生化工程,6传递过程课件

第六章传递过程GasbubbleCellsStagnantregionStagnantregionGas-liquidinterfaceLiquid-aggregateinterfaceCellaggregationCellmembraneBulkfluidBiochemicalreaction《》BiochemicalEngineering氧是细胞的成分之一氧是许多细胞呼吸链电子传递系统未端的电子受体，最后与氢离子结合成水，在呼吸链的电子传递过程中，释放出大量能量，供细胞的维持、生长和合成反应使用。例,酵母绝对需氧量约为

6gO2/L·h.氧是一种难溶气体1atm,室温下(25℃)空气中的氧在水溶液中的溶解度约为0.26mmol/L=8.32mg/L.培养基中含有大量有机物和无机盐，因而氧在培养基中的溶解度就更低。因此，仅仅依靠氧气的自然溶解过程是远远不能满足微生物生长的需要的需要强制供氧02。由于氧的溶解度很小，自然溶解的速率也较慢，因此需要不断地往发酵液中通入氧气，以保证发酵液中菌体的生长需要。本章学习思路物质传递理论和微生物呼吸引出，并介绍通风和搅拌的意义2.的计算机械搅拌罐Pg的计算3.的调节4.计算举例5.小节§6.1氧传递过程细胞培养体系中气-液传质过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜液相主体生化反应氧从气相主体扩散到气-液界面通过气-液界面通过在气泡外侧的滞流区扩散到达液相主体从液相主体到达细胞或细胞团外的滞流液膜§6.1氧传递过程细胞培养体系中气-液传质过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜液相主体生化反应通过滞流区与细胞团之间的界面扩散进入细胞团，菌丝体团等进入细胞

§6.1氧传递过程细胞培养体系中气-液传质过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜OTROUR液相主体生化反应传氧速率OxygenTransfer(OTR)摄氧速率OxygenUptake(OUR)氧的气-液两相传质Two-FilmModelCL

和CG

分别表示气相主体和液相主体的氧浓度。氧气的传质速率(molO2/cm2·h)(气膜侧)(液膜侧)由于氧的界面浓度很难测定，因此定义传质的总传质系数,

KL

是总传质系数与气相分压相平衡的液相氧浓度。令界面气膜液膜气相主体液相主体CGCLCGiCLi传氧速率OxygenTransferRate(OTR)OTRwherekL—传氧系数oxygentransfercoefficient(cm/h)a

—

传质比表面积(cm2/cm3)kLa

—

体积传氧系数

(h-1)

—

溶解氧饱和浓度(mg/L)—

发酵液中实际的溶解氧浓度(mg/L)OTR－传氧速率(mgL-1h-1)微生物种类临界溶氧浓度（mg/L）百分饱和度%EscherichiaColi0.243.4Serratiamarcescens0.446.3SaccharmycesCerevisiae0.131.9PenicilliumChrysogenum0.649.1AspergillusNiger0.588.3代表性微生物的临界溶氧值在传氧受限制的条件下，生长速率随着溶解氧的变化而线性变化。增加传氧速率OTR措施1)增加气相中氧气的浓度纯氧富氧空气2)增加液相中氧的饱和浓度–增加操作压力，如保持罐压(2~3atm).3)增强搅拌1.Agitationincreases“a”,thesurfaceareatovolumeratio.2.Agitationdelaystheescapeofairbubblesfromtheliquid.3.Agitationpreventscoalescenceofairbubbles.4.Agitationincreases“kL”,theliquidfilmmasstransfercoefficient.如何测定kLa1.非稳态法

在操作前，将反应器充满水或培养基，精确测定液体中饱和氧的浓度.根据ln(CL*-CL)对t

作图,由此可得到kLa.即,因此,通入N2以排除去O2.(NaNO2)通入空气，在线测定溶解氧浓度，直至达到氧饱和。tCLtLn(CL*-CL)-kLa如何在线测定OTR,OUR,kLaFirststage:Secondstage:Whent=t0,CO2=C0t=t1,CO2=C1t=t2,CO2=C2停止通气FirstSecond恢复通气3.动态法仅需要pO2电极Secondstage:Whent=t1,CO2=C1t=t2,CO2=C2Firststage:FirstSecondOTR=kLa(C*O2-CO2)qO2=-OUR/X分析影响kLa的因素物系的性质粘度，扩散系数，表面张力操作条件温度，压力，通气量，搅拌转数反应器的结构反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式空气的过滤§6.2机械搅拌罐反应器的传递特性筒身高度H罐径D档板宽度W液位高度HL搅拌器直径d两搅拌器间距s下搅拌器距底部的间距B(一)、搅拌桨型号搅拌桨对发酵的影响1、轴流(a)A310(b)A315(C)A320(d)A6000图1莱宁公司的系列搅拌器图2EKATO公司的INTERPRO搅拌器图3ROBIN公司的HPM搅拌器（a）ZCX搅拌器（b）KSX搅拌器2、径流(二)、搅拌桨装配组合赤霉素红霉素盐酸四环素二、搅拌器轴功率计算学习思路:(一)搅拌功率P0的计算n:搅拌器的转速d:搅拌器的直径ρ:流体的密度μ:流体的粘度g:重力加速率NP:功率准数ReM:搅拌情况下的雷诺准数FrM:搅拌情况下的Froude准数X,Y的值与流动状态有关。(1)单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体功率P0的计算功率准数修正雷诺准数P0计算思路计算的前提条件：ReM≥104；几何相似的设备中选择一定型式的搅拌桨。1）由已知条件计算ReM；2）根据图4-8“各类搅拌器的Np~ReM”，且ReM≥104时确定搅拌桨型号查得NP；3）由式（W）计算P0。由此可见，P0与搅拌桨型式、设备和流体有关系。(2)多只涡轮不通气条件下输入搅拌液体功率计算涡轮数Pm计算公式S取值2345（二）通气搅拌功率Pg的计算Pg:通气搅拌功率P:搅拌功率QG:通气量n:搅拌器的转速d:搅拌器的直径当发酵罐中通入压缩空气后，搅拌器的轴功率输出将下降到原来的1/2~1/3,减少程度与通气量存在着一定的关系。Michel:福田秀雄:非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响非牛顿型发酵醪的流变学特征τDω/dγ彬汉塑型牛顿型拟塑型胀塑型拟塑型流体搅拌轴功率的计算程序合理地确定发酵罐的尺寸及搅拌转速N;将N代入（三）、通气发酵罐中溶氧速率与通气及搅拌的关系体积传质系数kLa的计算α=0.4~1.0β=0~0.8P