第三章通气与搅拌

Chapter4通气与搅拌（aerationandagitation）本章内容:搅拌器与搅拌功率通气发酵罐中溶氧

速率与通气搅拌的关系一、学习目的与要求要求学生了解液体通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型，掌握搅拌器轴功率计算方法（包括通气状态和不通气状态），以及熟悉非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算。二、考核知识点与考核目标1、重点（1）概念：轴功率、功率准数Np、通气准数Na（识记）（2）搅拌器轴功率计算（应用）2、次重点非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算（理解）3、一般：通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型（识记）第一节搅拌器与搅拌功率一、搅拌器的型式及流型二、搅拌器轴功率计算三、非牛顿流体特性四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。发酵罐内部视图机械搅拌通风在生物工程工厂中得到广泛使用，无论是用微生物作为生物催化剂，还是有酶或动植物细胞(或组织)作生物催化剂的生物工程工厂都有。据不完全统计，它占了发酵总数的70％-80％，故又常称之为通用式发酵。一、搅拌器的型式及流型

搅拌器的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，气泡细碎以增大气—液界面，获得所需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气—液—固(细胞)三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为实现这些目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。

Question:

1、下列哪个气泡的单位体积表面积最大（）A．直径1mm的气泡B．直径2mm的气泡C．直径3mm的气泡D．直径4mm的气泡2.下列气泡的单位体积表面积最小的是（）

A．直径1mm的气泡B．直径2mm的气泡C．直径3mm的气泡D．直径4mm的气泡1、搅拌器的型式径向轴向（1）径向流型搅拌器

蜗轮式：蜗轮式搅拌器具有结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点，但其不足之处是轴向混合较差，且其搅拌强度随着与搅拌轴距离增大而减弱，故当培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大大下降。

圆盘蜗轮搅拌器从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小？平叶涡轮弯叶涡轮箭叶涡轮①平直叶型:径向流强烈、循环输送量大、输出功率大、剪切速率大、混合较好②弯叶型：输出功率较低、剪切速率较低、径向流较强烈③箭叶型：输出功率和剪切速率更低，具有一定的轴向流④新型凹叶型：液-气体系中气体分散能力高，输出功率最低带圆盘的涡轮式搅拌器与不带圆盘的涡轮式搅拌器相比，有什么优点？

圆盘可以使上升的气泡受到阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。叶片数：Howmany?3—8个，一般为6个。（2）轴向流型搅拌器

螺旋桨式搅拌器（推进式搅拌器）轴向流型搅拌器可增强罐内物料循环、增加罐内的溶解氧、缩短发酵周期、提高产能以及降低能耗。产生的剪率较低，对气泡的分散效果不好叶片一般3片，V﹤25m/s轴向流型搅拌器推进式搅拌器轴向流型搅拌器将罐内液体向前或向后推进（或向下或向上推进），使流体形成螺旋状运动的圆柱流，它的混合效果较好，对液体的切剪作用较小。

径向流型搅拌器和轴向流型搅拌器的结合国外实践结果表明，在保持单罐产量一定的条件下，以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的涡轮搅拌器，其余两层改用轴向流型搅拌器时，与三层均采用径向流别搅拌器相比，功率消耗可降低15—30％。国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率下降，发酵指数也提高了近15％。

2、挡板

挡板的作用是：①防止液面中央产生漩涡；

②促使液体激烈翻动，增加溶解；

③改变液流的方向，由径向流改为轴向流通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4~6块即可满足全挡板条件。所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。——是指罐内加了挡板使旋涡基本消失，或指达到消除液面旋涡的最低挡板条件。全挡板条件

必须满足条件：D——罐的直径（mm）n——挡板数b——挡板宽度（mm）还有哪些也可以起挡板作用?发酵罐热交换用的竖立的列管、排管或蛇管也可起相应的挡板作用

1、全挡板条件：指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。or消除漩涡所需的最少挡板数.2.在标准的搅拌槽反应器中，挡板的直径是（）

A．罐直径的1/10一1/12B．罐直径的1/3一1/4C.罐直径的1/10一1/40D．只要小于槽直径的1/2就可以3、在标准的搅拌槽反应器中，搅拌浆的直径是（）A罐直径的1/10—1/12B罐直径的1/2—1/3C罐直径的1/5—1/6D只要小于罐直径就可以4.涡轮式搅拌器为什么中间安装一圆盘？圆盘可以使上升的气泡受到阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。虚拟发酵罐搅拌流型的仿真模拟实验

