第六章 反应器传递性能

第六章生物反应器的传递反应流体的流变与剪切特性生物反应过程中氧的传递6.1反应流体的流变与剪切特性流体的流变模型影响发酵液流变特性的因素6.1.1流变模型采用流体的外加剪应力与所产生的相应的剪切速率（切变率）之间的关系来表示。

牛顿型流体：拟塑性流体：，涨塑性流体：n>1宾汉塑性流体：凯松流体：6.1.2影响发酵液流变特性的因素主要取决于细胞浓度和形态，当细胞为球形时，有下式成立

此式适合物体积分数<14%的发酵液，当细胞体积分数>40%时，此外影响发酵液流变特性的因素还有胞外产物（如黄原胶）及高分子底物（如淀粉）

6.2微生物对氧的利用氧在气液相间的传质耗氧速率微生物反应过程中耗氧与供氧的动态关系化学反应对传质速率的影响影响氧传递的因素体积氧传质系数

好氧发酵中，氧是一种难溶于水的气体，在25℃和1atm下，空气中氧在纯水的的溶解度仅为0.25mol/m3，而培养基中含有大量的有机物和无机盐，因而氧在液相中的溶解度会更低。即在1m3培养液中每小时需要的氧是溶氧量的750倍，若中止供氧，几秒钟内，菌体将会把溶解氧耗尽。因而在生化反应过程中有效而经济地供氧是极为重要的。

而微生物对氧的利用率，取决于发酵液中氧的溶解度和氧的传递速率。因而，从气相到液相的氧的传递速率成为生物反应的限制性因素。发酵过程中，有的微生物是以菌丝团的形式生长繁殖，此时底物必须通过扩散进入菌丝团内，而底物的扩散和利用是同步进行的，菌丝团内的底物浓度低于发酵液主体，且当反应速率与底物的浓度成正比时，产物的生成速率与菌体的生长速率均低于悬浮的单一细胞的相应速率。6.2.1氧在气液相间的传质速率氧气在气液相间的传质阻力双膜理论渗透理论表面更新理论氧传质速率的表达1、氧在气液相间的传质阻力氧气由气相主体扩散扩散到气液界面的阻力R1通过气液界面的阻力R2通过气泡外液膜到达液相主体的阻力R3

氧是难溶于水的，因而很容易成为反应的限制因素。微生物对氧的利用取决于发酵液中氧的溶解度与氧的传质速率。因而从气相到液相氧的传递就成为微生物反应的限制因素。δL2、双膜理论被吸收气体在气相和液相主体内没有传质阻力，浓度均匀，在气液界面两侧分别存在气膜和液膜传质阻力全部集中在两膜内，且在膜内依靠分子扩散进行，可用Fick第一定律描述被吸收气体在两膜内浓度分布不随时间而变在气液界面上，气相中被吸收气体的分压与液相中浓度始终处于平衡状态，界面上完全没有传质阻力气相主体PP*[DO]*[DO]液相主体δL3渗透理论（气体吸收的非定常态模型）是针对非定常态下非湍流液体的气体吸收情况提出来的。当含有某种气体A的气相与某种液相接触时，液相中界面附近A的浓度分布随时间变化，处于非定常态。对A作微分物料衡算（Fick第二定律）4表面更新理论但对于通气搅拌罐，传质面积即气液界面面积无法确定，因而通常以单位体积的发酵液具有的气液界面面积为基准时间讨论即：5、氧传质速率的表达6.2.2耗氧速率微生物的耗氧速率微生物的比耗氧速率与菌体浓度均是时间的函数，故，一般大约在分批培养的对数生长期的后期达到最大，此时在分批培养中，在对数生长期具有最大值，因为氧气在微生物反应中是作为呼吸的最终电子受体，起反应的是细胞色素氧化酶，故有下式成立从上式中可以看出，比耗氧速率与溶氧浓度之间满足双曲函数关系，并且存在临界溶氧浓度[DO]c，[DO]c=0.003-0.05mmol/L，相当于1%~25%的空气饱和溶氧值。6.2.3耗氧与供氧的动态关系细胞反应过程中的[DO]，不仅与耗氧速率有关，还与传氧速率有关，在分批培养中，对氧的物料衡算式为：在分批培养中，所需最小的KLa为维持[DO]为[DO]c，并且能够满足微生物最大耗氧速率时对氧的需求。所以6.2.4化学反应对传质速率的影响增强因子E：八田数Ha:6.2.4影响氧传递的因素由氧的传质速率知影响氧传递的因素分别为传质推动力和体积氧传质系数。增加氧的传质推动力[DO]*-[DO]，在工业上不经济。提高体积氧传质系数KLa

