氣液質量傳遞課件

第七章氣液質量傳遞第七章1◆微生物反應體系中氣液傳質舉例

需氧培養(yǎng)中的氧傳遞以氣態(tài)烴為碳源的微生物的培養(yǎng)光合微生物培養(yǎng)中O2和CO2的傳遞氫利用菌中H2、O2、CO2的傳遞固氮微生物對N2的利用

在好氣性微生物反應中，傳質的關鍵性問題是氧的傳遞?！粑⑸锓磻w系中氣液傳質舉例在好氣性微生物反應中，2第一節(jié)氧的溶解和微生物的耗氧第一節(jié)氧的溶解和微生物的耗氧3一、氧在液體中的溶解1、溶解氧（DO;DissolvedOxygen)

作為環(huán)境因素對微生物反應有直接影響；

被好氧性微生物吸收消耗，并直接參與生長代謝過程，可視為一種營養(yǎng)性底物。一、氧在液體中的溶解1、溶解氧（DO;Dissolved4◆

難溶：25°C、一個大氣壓，空氣中的O2在純水中的溶解度僅0.25mol/m3。發(fā)酵液中含有各種成分，其溶解度更低。◆

對于菌體濃度為1015個/m3的發(fā)酵液，假定每個菌體的體積為10-16m3，細胞的呼吸強度為2.6×10-3molO2/(kgs)，菌體密度為1000kg/m3，含水量80%，則每立方米培養(yǎng)液的需氧量為：

10-16×1015×1000×0.2×2.6×10-3=0.052molO2/(m3·s)◆

0.25÷0.052=4.8(s)培養(yǎng)液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必須連續(xù)通氣?！綦y溶：25°C、一個大氣壓，空氣中的O2在純水中的5氧的飽和濃度單位：mmolO2/L,mgO2/L,ppm或大氣壓

氣體和溶液接觸一定時間后，氣體分子在氣-液二相中的濃度，就會達到動態(tài)平衡，此時溶解到溶液中的氣體分子數(shù)等于逸出溶液的氣體分子數(shù)。若外界條件不變，氣體在溶液中的濃度就不再隨時間而變化，此濃度為飽和濃度或平衡濃度2、飽和濃度氧的飽和濃度單位：mmolO2/L,mgO2/L,p63、影響飽和濃度值的因素1）溫度

隨著溫度升高，氣體分子運動加快，使飽和濃度下降。

在1個大氣壓及不同溫度下純氧在水中的溶解度（mmol/L)溫度（oC）溶解度02.18101.70151.54201.38251.26301.16351.09401.033、影響飽和濃度值的因素1）溫度在1個7當純水與一個大氣壓的空氣相平衡時，溫度對氧飽和濃度的影響也可用下列經驗公式來計算（適用濃度為4～33oC)C*=14.68/(31.6+t)C*---與1個大氣壓空氣相平衡的水中氧的飽和濃度，mol/m3t---溶液的溫度，oC當純水與一個大氣壓的空氣相平衡時，溫度對氧飽和濃度的82）溶液的性質溶質種類：氣體在不同性質的溶液中的溶解度是不同的。溶質濃度：通常濃度越高，溶解度越低溶液濃度mol/L鹽酸硫酸氯化鈉01.261.261.260.51.211.211.071.01.161.120.892.01.121.020.71在25℃、一個大氣壓下純氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)發(fā)酵液中的[DO]比純水中的[DO]要小2）溶液的性質溶質種類：氣體在不同性質的溶液中的溶解度是不9

在系統(tǒng)總分壓小于5個大氣壓的情況下，氧的溶解度與總壓和其他氣體的分壓無關，只與氧分壓成直線相關，可用Henry定律表示：

C*=PO2/H3）氧分壓C*—與氣相PO2達平衡時溶液中的氧濃度，mmolO2/LPO2—氧分壓，PaH—Henry常數(shù)（與溶液性質、溫度等有關），Pa·L/mmolO2氣相中氧濃度增加，溶液中溶氧濃度亦隨之增加，必要時可向發(fā)酵液中通入純氧以提高溶氧。在系統(tǒng)總分壓小于5個大氣壓的情況下，氧的溶解度與總壓和10二、微生物的攝氧率攝氧率（OUR;OxygenUtilizationRatio)

------單位時間內單位體積培養(yǎng)液中微生物攝取氧的量。記作rO2(mmol/L·h)rO2因微生物種類、代謝途徑、菌體濃度、溫度、培養(yǎng)液成分及濃度的不同而異。rO2值的范圍一般在25～100mmol/L·h二、微生物的攝氧率攝氧率（OUR;OxygenUtili11比耗氧速率-----相對于單位質量的干菌體在單位時間內所消耗的氧量。也稱呼吸強度；用QO2表示(mmolO2/g·h)