观察各种搅拌器的流型

3、搅拌器的流型流型

搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及氧气的溶解、热量的传递具有密切关系。搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐内的附件及其安装位置的影响。（1）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡。如在同一罐内安装4~6块挡板，液体的螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失。（2）涡轮式搅拌器的流型三种涡轮搅拌器的搅拌流型基本上相同，各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾。如不满足全挡板条件，轴中心位置也有凹陷的旋涡。适当的安排冷却排管，也可基本消除轴中心凹陷的旋涡。（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套简，可以大大加强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套简的上部入口，抽吸到液体之中，具有自消泡能力。伍氏发酵罐就是具有这种中心套筒的机械搅拌罐。二、搅拌器轴功率的计算搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。牛顿型流体：发酵液的黏度只是液体温度的函数。非牛顿型流体：发酵液的黏度不仅是温度的函数，还取决于搅拌桨转动时在被搅拌液体中产生的剪切速率。1.牛顿型流体服从牛顿粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函数？（

）A.液体密度B.温度C.pHD.剪应速率2.牛顿流体特性是（）

A．粘度不随功率输入改变B.粘度随功率输人增大而变大

C．粘度随功率输入增大而变小

D.根据牛顿流体的类型，粘度随功率物人增大而变大或变小1、单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素：叶轮和罐的相对尺寸搅拌器的转速流体的性质挡板的尺寸和数目通过因次分析，全挡板条件下，得：

式中P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（W）

ρ：液体的密度（kg/m3）

μ：液体的粘度（N.s/m2）

D：涡轮直径（m）

N：涡轮转数（r/s）

K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及流体的流态

是一个无因次数，可定义为功率准数NP。该准数表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比。式中ω：涡轮线速度

a：加速度

V：液体体积

m：液体质量搅拌功率准数NP的求解

搅拌功率准数NP是搅拌雷诺数ReM的函数ReM＞104，达到充分湍流之后，ReM增加，搅拌功率P0虽然将随之增大，但NP保持不变，即施加于单位体积液体的外力与其惯性力之比为常数，此时

P0=NPD5N3ρ

1.对于圆盘六箭叶涡轮，培养对象为牛顿型流体，搅拌功率计算的功率准数Np等于3.7的条件为（

）A．全挡板条件B．ReM≥104

C．ReM≤104D．液体湍流E．液体滞留湍流和滞留湍流：也称紊流，其特征是流体在流动时，流体的质点有剧烈的骚扰涡动，一层滑过一层的粘性流动情况基本消失，只是靠近管壁处还保留滞留的形态。湍流时，靠近管壁一定距离的流体流速逐步增大，接近管中央相当范围内的流体流速接近最大流速；管内流体的平均流速为管中央最大流速的0.8左右。滞留：也称层流，其特征是当流体在圆管中作滞留流动时，流体的质点作一层滑过一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。各层间分子只因扩散而移动。流体的流速沿断面按抛物线分布；紧靠管壁的流体流速等于零，管中央的流速最大，管中流体的平均流速为最大流速的1/2。2、多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算相同转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更多功率：涡轮只数+涡轮间距：两只涡轮形成的液流互不干扰，P=2P0两只涡轮形成的液流重叠：P﹤2P0使用多个涡轮时，两者间的距离S，对非牛顿型流体可取为2D；对牛顿型流体可取2.5~3.0D；静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D；下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。3、通气液体机械搅拌功率的计算同一搅拌器在相等的转速下输入于通气液体的搅拌功率比不通气液体的低这可以解释为：通气使液体的重度降低。功率的降低，不仅与液体平均重度的降低有关，而且主要取决于涡轮周围气液接触的状况。迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散于液体中，测量其输出功率，在双对数坐标上将Pg标绘成涡轮直径D，转速，空气流量Q和P0的函数，得出以下关系式：福田秀雄在100升至42000升的系列设备里，对迈凯尔关系式进行了校正，得

将多组实验数据分别标出，与实测的对应的Pg在双对数坐标上标绘。

图中的直线斜率为0.39，截距为2.4×10-3由此得出迈凯尔的修正关系式

计算举例某细菌醪发酵罐罐直径T＝1.8(米)圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮罐内装四块标准挡板搅拌器转速N＝168转／分通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量)罐压P＝1.5绝对大气压醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求计算Pg(1)计算ReMReM=ρD2N/μ=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)计算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)计算Pg１、轴功率是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率。2、发酵罐通气条件下的搅拌功率与不通气条件下的搅拌功率的关系通常是（）A小于B大于C等于D无关３.某细菌醪发酵罐：罐直径1.8m，液位高度1.8m，装配单只圆盘六弯叶涡轮，直径0.60m，罐内装四块挡板，搅拌器转速１８０r/min，VVM为1.0（已换算为罐内状态的流量），发酵罐的装填系数为０．７，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ＝1020kg/m3。请根据Michel修正式计算Pg。六计算题1.某细菌醪发酵罐：罐直径D=1.8m，圆盘六弯叶涡轮直径d=0.60m，液位高度HL=1.8m，一只涡轮，罐内装四块挡板，搅拌器转速168r/min，VVM为1.0（已换算为罐内状态的流量），醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3，请根据Michel修正式计算Pg2.今有一发酵罐，内径2m，装液高度3m，安装一六弯叶涡论式搅拌器，搅拌器直径0.7m，转数为150r/min，设发酵液密度为1050kg/m3，粘度为1N·S/m2，试求搅拌器所需功率大小。3.与上题相同条件下，若在发酵罐中通入空气量为6m3/min，（操作状态下），试求通气时所需搅拌功率。

