生化反应器的传递过程学习教案

1、会计学1生化生化(shn hu)反应器的传递过程反应器的传递过程第一页，共55页。第1页/共54页第二页，共55页。第2页/共54页第三页，共55页。dydu剪应力剪应力: :单位单位(dnwi)(dnwi)流体面积上的剪切力或内流体面积上的剪切力或内摩擦力摩擦力(F(FA)A)速度速度(sd)梯度：梯度：第3页/共54页第四页，共55页。液体常为牛顿型流体。液体常为牛顿型流体。dyduo)(dydu第4页/共54页第五页，共55页。（）非牛顿流体：不满足牛顿粘性定（）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律的流体为，其剪应力与切变率之比不是常数，因而是常数，因而(yn

2、 r)没有确定的粘度值没有确定的粘度值。宾汉塑性宾汉塑性(sxng)流体流体拟塑性拟塑性(sxng)流体流体涨塑性涨塑性(sxng)流体流体凯松流体凯松流体表观粘度是指剪应力与切变表观粘度是指剪应力与切变(qi bin)率之比。率之比。a第5页/共54页第六页，共55页。0屈服应力屈服应力 刚度刚度( (nn d)d)系数系数 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才发生流动。力超过屈服应力时流体才发生流动。如黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌如黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌(mjn)等丝状菌等丝状菌发酵液及生活用品

3、如牙膏，肥皂等发酵液及生活用品如牙膏，肥皂等)(dyduo第6页/共54页第七页，共55页。nK流动流动(lidng)(lidng)特性指特性指数数n1 n1涨塑性涨塑性(sxng)流体流体n值越大，流体的非牛顿特性越明显，淀粉、玉米粉值越大，流体的非牛顿特性越明显，淀粉、玉米粉、糖溶液、部分、糖溶液、部分(b fen)中药提取液属于这种流动特中药提取液属于这种流动特性，发酵液中较少见。性，发酵液中较少见。)(dyduo第8页/共54页第九页，共55页。 凯松凯松(Casson)(Casson)流体流体(lit)(lit)： 流体流体(lit)(lit)模型为模型为 2/12/102/1cK凯

4、松粘度凯松粘度(zhn (zhn d) d) 属于此类流体有血液属于此类流体有血液(xuy)(xuy)、熔化的巧克力等。、熔化的巧克力等。 屈服应力屈服应力 )(dyduo第9页/共54页第十页，共55页。nK0 很多发酵液属于非牛顿流体很多发酵液属于非牛顿流体(lit)，宾汉流体，宾汉流体(lit)、拟塑性流体拟塑性流体(lit)和凯松流体和凯松流体(lit)的表观粘度随切变的表观粘度随切变率的增大而减小，涨塑性流体率的增大而减小，涨塑性流体(lit)的表观粘度则随的表观粘度则随切变率的增大而增大。切变率的增大而增大。第10页/共54页第十一页，共55页。第11页/共54页第十二页，共55页

5、。增大。增大。细胞的浓度、形态、多糖和胞细胞的浓度、形态、多糖和胞外蛋白质的代谢产物等都会影响外蛋白质的代谢产物等都会影响发酵介质的流动特性发酵介质的流动特性第12页/共54页第十三页，共55页。右图是酵母培右图是酵母培养液的粘度养液的粘度(zhn d)与细与细胞浓度的关系胞浓度的关系，随着细胞浓，随着细胞浓度的提高，发度的提高，发酵介质的粘度酵介质的粘度(zhn d)也相也相应增大。应增大。第13页/共54页第十四页，共55页。VandVand提出下述关系式：提出下述关系式：)5 . 21 (Ls)25. 75 . 21 (2Ls第14页/共54页第十五页，共55页。第15页/共54页第十六

6、页，共55页。第16页/共54页第十七页，共55页。第17页/共54页第十八页，共55页。氧在传递过程中有以下传递阻力：氧在传递过程中有以下传递阻力：氧从气相主体扩散到气一液界面氧从气相主体扩散到气一液界面(jimin)(jimin)的阻力的阻力R1R1；通过气一液界面通过气一液界面(jimin)(jimin)的阻力的阻力R2R2；通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力R3R3；液相主体中的传递阻力液相主体中的传递阻力R4R4；通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液体通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液体界面界面(jimin)(jim