因菌種和反應條件而異，一般在1.5～15mmol/g·h比耗氧速率-----相對于單位質量的干菌體在單位時間內所消耗12

在分批培養(yǎng)中，rO2和X隨時間而變化，QO2也隨時間變化。在對數(shù)生長期的后期，rO2達到最大值rO2max。由rO2max和穩(wěn)態(tài)下的Xst可求得QO2max。

在恒化器連續(xù)培養(yǎng)的定常態(tài)下，rO2可表示為：

rO2=QO2·X◆

由于QO2是的函數(shù)，而是底物（如O2)的函數(shù)，因此微生物的QO2與培養(yǎng)液中的[DO]的函數(shù)關系可表示為QO2=QO2max·[DO]/(Ko+[DO])

在分批培養(yǎng)中，rO2和X隨時間而變化，QO2也隨時間變13QO2隨[DO]的增加而升高；當[DO]增加到一定值時，QO2不再增加QO2隨[DO]的增加而升高；當[DO]增加14臨界溶氧濃度

-----當不存在其他限制性基質時，如果溶氧濃度高于某定值，細胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧濃度低于該值，細胞的比耗氧速率就會大大下降；則該值即為臨界溶氧濃度。[DO]cri◆在好氧微生物反應中，一般取[DO]＞[DO]cri以保證反應的正常進行?！?/p>

微生物的臨界氧濃度大約是飽和濃度的1%～25%臨界溶氧濃度◆在好氧微生物反應中，一般取[DO]＞[15微生物臨界氧濃度溫度（℃）固氮菌1.8-4.9×10-230大腸桿菌8.2×10-337粘質沙雷氏菌1.5×10-231假單胞菌9×10-330酵母4.6×10-334.5產黃青霉2.2×10-224米曲霉2.0×10-330一些微生物的呼吸臨界氧濃度微生物臨界氧濃度16三、影響微生物需氧量的因素1、微生物種類種類不同，其生理特性不同，代謝活動中的需氧量也不同2、培養(yǎng)基的組成與濃度培養(yǎng)基的組成對菌種的需氧量有顯著的影響，碳源的種類和濃度影響尤為顯著。一般而說，碳源濃度在一定范圍內，需氧量隨碳源濃度的增加而增加。3、菌齡

不同菌種需氧量情況各異；同一菌種不同菌齡，其需氧程度也不同；一般菌齡低者，呼吸強度高。例如；菌齡為24小時的產黃青霉呼吸強度最高4、培養(yǎng)條件

pH、溫度等

一般溫度愈高，營養(yǎng)越豐富，臨界值也相應越高5、有毒產物的形成及積累CO2是菌體代謝產生的氣態(tài)終產物，它的生成與菌體的呼吸作用密切相關。CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因而發(fā)酵過程中不及時將培養(yǎng)液中的CO2排出，勢必影響菌的呼吸，進而影響菌的代謝。三、影響微生物需氧量的因素1、微生物種類種類不同，其生理特性17第七章氣液質量傳遞課件18第二節(jié)培養(yǎng)液中氧的傳遞第二節(jié)19◆

在好氧發(fā)酵中，對微生物的供氧過程，首先是氣相中的氧溶解在發(fā)酵液中，然后傳遞到細胞內的呼吸酶位置上而被利用。◆

這是一系列的傳遞過程，這些傳遞過程又可分為供氧及耗氧兩個方面。一、氧傳遞的阻力◆在好氧發(fā)酵中，對微生物的供氧過程，首先是氣相中的氧溶20氧傳遞的各種阻力示意圖供氧阻力耗氧阻力氧傳遞的各種阻力示意圖供氧阻力耗氧阻力21氧傳遞過程中各項阻力的示意圖氧傳遞過程中各項阻力的示意圖22供氧方面

包括通過氣膜、氣-液界面、液膜及液體主流的擴散耗氧方面

包括氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜及細胞內的擴散。氧傳遞可分供氧和耗氧兩個方面：氧分子在一系列的擴散中，各步均有一推動力（氧的分壓或濃度差）來克服各自的阻力。供氧方面耗氧方面氧傳遞可分供氧和耗氧兩個方面：231、供氧方面的阻力1）氣膜阻力（1/k1;1/KG）：為氣體主流及氣-液界面的氣膜阻力，與空氣情況有關。2）氣液界面阻力（1/k2；1/KI）：與空氣情況有關，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。3）液膜阻力（1/k3;1/KL）：為從氣-液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關。4）液流阻力（1/k4;1/KLB）：液體主流中傳遞的阻力；也與發(fā)酵液的成分和濃度有關。1、供氧方面的阻力1）氣膜阻力（1/k1;1/KG）：242、耗氧方面的阻力1）細胞周圍液膜阻力（1/k5;1/KLC）