解：（1）已知此细菌醪为牛顿型流体。对于六弯叶涡轮浆，Np=4.7(2分)（2）P0=NpD5N3ρ（1分）

P0=4.7×0.65×（168/60）3×1020（2分）

=8183（W）=8.183kW(1分)（3）发酵液体积VL=3.14/4×1.82×1.8=4.58(m3),通气比VVM为1.0，所以Qg=4.58m3/min(2分)(2分)

Pg=2.25×10-3×(8.1832×168×603÷45800000.08)0.39=6.38kW(2分)某细菌醪发酵罐：罐直径D=1.8m，圆盘六弯叶涡轮直径d＝0.60m，液位高度HL=1.8m，一只涡轮，罐内装四块挡板，搅拌器转速168r/min，VVM为1.0（已换算为罐内状态的流量），醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ＝1020kg/m3。请根据Michel修正式计算Pg。

3、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响牛顿型流体的主要特征就是其粘度μ只是温度的函数，与流动状态无关。非牛顿型流体的粘度μ不仅是温度的函数，而且随流动状态而异。一般，用水解糖液、糖蜜等原料做成的培养基的属于牛顿型流体。直接用淀粉、豆饼粉配料的低浓度的细菌或酵母菌醪液接近于牛顿型流体。霉菌及放线菌醪液均属于非牛顿型流体。牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体。1为牛顿流体，黏度为常数，不随剪切速率的改变而改变2、3、4为非牛顿流体，黏度随流体的流动状态改变而改变，其中2为拟塑性流体，黏度随剪切速率的增大而减小，4为膨胀性流体，黏度随剪切速率增大而增大，3为彬汉塑性流体，τ小于τy时流体不流动，大于τy时为牛顿流体对于牛顿流体，剪切应力与剪切速率之比为常数，称为牛顿粘度，对于非牛顿流体，剪切应力与剪切速率之比随剪切应力而变化，所得的粘度称在相应剪切应力下的“表观粘度”。塑料属于后一种情况。

几种典型的非牛顿流体比较拟塑性流体：主要流变特征是其黏度随dω/dγ(剪应速率)的升高而降低；彬汉塑性流体：主要流变特征是τ≤τy,

液层间的dω/dγ=0，τ＞τy，黏度与dω/dγ无关；膨胀性流体：主要流变特征是其黏度随dω/dγ的增大而升高。四种流体可用下面公式统一表示：牛顿流体：n=1，K=μ为常数彬汉塑性：n=1，K=μp为常数拟塑性流体：n<1,n愈小，拟塑性愈强；膨胀性流体：n>1，n愈大，膨胀性愈强在搅拌罐中用同一搅拌速度搅拌液体时，剪应速率的分布是不同的。所谓某一搅拌速率时的剪应速率指的是剪应速率的平均值。非牛顿型流体搅拌轴功率的计算与牛顿型流体搅拌轴功率的计算方法一样，但这类液体的粘度是随搅拌速度而变化的，因而必须先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌速度下的ReM，再后才能根据实验绘出其NP~ReM曲线。根据米兹纳大量实验数据的证明，牛顿型流体与非牛顿型液体的NP~ReM曲线的差别仅存在于ReM

＝10~300区间之内。如果为了近似的计算，不要求较高的准确度，那么的非牛顿型液体的NP~ReM曲线也可以不要实际标绘。可以用牛顿型流体的NP~ReM曲线代替非牛顿型液体的NP~ReM曲线。非牛顿流体搅拌轴功率的计算：A：确定发酵罐的几何尺寸和搅拌转数N。B：用（dw/dr）平均=KN计算（dw/dr）平均。C：测定一定温度下，菌体生长最旺盛时的液体流变性特征曲线，查即定转数时的显示粘度。D：取小罐实验数据绘制Np~Rem曲线。E：对与小罐几何相似的大罐，按牛顿流体方法计算Po，再计算Pg。只要避开Rem=10~300区间，可以用牛顿流体的Np~Rem曲线代替拟塑性流体的Np~Rem曲线。1、非牛顿性流体的黏度性质（）Ａ黏度不随流体状态改变Ｂ黏度随流体状态改变Ｃ和理想气体相似Ｄ和水的相似2.牛顿流体特性是（）

A.粘度不随功率输入改变

B.粘度随功率输入增大而变大

C.粘度随功率输入增大而变小

D.根据牛顿流体的类型，粘度随功率的增大而变大或变小3.搅拌转速升高，流体的粘度变大。则该流体为（）

A．牛顿流体B．拟塑性流休

C．膨胀性流体D．彬汉塑性流体4.对于拟塑性流体，下列说法正确的是（）

A．n<1，n越小，拟塑性越强

B．n<1，n越小，拟塑性越弱

C．n>1，n越大，拟塑性越强

D．n>1，n越大，拟塑性越弱5、牛顿型流体服从牛顿粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函数？（）

