松粘度属于此类流体有血液、熔化的巧克力等。屈服应力

4、流体的流变特性的通式--幂定律方程很多发酵液属于非牛顿流体，宾汉流体、拟塑性流体和凯松流体的表观粘度随切变率的增大而减小，涨塑性流体的表观粘度则随切变率的增大而增大。剪应力与切变率的关系二、影响生物介质流变特性的因素生物介质流变特性主要取决于固相（细胞等）的浓度和其形态，对发酵液而言，其组成复杂，但大部分是水，溶解于水的各种营养成分、细胞的代谢产物、大量细胞和构成发酵介质的不溶性固相物质，发酵介质中液相部分粘度很低，但随着细胞浓度的增加，发酵介质的粘度也增大。细胞的浓度、形态、多糖和胞外蛋白质的代谢产物等都会影响发酵介质的流动特性右图是酵母培养液的粘度与细胞浓度的关系，随着细胞浓度的提高，发酵

5、介质的粘度也相应增大。当发酵介质中细胞浓度较低，且其形态为球形时，通常为牛顿型流体。此时流体的粘度可用Einstein式进行计算：发酵液粘度液相粘度颗粒的体积分率细胞浓度的体积分率大于40%，Vand提出下述关系式：当发酵介质的粘度与细胞浓度的关系明确时，可通过测定发酵介质的粘度来确定细胞的浓度。细胞的形态影响：对具有拟塑性的高分子溶液和丝状菌悬浮液，当切变率低时，由于分枝的链状分子或菌丝体互相牵制，表观粘度较高。随切变率的增大，表观粘度下降，这是由于菌丝体被拉直、甚至发生分裂。胞外产物影响发酵介质流变特性：对于一些多糖发酵体系，随着多糖浓度的增加，发酵介质表观粘度大大增加。在细胞反应过程中，

6、大都采用深层培养的方法大量生产细胞及有用的代谢产物。对需氧的细胞反应，常需要向培养基中供氧，以满足细胞生长代谢的需要。对大规模生产的细胞反应器，则需要通入无菌压缩空气并同时进行搅拌的方式，以满足供氧的需要。6.2氧的传质反应模型对于需氧的细胞反应，氧气首先要从气相通过扩散进入液相，然后在液相中扩散进入细胞的内部进行呼吸反应。下图为氧从气泡传递到细胞内部的示意图。氧在传递过程中有以下传递阻力：①氧从气相主体扩散到气一液界面的阻力R1；②通过气一液界面的阻力R2；③通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力R3；④液相主体中的传递阻力R4；⑤通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液体界面的阻力

7、R5；⑥通过液体与细胞团之间界面的阻力R6；⑦细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力R7；⑧进入细胞的阻力R8。①～④项属供氧方面的阻力；⑤～⑧项为耗氧方面的阻力。当单个细胞以游离状态悬浮于液体中时第⑦项阻力可忽略。下图表示了氧在三相过程中的浓度(C0)分布，并表示了各步骤的传质系数和膜的厚度。从图可以看出，影响氧的传质系数的参数有气一液相界面上的气膜传质系数kG和液膜传质系数kL及固一液界面