第六章 生物反应器中的传质过程
第六章 生物反应器中的传质过程
6.1、生物反应体系的流变学特性 6.2、生物反应器中的传递现象 6.3、体积传质系数的测定及其影响因素 6.4、发酵体系中的氧的传递 6.5、溶氧方程与溶氧速率的调节 主 要 内 容
6.1、生物反应体系的流变学特性 6.2、生物反应器中的传递现象 6.3、体积传质系数的测定及其影响因素 6.4、发酵体系中的氧的传递 6.5、溶氧方程与溶氧速率的调节 主 要 内 容
6.1 生物反应体系的流变特性 粘 度 对 不 同 过 程 的 影 响
6.1 生物反应体系的流变特性 粘 度 对 不 同 过 程 的 影 响
反应液的流变学特性：是指液体在外加剪切力 作用下所产生的流变特性，简称流变特性 。 当给定的流体在外加剪切力的作用下，一定产 生相应的剪切速率（即速度梯度或切变率，N/m2 或Pa），两者之间的关系为该流体在给定温度和压 力下的流变特性： 6.1.1 流体的流变学特性 = f ( ) 上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 生物反应醪液多属与时间无关的粘性流体范围（表 6-1）
反应液的流变学特性：是指液体在外加剪切力 作用下所产生的流变特性，简称流变特性 。 当给定的流体在外加剪切力的作用下，一定产 生相应的剪切速率（即速度梯度或切变率，N/m2 或Pa），两者之间的关系为该流体在给定温度和压 力下的流变特性： 6.1.1 流体的流变学特性 = f ( ) 上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 生物反应醪液多属与时间无关的粘性流体范围（表 6-1）
表6-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性 类别 流变性方程 表观粘度a 示 例 牛顿型 假塑型 (幂律) 膨胀型 (幂律) 平汉塑型 凯松塑型 恒定不变 随剪切率的增加而 减少 随剪切率的增加而 增加 气体、水、低分子量液 体,低分子化合物的水溶 液 大多数发酵醪，淀粉悬 浮，纸浆，油漆 玉米粉和糖溶液，淀粉， 流沙等 纸浆，牙膏，油，巧克 力及一些发酵液等 血，蕃茄酱，桔子汁及 一些发酵液等 = = K ,0 n 1 n = K , n 1 n = 0 + Kp 1 2 ' 1 2 0 = + Kp a = −1 = n a K −1 = n a K a = + Kp / 0 0 1 2 2 [( ) ] a = + KP
表6-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性 类别 流变性方程 表观粘度a 示 例 牛顿型 假塑型 (幂律) 膨胀型 (幂律) 平汉塑型 凯松塑型 恒定不变 随剪切率的增加而 减少 随剪切率的增加而 增加 气体、水、低分子量液 体,低分子化合物的水溶 液 大多数发酵醪，淀粉悬 浮，纸浆，油漆 玉米粉和糖溶液，淀粉， 流沙等 纸浆，牙膏，油，巧克 力及一些发酵液等 血，蕃茄酱，桔子汁及 一些发酵液等 = = K ,0 n 1 n = K , n 1 n = 0 + Kp 1 2 ' 1 2 0 = + Kp a = −1 = n a K −1 = n a K a = + Kp / 0 0 1 2 2 [( ) ] a = + KP
有多种经验方程来描述非牛顿流体的流变特 性，其中最简单的形式是指数律方程。 n = K （6-2） 式中：K——稠密度指数，或称指数律系数Pa·s； n——流变性指数，或称指数律的方次。 对于牛顿型流体，n=1，K=。对于非牛顿型 流体，将/定名为表观粘度。给定流体的表观粘 度是剪切速率的函数。表6-1中0为屈服应力Pa， Kp为刚性系数Pa·s，Kp 为凯松粘度(Pa·s)1/2
有多种经验方程来描述非牛顿流体的流变特 性，其中最简单的形式是指数律方程。 n = K （6-2） 式中：K——稠密度指数，或称指数律系数Pa·s； n——流变性指数，或称指数律的方次。 对于牛顿型流体，n=1，K=。对于非牛顿型 流体，将/定名为表观粘度。给定流体的表观粘 度是剪切速率的函数。表6-1中0为屈服应力Pa， Kp为刚性系数Pa·s，Kp 为凯松粘度(Pa·s)1/2
发酵液流变学特性为菌体的大小和形状的不同 所影响。 一些稀薄的细菌发酵液；以水解糖或糖蜜为原 料培养酵母的醪液；为噬菌体侵害的发酵液等均为 牛顿流体。 丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状。丝状菌的菌丝 一般有一个以上的分枝，这些菌丝长约50-500 m， 直径为9～10 m。反应器中，这些菌丝体纠缠在一 起，使悬浮液粘度达数Pas。团状菌丝体是以稳定 的球状积聚在一起而生长，其直径可达几mm。无 论是丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。 6.1.2 发酵液的流变学特性