A液体密度B温度

CpHD剪应速率6、对于膨胀性流体，下列说法正确的是（）An﹤1，n越大，膨胀性越强Bn﹤1，n越大，膨胀性越弱Cn﹥1，n越大，膨胀性越强Dn﹥1，n越大，膨胀性越弱7、什么是非牛顿性流体？几种典型的非牛顿流体的流变学特性是什么？表观粘度如何定义？答：牛顿流体是指在任意小的外力作用下即能流动的流体，并且流动的速度梯度(D)与所加的切应力(τ)的大小成正比，这种流体就叫做牛顿流体。牛顿流体的流变方程是：τ＝ηD

符合牛顿流体定律的流体称为牛顿型流体，不符合牛顿流体定律的流体称为非牛顿流体

8、当发酵液为非牛顿性流体时，说明发酵罐搅拌功率的计算方法。（15’模拟题）A：确定发酵罐的几何尺寸和搅拌转数N。B：用（dw/dr）平均=KN计算（dw/dr）平均。C：测定一定温度下，菌体生长最旺盛时的液体流变性特征曲线，查即定转数时的显示粘度。D：取小罐实验数据绘制Np~Rem曲线。E：对与小罐几何相似的大罐，按牛顿流体方法计算Po，再计算Pg。只要避开Rem=10~300区间，可以用牛顿流体的Np~Rem曲线代替拟塑性流体的Np~Rem曲线。8、非牛顿型流体的搅拌功率如何计算？

非牛顿型流体搅拌轴功率的计算与牛顿型流体搅拌轴功率的计算方法一样，但这类液体的粘度是随搅拌速度而变化的，因而必须先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌速度下的ReM，再后才能根据实验绘出其NP~ReM曲线。1.牛顿型流体服从牛顿粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函数？（

）A.液体密度B.温度C.pHD.剪应速率2.提高转速可提高（）A.C*B.速度C.培养基黏度D.轴功率3.发酵罐通气条件下的搅拌功率与不通气条件下的搅拌功率的关系通常是（

）A小于B大于C等于D无关4.牛顿流体特性是（

）A．粘度不随功率输入改变B.粘度随功率输人增大而变大C．粘度随功率输入增大而变小D.根据牛顿流体的类型，粘度随功率物人增大而变大或变小5.搅拌转速升高，流体的粘度变大。则该流体为（）

A．牛顿流体B．拟塑性流休C．膨胀性流体D．彬汉塑性流体6.对于拟塑性流体，下列说法正确的是（）A．n<1，n越小，拟塑性越强B．n<1，n越小，拟塑性越弱C．n>1，n越大，拟塑性越强D．n>1，n越大，拟塑性越弱7.在标准的搅拌槽反应器中，挡板的直径是（

）A．罐直径的1/10一1/12B．罐直径的1/3一1/4C．罐直径的1/10一1/40D．只要小于槽直径的1/2就可以8.非牛顿流体的粘度性质是（

）

A．粘度不随流体状态改变B.粘度随流体状态改变C．和理想气体的相似D.和水的相似9.搅拌转速升高，流体的粘度降低。则该流体为（

）

A．牛顿流体B．拟塑性流休

C．膨胀性流体D．彬汉塑性流体10.在标准的搅拌槽反应器中，搅拌浆的直径是（

）A.罐直径的1/10—1/12B.罐直径的1/2—1/3C.罐直径的1/5—1/6D.大于槽直径的一半11.进行好氧微生物培养的过程中，反应器首选的混合模式是（

）

A．层流B．瞬变流C．湍流D．平流12.搅拌转速增大，流体的粘度变小，则该流体为（）

A.牛顿流体B.拟塑性流体

C.膨胀性流体C.彬汉塑性流体13.对于拟塑性流体，下列说法正确的是（）

A．n<1，n越小，拟塑性越强

B．n<1，n越小，拟塑性越弱C．n>1，n越大，拟塑性越强D．n>1，n越大，拟塑性越弱14、搅拌反应器中挡板的功能是（）A.挡板防止湍流在搅拌反应器中出现B.挡板在低搅拌转速下出现湍流C.挡板可以使在装有径向搅拌器的反应器中产生轴向流D.挡板在高搅拌转速下出现湍流15.Pg的含义（）A.无通气时发酵罐表压B.通气时发酵罐表压C.无通气时搅拌轴功率C.通气时搅拌轴功率16.某发酵液的流变特征符合模型，数据分析表明K为0.031—0.174，n为0.8015—0.9653，此发酵液属于（）A.牛顿流体B.拟塑性流体C.涨塑性流体D.彬汉塑性流体17.能够产生径向流的搅拌桨有（）A.翼型桨B.三叶式螺旋桨C.圆盘平直叶窝轮桨D.圆盘弯叶窝轮桨E.圆盘箭叶窝轮桨第二节通气发酵罐中溶氧