则较容易。影响体积氧传质系数的因素操作变量：发酵液的理化性质反应器的结构操作变量通风量Q：根据双膜理论，当通气量较小时，增加通气量，气体线速度增加，有利于对流的产生，使液膜厚度减小，故增加了KL，对于鼓泡式反应器，但如通气过大，会发生过载现象，即搅拌器不能有效地将气体打碎为小气泡并分散到液体中去，而是形成大气泡并在搅拌轴周围逸出。实际中往往采用低通风量和高转数的操作条件，以有利于气液流体的分散和传递。对于气体搅拌式反应器，如鼓泡式和气升式反应器，通气的作用既为细胞反应提供所需的氧，又为增强流体的混合，因此气液传递系数与反应器内气泡大小有关，而后者又与气速有关。

而a的大小取决于所设计的空气分布器、空气流动速率、反应器体积、气泡直径等因素，如果由空气分布出口流出的空气流动速率为Fa,气泡在发酵罐中停留时间为t，气泡平均直径为dB，则a可用下式来表示：温度：温度的高低改变了氧的溶解度，同时也影响了液体的物理参数。当温度升高时，降低了发酵液的粘度与液体的表面张力，增加了氧在液相中的分子扩散系数，有利于提高溶氧速率。研究表明，常温下利用活性污泥法处理废水时提高温度可以增加KLa值。在嗜热脂肪芽孢杆菌的培养过程中，温度由45℃提高到65℃，KLa增加了20%罐压高低或液柱的高低，都会影响到溶解速率，通用式发酵罐中，通风量恒定，溶氧速率随压力的增加而增加，同时KLa也随压力的增加而增大发酵液的理化性质细胞浓度。微生物不仅因反应对气体吸收有影响，而且微生物作为悬浮的微小颗粒，在物理上也影响气体吸收。根据死菌体悬浮培养液测KLa结果知：无论是酵母还是放线菌，KLa总是随菌体浓度的增加而减小。细胞形态：对于丝状菌，当菌体浓度增加时，会使下降，同时菌体的形态对有着明显的影响。在Na2SO3

水溶液中添加1.35%的死体，KLa下降50%，当黑曲霉浓度达到2%（干重）时，KLa下降80%。盐类：培养基中含有多种盐类，其离子强度约为0.2~0.5mol/L。离子强度增大，使打碎的气泡难以合并，因而增加了a，此外，离子强度增加，使气体在液相中的滞留量有增加的趋势。如I＝0.4mol/L，会强烈抑制气泡合并，气泡直径减小，气含率增加。此外，KLa

随离子强度增加的程度与通风搅拌消耗的功率的增加而增加，有时可达纯水的5－6倍。表面活性剂：适量的表面活性剂使液体的表面张力下降，使a增加，但当表面活性剂在相界面上聚积超过一定浓度时，能使液膜传质系数KL剧烈下降。据报道，鼓泡通气条件下，水中加硫酸月桂基钠（SLS）10ppm,KLa下降了45%，而在涡轮搅拌罐中添加4ppm，KLa净增15%。此外，发酵液中的有机物，有的是培养基中的一部分，有的是菌体的代谢产物，特别是代谢产物能使发酵液粘度增加的，如多糖黄原胶，会使KLa