发酵液流变学特性为菌体的大小和形状的不同 所影响。 一些稀薄的细菌发酵液；以水解糖或糖蜜为原 料培养酵母的醪液；为噬菌体侵害的发酵液等均为 牛顿流体。 丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状。丝状菌的菌丝 一般有一个以上的分枝，这些菌丝长约50-500 m， 直径为9～10 m。反应器中，这些菌丝体纠缠在一 起，使悬浮液粘度达数Pas。团状菌丝体是以稳定 的球状积聚在一起而生长，其直径可达几mm。无 论是丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。 6.1.2 发酵液的流变学特性
表6-2 发酵液的流变特性 产物 微生物 发酵液流变特性 制霉菌素 青霉素 青霉素 青霉素 链霉素 新生霉素 卡那霉素 曲古霉素 曲古霉素 非洛霉素 诺尔斯氏链霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 灰色链霉菌 雪白链霉菌 卡那霉素菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 牛顿性流体 假塑性流体 塑性流体 胀塑性流体 塑性流体 塑性流体 假塑性流体 塑性流体 假塑性流体 假塑性流体
表6-2 发酵液的流变特性 产物 微生物 发酵液流变特性 制霉菌素 青霉素 青霉素 青霉素 链霉素 新生霉素 卡那霉素 曲古霉素 曲古霉素 非洛霉素 诺尔斯氏链霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 灰色链霉菌 雪白链霉菌 卡那霉素菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 牛顿性流体 假塑性流体 塑性流体 胀塑性流体 塑性流体 塑性流体 假塑性流体 塑性流体 假塑性流体 假塑性流体
丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显随剪切 速率的不同而变化。同一反应器中，离搅拌器远近位置的 不同，流动特性明显不同。 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流体等非 牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性还随时间而变化。 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除依赖菌 体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、颗粒的变形度、 表面特性等因素影响。霉菌或放线菌等的发酵中，发酵液 的流动特性常出现大幅度变化。 丝状菌发酵中，菌体相互间易形成网状结构，在一定 的剪切速率下，团状结构的菌团可被打碎成小片，虽然这 些小碎片可再聚集起来，但在高剪切速率下，絮集起来的 菌团又将被打碎，使发酵液呈牛顿型流体特性。 总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热 量的传递、混合特性及菌体生长等产生影响
丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显随剪切 速率的不同而变化。同一反应器中，离搅拌器远近位置的 不同，流动特性明显不同。 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流体等非 牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性还随时间而变化。 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除依赖菌 体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、颗粒的变形度、 表面特性等因素影响。霉菌或放线菌等的发酵中，发酵液 的流动特性常出现大幅度变化。 丝状菌发酵中，菌体相互间易形成网状结构，在一定 的剪切速率下，团状结构的菌团可被打碎成小片，虽然这 些小碎片可再聚集起来，但在高剪切速率下，絮集起来的 菌团又将被打碎，使发酵液呈牛顿型流体特性。 总之，流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热 量的传递、混合特性及菌体生长等产生影响
6.2 生物反应器中的传递过程 生物工业中的不同生产工段，都包含有物质传 递过程。根据Weisz的观点：“西勒准数为1，且无 任何扩散限制时，细胞和其它成分的生物催化反应 以最大反应速率而进行。但事实上达不到。 反应系统中，反应物从反应液主体到生物催化 剂表面的传递过程对生物反应过程影响很大，特别 是基质的传质速率低于生物催化剂的反应速率时， 生物催化剂的催化效率将受到基质传递速率的限制。 因而，在一些发酵过程，如SCP和多糖发酵中，产 物的生成速率可通过提高限制性基质的传递速率来 加以改善
6.2 生物反应器中的传递过程 生物工业中的不同生产工段，都包含有物质传 递过程。根据Weisz的观点：“西勒准数为1，且无 任何扩散限制时，细胞和其它成分的生物催化反应 以最大反应速率而进行。但事实上达不到。 反应系统中，反应物从反应液主体到生物催化 剂表面的传递过程对生物反应过程影响很大，特别 是基质的传质速率低于生物催化剂的反应速率时， 生物催化剂的催化效率将受到基质传递速率的限制。 因而，在一些发酵过程，如SCP和多糖发酵中，产 物的生成速率可通过提高限制性基质的传递速率来 加以改善