速率与通气搅拌的关系——氧的供需一、学习目的与要求要求学生掌握细胞对氧的需求，培养过程中的氧传递，影响供氧的因素，溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法。二、考核知识点与考核目标1、重点（1）概念：比耗氧速率，摄氧率，临界氧浓度，氧的传递通量，双膜理论，体积溶氧速率，体积溶氧系数（识记）（2）影响供氧的因素（理解）（3）摄氧率和kLa的测定（理解）

2、次重点培养过程中的氧传递（识记）

3、一般：（1）溶解氧对细胞生长的影响（识记）（2）溶解氧对发酵代谢产物生成的影响（识记）调节溶解氧的主要方法调节通气量：调节氧气分压；调节气液接触时间：调节气液接触面积：改变培养基的性质：另外：发酵液中加入适量的“氧载体”——不溶于水，有很强的溶氧能力。“生物工程溶氧”IntroductionSupplyingoxygentoaerobiccellshasalwaysrepresentedasignificantchallengetofermentationtechnologists.Theproblemderivesfromthefactthatoxygenispoorlysolubleinwater.ThesolubilityofSucroseis600g.l-1.oxygenat4°Cinpurewaterisonly8mg.l-1.Satisfyingoxygendemandscanoftenconstitutealargeproportionoftheoperatingandcapitalofaindustrialscalefermentationsystem.一、双膜理论（two-filmtheory）1.双膜理论的基本前提：（1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，均处于层流状态，氧分子只能借浓度差以扩散方式透过双膜，气体和液体主流空间中任一点的氧分子浓度相同。（2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系。（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。pAcA

pA,i

cA,i气膜液膜相界面气相主体液相主体传质方向图双膜理论示意图溶质A在气相中的分压溶质A在液相中的摩尔浓度2.传氧速率方程

气膜的传氧推动力为（P-Pi），液膜推动力为（Ci-C），通过两膜的氧传递速率N应相等

N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)

N---------传氧速率（kmol/m2·h）

kG--------气膜传质系数（kmol/m2·h·atm)

kL--------液膜传质系数（m/h）或（kmol/m2h)×(m3/kmol)

P--------气相主流中氧的分压(atm)

Pi-------气液界面上的氧分压(atm)

C--------液相主流中氧的浓度（kmol/m3）

Ci-------气液界面上氧的平衡浓度（kmol/m3）亨利定律：与溶解浓度相平衡的理想气体的分压与该气体所溶解的分子浓度成正比：P=HC*P*=HCH-----------亨利常数，它表示气体溶解于液体的难易程度，H越大表征该气体越难溶。氧是很难溶于水的气体，所以H很大。因此KL≈kL。说明此过程液膜阻力是主要控制因素。N=KL(C*-C)≈kL(C*-C)在式子两边各乘以单位体积培养液中气液两相的总的接触面积a(m2/m3)则得：Nv=KLa(C*-C)=kLa(C*-C)Nv---------体积溶氧速率（kmol/m3·h）KLa或kLa------以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数（1/h）a---------单位体积培养液中气液两相的总接触面积（m2/m3）由于Nv每立方米液体每小时的溶氧量，是可以实际测量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。3.影响传氧速率的因素搅拌（比表面积、气液接触时间）空气流速空气分布管氧分压（（C*-C）或（P-P*），）发酵罐内液柱的高度（H/D=2~3

）罐容（发酵罐体积大的氧利用率高）发酵液的性质（黏度、表面张力、离子浓度）温度（温度增高能提高kLa

）泡沫和消泡剂二.溶氧系数及其测定

1.溶氧系数常见的形式kLa-----以浓度差为推动力的体积溶氧系数(1/h)kGa-----以氧分压差为推动力的溶氧系数（mol/ml·h·atm)kd------亚硫酸盐氧化值（mol/ml·min·atm)Kv------与kd相同，但单位表示不同(kmol/m3·h·atm)上述四种表示形式中，除kLa是以浓度差为推动力外，其他三种表示形式都是以压力差为推动力。2.体积氧传递系数KLa的测定

亚硫酸盐氧化法动态法氧衡算法取样极谱法排气法2.1亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法的原理和实验程序用Cu2+为催化剂，溶解在水中的O2能立即将水中的SO32-氧化成为SO42-，使溶液中溶氧的浓度为零，即C=0在亚硫酸盐氧化法中规定C*=0.21mmol/L。（1）原理利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。

当亚硫酸盐浓度为0.018～0.47mol/L，温度20～45℃之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。反应原理：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：再用Na2S2O3滴定剩余的碘：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应（2）.操作