7、in)的阻力的阻力R5R5；第18页/共54页第十九页，共55页。第19页/共54页第二十页，共55页。第20页/共54页第二十一页，共55页。从图可以看出，影响氧的传质系数的参数有从图可以看出，影响氧的传质系数的参数有气气(yu q)(yu q)一液相界面上的气膜传质系数一液相界面上的气膜传质系数kGkG和液膜传质系数和液膜传质系数kLkL及固一液界面上的液膜及固一液界面上的液膜传质系数传质系数kL2kL2和在固相内部的传质速率。和在固相内部的传质速率。第21页/共54页第二十二页，共55页。iiokpN/12阻力推动力smmol2/第22页/共54页第二十三页，共55页。LLiGiokCC

8、kppN/1/12一、气液相间氧的传质与反应一、气液相间氧的传质与反应(fnyng)(fnyng)（气液反应气液反应(fnyng)(fnyng)宏观动力学）宏观动力学）kGkG为气膜传质为气膜传质(chun zh)(chun zh)系系数数kLkL为液膜传质为液膜传质(chun zh)(chun zh)系系数数气膜液膜pCLpiCi第23页/共54页第二十四页，共55页。LGGkHkK11GLLHkkK111LLkK若定义若定义KGKG为以氧分压为推动力的总传质为以氧分压为推动力的总传质(chun zh)(chun zh)系数；系数；KLKL为以氧浓度为推动力的总传质为以氧浓度为推动力的总传质

9、(chun zh)(chun zh)系数系数第24页/共54页第二十五页，共55页。)(*OLOLLSCCakN单位体积培养液中氧的传质单位体积培养液中氧的传质(chun zh)(chun zh)速率，速率，molmol(m3s)(m3s)； OLC*akLaOLC第25页/共54页第二十六页，共55页。第26页/共54页第二十七页，共55页。氧在气一液相氧在气一液相界面界面(jimin)液膜上的浓度液膜上的浓度分布可分为五分布可分为五种情况，如右种情况，如右图所示。图所示。第27页/共54页第二十八页，共55页。第28页/共54页第二十九页，共55页。akkCRLrOLo11*2OLrOLr

10、oCkCkR*2OLLoaCkR*2第29页/共54页第三十页，共55页。akkCkRLrOLro1*2OLrOLrCkDaCk*12oRakL第30页/共54页第三十一页，共55页。随着传质随着传质(chun (chun zh)zh)速率的减小速率的减小，氧的宏观反应，氧的宏观反应速率将随之减少速率将随之减少。第31页/共54页第三十二页，共55页。SLak2LLak1SLak2第32页/共54页第三十三页，共55页。SLak2LLak1第33页/共54页第三十四页，共55页。传质速率因反应而强化传质速率因反应而强化 对一伴有反应的气液相传质过程，假对一伴有反应的气液相传质过程，假定其有效速

11、率为定其有效速率为Rs，而其纯传质速率为，而其纯传质速率为Rd，根据传质被强化的观点，根据传质被强化的观点(gundin)，引入，引入增强因子增强因子E，表示为，表示为由于由于RsRd，所以，所以E1。如果能求出。如果能求出E值值，则很容易求出，则很容易求出Rs值。值。dsRRE的传质速率无反应时从气相至液相的传质速率有反应时从气相至液相第34页/共54页第三十五页，共55页。rnSLkDCnkHa1121第35页/共54页第三十六页，共55页。)(HafE 第36页/共54页第三十七页，共55页。右图为右图为E-Ha关系曲线，关系曲线，E-Ha关系可分为三个部关系可分为三个部分。分。Ha0.

12、3，为慢反应，为慢反应(fnyng)区，此区反应区，此区反应(fnyng)速率很慢，因速率很慢，因而反应而反应(fnyng)速率对速率对传质速率无影响，即无传质速率无影响，即无强化作用。过程的速率强化作用。过程的速率取决于传质速率，属于取决于传质速率，属于物理吸收过程，传质限物理吸收过程，传质限制区。反应制区。反应(fnyng)完完全发生在液相主体内。全发生在液相主体内。第37页/共54页第三十八页，共55页。分反应在气液界面上反分反应在气液界面上反应，因此强化了传质速应，因此强化了传质速率。率。第38页/共54页第三十九页，共55页。及及(shj)(shj)到氧气在气液相间的到氧气在气液相间

13、的传质和反应。传质和反应。HaHaEtanhHaE 第39页/共54页第四十页，共55页。)(2OSOLLSLsCCakN液固间传质液固间传质(chun zh)(chun zh)系数系数 液固比表面积液固比表面积 细胞外表面细胞外表面(biomin)(biomin)处氧浓度处氧浓度 二、二、液固相间氧的传质液固相间氧的传质液相主体中氧液相主体中氧浓度浓度 第40页/共54页第四十一页，共55页。OLLSpLOLLSLSCandDCakN22maxmol(m3s) n-n-单位单位(dnwi)(dnwi)体积培养液中细胞体积培养液中细胞个数个数 若细胞或细胞团为球形，且细胞密度与液体若细胞或细胞