下降。有些酮、醇、脂等会提高KLa.反应器的结构搅拌浆：首先是将气泡打碎，增加气液接触面积，同时使反应器内液体呈湍流状态，减小了气泡外液膜厚度，同时使反应液各成分分布均匀。此外，搅拌桨的组数的间距，对溶氧有一定影响。一般，当H/D=2.5时，用多组搅拌器可提高KLa10%，当H/D=4时，采用较大空气流速和较大功率时，多组搅拌桨可提高KLa25%，但当搅拌器之间位置不恰当时，液体的流型和空气分布将发生改变，引起KLa大幅下降挡板：使由搅拌浆产生的原生流转变为次生流，以防止搅拌浆运转时产生漩涡而使气体外逸。一般要求达到全挡板条件：即搅拌罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡消失。高径比：当空气流量和单位体积功率不变时，通气效率随高径比的增加而增加。当反应器高径比由1增加到2时，KLa可增加40%，由2增加到3时，KLa增加20%，因此人们倾向于采用高径比较大的发酵罐。6.2.5体积氧传质系数实验测定：亚硫酸钠氧化法、动态法、物料平衡法、葡萄糖氧化法提高体积氧传质系数的手段1、亚硫酸钠氧化法以Cu2+

作为催化剂，在一定浓度的亚硫酸钠溶液中，发生反应，此体系的反应速率远大于氧的传质速率，因此整个反应取决于氧的传质，且[DO]=0，即

在亚硫酸钠的体系中，[DO]*=0.21mmol/L，

体系中亚硫酸钠的浓度用碘量法测定，其原理为剩余的碘用标准硫代硫酸钠滴定：假定滴定过程中所取的过量的碘为A，硫代硫酸钠的浓度为N，滴定时耗用体积为V，所取亚硫酸钠样液体积为m,

在反应过程中用硫代硫酸钠滴定的碘为：，则被亚硫酸钠消耗的碘为，因此可得样液中亚硫酸钠的真实浓度为，则

由此可知在用碘量法测定过程中，氧化剂碘的量是不需要准确知道的。2、动态法在分批培养过程中对反应液中的氧的物料衡算式为：输入＝输出+消耗+累积，假定排气中无氧气存在，则，重排后为

当操作条件不变时，KLa为一常数，此时以作图，得一直线。但耗氧速率rO2为一变量，在对数生长期，

溶氧电极的工作原理溶氧电极本质上是一原电池，是一种电解电池。其中阴极是银丝做成的，阳极是铅皮卷成的。这对电极装置在两端开口的细长套管中，在靠近阴极的底端用一种耐热的，只允许溶氧通过而不透过水及离子的聚四氯乙烯膜覆盖，形成一个有一定容积的电池。电池内加入数毫升电解质溶液（5mol/LHAC+0.5mol/LNaAC+0.1mol/LPbAC2).两极之间的电位差，使阳极的Pb氧化成Pb+2进入电解质溶液，同时释放出的电子沿导线流向阴极，把透过半透性膜进入电池的溶氧立即还原成OH－1，因内液中的溶氧浓度为0，所以电极产生的电流强度正比于测量液体中的溶氧浓度。溶氧电极的用法溶氧电极用前要进行标定。上罐前应将溶氧电极放入新配的Na2SO3溶液中，搅拌，此时电流计的指示值为0，定为溶氧值为0%，然后用水冲冼电极，放入罐中，通气搅拌，直到电流响应值达到饱和，定为溶氧值为100%。电极使用后，应在新配的Na2SO3中使电池中的溶氧为0.同于膜的透氧速率受温度、压力的影响，可以做成自动温度补偿式或压力补偿型。一般，溶氧电极能够耐受的灭菌次数为50次。3、物料衡算法若反应器为连续操作，气液两相达到完全混合，且达到稳态，状态参数均不随时间而变，则传氧速率＝耗氧速率，即单位时间内氧的消耗速率应等于同期进出口的氧量之差，即f为进出口气体体积流量，m3/s;P为进出口气体压力，Pa;y为进出口气体中氧气的摩尔分率；T为进出口气体的绝对温度，KR为气体常数，8.314J/(Kmol)VR

为发酵液体积，m3对于小型罐，可用溶氧电极直接测得[DO]，并由气相中氧的分压求得[DO]*，不必考虑静压头对[DO]的影响，当罐体很高时，必须考虑静压头的影响，浓度差应为对数平均值。4葡萄糖氧化法是在有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶的催化作用，通过葡萄糖氧化成葡萄糖酸，测定体积氧传质速率的方法。利用一定浓度的氢氧化钠溶液滴定一定量的反应液至中性，由氢氧化钠的消耗量求得