①将一定温度（20～45℃）的自来水加入实验罐，加入化学纯的Na2SO3晶体，使亚硫酸根约为1M，再加化学纯的CuSO4晶体，使Cu2+浓度约为10-9M，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时,氧化时间控制在5～20min.（3）计算方法:N：体积溶氧系数C：硫代硫酸钠浓度mol/Lt：两次取样的时间间隔P：发酵罐的罐压S：取样量NV：体积溶氧速率N：硫代硫酸钠浓度mol/Lt：两次取样的时间间隔P：发酵罐的罐压（P=1atm）V：硫代硫酸钠取样量由：Nv=kLa(C*-C)所以:优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反应速度快，不需要特殊仪器缺点：影响因素多，工作容积只能在4～80L以内测定才比较可靠2

、动态法动态法测量KLa是利用溶氧电极进行的，测量的是真实发酵液的KLa值。原理：利用非稳态时，溶氧浓度的变化速率等于溶入的氧浓度和耗氧浓度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）-QO2X重排列上式：C=-1/KLa（dc/dt+QO2X）+C将非稳态时溶氧浓度C对（dc/dt+QO2X）作图，可得一直线，此直线的斜率值即为-1/KLa。采用的方法是：A：停止通气，使发酵罐中的溶氧浓度下降。B：恢复通气（在溶氧浓度降到临界溶氧浓度之前恢复通气）。3、氧衡算法

原理：通过氧的衡算，直接测定溶氧速率。在培养过程中，供氧和耗氧速率平衡时，液相氧的浓度不变。OTR——氧的传递速率,mol/(m3.s)；Q1、Q0——分别为进、出空气流量,m3/s；p1、p0——分别为进、出口空气压力,Pa；y1、y2——分别为进、出口空气氧的分子分数；T1、T0——分别为进、出口空气温度,K；R——为通用气体常数,8.314J/(mol.K)；V——为培养液体积，m3.4、取样极谱法

原理：当电压为0.6~1.0V时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的电池中，并记下随时间而下降的发酵液中的氧浓度CL的数值KLa=Qo2X/C*-CL=斜率/C*-CLC*

驱出溶解氧，开始通气后，在被测定的发酵罐中用氮气定时取样，用极谱仪测出溶氧浓度dc/dt=KLa(C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa×t+常数KLa＝－2.303×斜率5、排气法C*建立KLa与设备参数及操作变数之间关系式的重要性在于生物反应器的比拟放大。三.kLa与设备参数及操作变数之间的关系影响生物反应器传氧系数大小的因素有操作变数、培养液物性及反应器结构等三部分。其中操作变数包括温度、压力、通风量和搅拌功率等四个因素；培养液物性包括黏度、密度、表面张力、氧在液相中扩散系数和溶解度等五个因素，取决于培养基组成、培养液浓度、发酵类型和操作条件（即温度、压力）等因素。而反应器结构方面包括的因素更多，如生化反应器型式、机械搅拌型式或液体循环装置型式、反应器各部分尺寸比例及空气分布装置等。Richard公式：kLa=k’(Pg/V)0.4·Vs0.5·n0.5Pg/V---------单位体积发酵液所输入的搅拌功率（kw/m3）Vs-----------反应器内空截面空气流速（m/h)n------------搅拌转速（r/h）k’-----------设备的形状系数从式中可知，增加搅拌器转速n以提高输入功率Pg，增加通气量以提高Vs都可以增加kLa值。但当通气量超出一定范围时，Pg将随之下降，甚至导致kLa下降。此时必须相应提高n才能维持kLa的上升趋势。但随n的增加，搅拌器桨叶尖端剪切速率相应增加，因而对培养物生理活性的危害也相应增加。此关系式只适用于牛顿型流体，不适用于非牛顿流体。1、机械搅拌罐KLa=f(d,n,ωg，DL，μL，ρL,σ,g)σ——液体表面张力，N/m；ωg——气体流速，m/s。2、气升环流式罐

工作原理：借空气喷嘴的作用而使空气气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解气量。KLa=f[(Ug)r,(UL)r,Dr,T,HL,μ，ρ,σ,d,g]

(Ug)r——升液管空截面气流速度（m/s）；(UL)r——升液管空截面液流速度（m/s

）；Dr——升液管直径（m）；T——反应器外直径（m）；HL——反应器内液面高（m）；μ——液体黏度（N.s/m2）；ρ——液体密度(kg/m3)；σ——界面表面张力(N/m)；d——O2在液相中的扩散系数(m2/s)；g——重力加速度（m/s2）。气液双喷射气升环流反应器