14、团为球形，且细胞密度与液体(yt)(yt)密度接近时，则密度接近时，则 pLLdDk22第41页/共54页第四十二页，共55页。三、三、 细胞细胞(xbo)(xbo)团内氧的传质与反应团内氧的传质与反应 氧进入细胞氧进入细胞(xbo)(xbo)团内，一方面向细胞团内，一方面向细胞(xbo)(xbo)内部扩散，一方面又被其细胞内部扩散，一方面又被其细胞(xbo)(xbo)消耗，浓度不断下降。消耗，浓度不断下降。如果把细胞看成一个耗氧如果把细胞看成一个耗氧的均匀的球体的均匀的球体(qit)。设。设其半径为其半径为R，密度为，密度为0，取其半径取其半径r处一层厚度为处一层厚度为dr的壳层做物料衡算得

15、：的壳层做物料衡算得：氧第42页/共54页第四十三页，共55页。OOOOOeCKCqrdrdCdrCdDmax0022)2(第43页/共54页第四十四页，共55页。0drdCO细胞团内葡萄糖浓度变细胞团内葡萄糖浓度变化很小，而氧的浓度则随化很小，而氧的浓度则随半径半径(bnjng)减小而迅速减小而迅速下降，这表明在细胞团的下降，这表明在细胞团的中央，细胞的呼吸受到限中央，细胞的呼吸受到限制。制。02.4rO2葡萄糖第44页/共54页第四十五页，共55页。四、影响四、影响(yngxing)(yngxing)氧传质速率的因素氧传质速率的因素 )(*OLOLLSCCakN氧的气液传质氧的气液传质(c

16、hun zh)(chun zh)方程方程第45页/共54页第四十六页，共55页。1.1.氧在培养基中的溶解度氧在培养基中的溶解度: :氧是难溶性气体。在氧是难溶性气体。在2525和和1 11 05Pa1 05Pa时，空气中的氧在纯水中的溶解时，空气中的氧在纯水中的溶解度为度为0.2kmol0.2kmolm3m3左右。由于在培养基中含有大量左右。由于在培养基中含有大量有机物和无机盐，氧在其中的溶解度就更低。有机物和无机盐，氧在其中的溶解度就更低。氧在水中的溶解度随温度的升高而降低氧在水中的溶解度随温度的升高而降低(jingd)(jingd)。在常压和温度。在常压和温度433OC433OC的范围内

17、，与的范围内，与空气相平衡时，纯水中氧的浓度可用下述经验式求空气相平衡时，纯水中氧的浓度可用下述经验式求出：出：6 .316 .14*tCW-与空气平衡与空气平衡(pnghng)(pnghng)时纯水时纯水中氧的浓度中氧的浓度 *WC第46页/共54页第四十七页，共55页。EeWKCCC*lg- -氧在电解质溶液中的溶解度氧在电解质溶液中的溶解度 - -电解质溶液的浓度电解质溶液的浓度- -常数，与气体种类常数，与气体种类(zhngli)(zhngli)、电解质种类、电解质种类(zhngli)(zhngli)和温度有关和温度有关*eCECK第47页/共54页第四十八页，共55页。iieWIhC

18、C*lg第第i i种离子种离子(lz)(lz)的的常数常数 离子离子(lz)(lz)强度强度 EiiICZI221第第i i种离子的价数种离子的价数 第第i i种离子的浓度种离子的浓度 若为非电解质溶液若为非电解质溶液NnWKCCC*lg有机物浓度有机物浓度 氧的溶解度氧的溶解度第48页/共54页第四十九页，共55页。iimWIhCC*lg*lgniWCC为了为了(wi le)(wi le)提高氧在培养基中的溶解度，可提高氧在培养基中的溶解度，可提高反应器操作压力和富氧通气的方法提高反应器操作压力和富氧通气的方法 。氧的培养基中的溶解度氧的培养基中的溶解度第49页/共54页第五十页，共55页。LLLDk第50页/共54页第五十一页，共55页。BLBGdHVdVa066气体气体(qt)(qt)截截留率留率 第51页/共54页第五十二页，共55页。LBmLGVWdHQa6通气通气(tng q)(tn