多层空气分布板的气升环流发酵罐气升环流式反应器具有外循环冷却的气升环流式发酵罐

1一发酵罐2一通气管

3一发酵液进口

4一空气分布器5一空气进口6一循环泵

7一发酵液出口8一热交换器9一喷嘴

10一发酵液出口12一排气管实验用气升式玻璃发酵罐

BIOTECH实验用气升式发酵罐体积达3000m3，液柱高达55m，发酵液2100m3。英国伯明翰ICI公司的压力循环发酵罐

典型的气升环流发酵罐(一)有效体积高达8000—20000m3

废水处理反应器

典型的气升环流发酵罐(二)四.Kla和溶氧速率的调控

（1）增加搅拌器转速N，以提高Pg，可以有效的提高KLa。（2）加大通气量Q，以提高Vs。（3）为提高Nv，除了提高kLa之外，提高C*也是可行的方法之一。在空气中通入纯氧，或在可能时提高罐内操作压力，均可使C*增高，从而提高了氧的传递推动力。（4）高径比调节。（5）丝状真菌的繁殖导致发酵液粘度的急剧上升和kLa的急剧下降。（6）向发酵液中添加少量的水不溶另一液相。传氧效率单位溶解氧功耗kLa值的大小是评价生化反应器的重要指标，但不是唯一指标。一个性能良好的反应器不仅应具有较高的溶氧系数kLa值，而且其能量消耗是最低的。作为评价通气生化反应器的另一个重要指标是单位溶解氧功耗，即溶解1kg或1kmolO2所需要的功率，它反映该反应器传氧效率的高低。1、增加生物反应器的高度能加快氧传递速率是因为（B）A．减小了反应器中饱和氧浓度B．增加反应器中氧分压C．减小气体的停顿D．加快气体传输2、较高的温度如何影响氧的传递（A）A.增加kLa但是C0＊降低B.kLa降低但是C0＊增加C.kLa和C0＊增加D．kLa和C0＊降低3、可以增加通气体系的氧传递速率的方式有（ＣＤＥ）Ａ增加营养物质Ｂ升高体系温度Ｃ增加搅拌转速Ｄ增加通气量Ｅ对发酵液进行适当稀释4、提高通气量可提高（Ｄ）

AC*B轴功率C培养基黏度D溶氧浓度5、在什么情况下液体培养的好氧微生物生长只受到氧的影响（Ａ）A溶解氧小于临界浓度B溶解氧浓度大于临界浓度C溶解氧浓度大于氧的饱和浓度D溶解氧浓度处于临界浓度和饱和浓度之间6、摄氧率：耗氧速率单位时间单位体积内的耗氧量(mmol/L.h)7、简述双膜理论的基本前提答：（1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，均处于层流状态，氧分子只能借浓度差以扩散方式透过双膜。（２）气体和液体主流空间中任一点的氧分子浓度相同。（３）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系。（４）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。8、依据气液传递速率方程，论述影响供氧的因素。答：Nv=kLa(C*-C)即影响KLa和(c*-c)的因素搅拌空气流速空气分布管氧分压发酵罐内液柱的高度罐容发酵液的性质（黏度、表面张力、离子浓度）温度（温度增高能提高kLa

）泡沫和消泡剂9.体积溶氧传递系数：液膜传质系数与单位体积培养液中气液两相的总的接触面积a的乘积。或以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数。或ｋＬａ是发酵罐传氧速率大小的表示。10.简述搅拌对气液传递速率的影响。答：形成小气泡，增大比表面积液体涡流运动，增加气液接触时间料液湍流运动，促进传质使菌体分散，避免结团11.试述用动态法测定发酵体系KLa的原理和方法答：动态法测量Kla是利用溶氧电极进行的，测量的是真实发酵液的Kla值。原理：利用非稳态时，溶氧浓度的变化速率等于溶入的氧浓度和耗氧浓度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）-QO2X重排列上式：C=-1/Kla（dc/dt+QO2X）+C将非稳态时溶氧浓度C对（dc/dt+QO2X）作图，可得一直线，此直线的斜率值即为-1/Kla。采用的方法是：A：停止通气，使发酵罐中的溶氧浓度下降。B：恢复通气（在溶氧浓度降到临界溶氧浓度之前恢复通气）。12.概述亚硫酸钠氧化法测定Kla的原理

13、提高发酵液中氧传递速率的主要途径是什么？从提高Kla的角度可采用：A：增加搅拌转数N，以提高Pg。B：增大通气量Q，以提高空截面气速Vs。C：N和Q同时增加。从提高传质推动力角度可采用：E：提高罐压F：通入纯氧简答、论述题1.概述亚硫酸钠氧化法测定Kla的原理。2.简述搅拌对气液传递速率的影响。3.试述用动态法测定发酵体系KLa的原理和方法。4.双膜理论的基本论点是什么？什么是液膜控制？什么是气膜控制？5.氧衡算法测量Kla的原理。6.不通气和通气条件下发酵罐的搅拌器轴功率的计算方法。7.调节生物反应器氧传递速率及Kla的途径有那些？8.非牛顿型流体的搅拌功率如何计算？9.什么是临界溶氧浓度？如何测定？是否所有的好氧培养过程都必需控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上？10.提高发酵液中氧传递速率的主要途径是什么？11.主要有哪几种测量Kla的方法，说明它们的适用场合。1、什么是溶解氧?溶解氧是指溶解在水里氧的量,通常记作DO,用每升水里氧气的毫克数表示在培养基中培养的细胞一般只能利用溶解氧.2、为什么要在发酵的过程中不断地提供溶解氧?①生成ATP,需要溶解氧②氧,是难溶于水的气体,在通常的情况下,培养基中的氧并不多,很快用完.350C,溶解度为7.1mg/L,只能维持15—20秒，溶氧随温度升高而下降3、如何实现不断供氧?

通无菌空气(压缩空气)

从发酵罐的底部的通风管导入无菌空气.4、什么是溶解氧控制,及如何控制?①什么是溶解氧控制?根据细胞对溶解氧的需要量,连续不断地进行补充,使培养基中的溶解氧的量保持恒定.②耗氧速率:摄氧率γ（OUR;OxygenUtilizationRatio），单位时间单位体积内的耗氧量(mmol/L.h)γ=Qo2X

Qo2－呼吸强度（比耗氧速率）:单位细胞量（每个或每克干细胞）在单位时间内的耗氧量（mmol/h.g干细胞）

X－细胞浓度:单位体积中细胞的量（个／L或克干细胞／L）③什么是溶氧速率？定义：单位体积的发酵液在单位时间内所溶解的氧量（mmol/L.h)．用OTR表示．影响因素：通气量，氧气分压，气液接触时间，气液接触面积，培养基的性质．如：在西藏，氧气分压低．培养基的性质，如黏度、气泡、温度。临界溶氧浓度

满足微生物呼吸的发酵液中最低溶氧浓度。或微生物的比耗氧速率随溶氧浓度的增加而升高，当溶解氧增加到一定值时，比耗氧速率不再增加，这时的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。

（在临界溶氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降

）呼吸强度与溶解氧的关系测定方法将供氧充分的微生物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况，首先是溶氧浓度呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度值即为该微生物的临界溶氧浓度。

某些微生物的临界溶氧浓度

微生物名称温度/℃C临界/(mol/L)大肠杆菌37.80.0082酵母菌34.80.0046米麴霉300.02橄榄型青霉菌300.009黏性赛氏杆菌310.015④如何进行溶解氧的控制？γ

＝OTR

，可满足细胞生长和发酵。γ＜

OTR，浪费，有时还会抑制某些产物的生物合成．γ＞OTR，细胞所需的氧气量不足，影响细胞生长繁殖、新陈代谢等．1、可以增加通气体系的氧传递速率的方式有（ＣＤＥ）Ａ增加营养物质Ｂ升高体系温度Ｃ增加搅拌转速Ｄ增加通气量Ｅ对发酵液进行适当稀释2、摄氧率：耗氧速率单位时间单位体积内的耗氧量(mmol/L.h)3、在什么情况下液体培养的好氧微生物生长只受到氧的影响（Ａ）A溶解氧小于临界浓度B溶解氧浓度大于临界浓度C溶解氧浓度大于氧的饱和浓度D溶解氧浓度处于临界浓度和饱和浓度之间2、溶氧的控制培养液中氧浓度的任何变化都是供需平衡的结果。调节发酵液中溶氧含量不外从供、需两个方面去考虑。（1）供氧方程提高KLa(c*-cL)（2）需氧方程γ=Qo2X影响此方程的因素：养料的丰富程度温度的影响（3）溶氧控制方法的比较习题：1、什么是细胞的比耗氧速率，什么是摄氧率，二者的关系如何？

答：耗氧速率:摄氧率γ（OUR;OxygenUtilizationRatio），单位时间单位体积内的耗氧量(mmol/L.h)γ=Qo2X

Qo2－呼吸强度（比耗氧速率）:单位细胞量（每个或每克干细胞）在单位时间内的耗氧量（mmol/h.g干细胞）

X－细胞浓度:单位体积中细胞的量（个／L或克干细胞／L）2、什么是临界溶氧浓度？如何测定？是否所有的好氧培养过程都必需控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上？答：微生物的比耗氧速率随溶氧浓度的增加而升高，当溶解氧增加到一定值时，比耗氧速率不再增加，这时的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。（3分）测法：将供氧充分的微生物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况，首先是溶氧浓度呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度值即为该微生物的临界溶氧浓度。（3分）并非所有的好氧培养过程都需要控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以上，比如以丙酮酸为前体的苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的发酵生产就应控制溶氧浓度在临界溶氧浓度以下。

3、

什么是氧的满足度4、双膜理论的基本论点是什么？6、亚硫酸盐氧化法测定Kla的原理。答：亚硫酸钠氧化法测定Kla的原理为：利用亚硫酸根在铜或镁离子等作为催化剂时被氧迅速氧化的特性，在非培养情况下测定发酵罐的氧传递系数，进而估计发酵设备的通气效率。该法在发酵罐中加入含有铜离子或镁离子作