與發(fā)酵液的成分和濃度有關。2）菌絲叢或團內的擴散阻力（1/k6;1/KA）與微生物的種類、生理特性狀態(tài)有關，單細胞的細菌和酵母菌不存在這種阻力；對于菌絲，這種阻力最為突出。3）細胞膜的阻力（1/k7;1/KW）：

與微生物的生理特性有關。4）細胞內反應阻力（1/k8;1/KR）氧分子與細胞內呼吸酶系反應時的阻力；與微生物的種類、生理特性有關。2、耗氧方面的阻力1）細胞周圍液膜阻力（1/k5;1/K251/k1、1/k2與空氣情況有關1/k3、1/k4、1/k5與發(fā)酵液成分、濃度有關1/k6、1/k7、1/k8與微生物的種類、特性、生理狀態(tài)有關氧在傳遞過程中，需損失推動力以克服上述阻力，過程中需克服的總阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：R=1/k1+1/k2+1/k3+----+1/k81/Kt=1/KG+1/KI+1/KL+1/KLB+1/KLC+1/KIS

+1/KA+1/KW+1/KR1/k1、1/k2與空氣情況有關氧在傳遞過程中，需損失推動26

供氧方面

由于氧很難溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/k3

;1/KL）是氧溶于水時的限制因素。

良好的攪拌使氣泡和液體充分混合而產生湍流，可減少1/k3、1/k4，加速氧的傳遞。供氧方面27耗氧方面

實驗和計算證實，細胞壁上與液體主流中氧的濃度差很小，即1/k5很?。欢z叢（或菌絲團）的阻力（1/k6）對菌絲體的攝氧能力影響顯著。

在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。

在攪拌和合理的工藝條件下，結團現(xiàn)象減少，因而能降低1/k6。

1/k8與微生物生長及代謝的條件有關，若生長條件合適，代謝產物能及時移去，則1/k8就會減少，否則就會增大。耗氧方面28

當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等，這時通過單位體積的傳遞速率為：nO2==推動力阻力Pi1/KinO2—氧的傳遞通量(傳遞速率)，mol/(m3·s)Pi—各階段的推動力（分壓差），Pa1/Ki—各階段的傳遞阻力，N·s/molnO2====……=

C

C

1

C2

C

8

K1/k11/k21/k8當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率29二、氣液相間的氧傳遞和氧傳質方程式氧傳遞的主要阻力存在于氣膜和液膜中二、氣液相間的氧傳遞和氧傳質方程式氧傳遞的主要阻力存在于氣膜30氣液界面附近的氧分壓或溶解氧濃度變化氣液界面附近的氧分壓或溶解氧濃度變化31當氣液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的傳遞速率相等，即：nO2====p－pI1/KGp－p*1/KGCI－CL1/KLC*－CL1/KLp—氣體主體氧分壓，Pa;pI—氣液界面氧分壓，PaCI—氣液界面氧濃度，mol/m3;CL—液相主體氧濃度，mol/m3

p*—與CL平衡的氣相氧分壓，Pa;C*—與p平衡的液相氧濃度，mol/m3

KG—以氧分壓為推動力的總傳遞系數(shù),mol/(m2·s·Pa)KL—以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)，m/s當氣液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的傳遞速率相等，即：32在穩(wěn)定情況下，氧分子從氣體主體擴散到液體主體的傳遞速率可表示為：OTR=KLa(C*－CL)

OTR—單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率，mol/(m3·s)a—比表面積，m2/m3

KL—以氧濃度為推動力的傳遞系數(shù)，m/s在穩(wěn)定情況下，氧分子從氣體主體擴散到液體主體的傳遞速率可表示33G/=KLa·V·(C*-CL)G---溶解于液體中的氧量，mmol---氣-液接觸時間，hV---培養(yǎng)液的體積，LCL

---液相中氧的濃度，mmol/LC*---與氣相中氧分壓相平衡的液相中的氧飽和濃度，mmol/LKL---以濃度差表示推動力的傳質系數(shù)（氧傳質系數(shù)），m/ha---比表面積（即單位體積的液體中所含的氣-液接觸面積），m2/m3

G/=KLa·V·(C*-CL)G-34氧傳質方程：G/=KLa·V·(C*-CL)OTR=KLa(C*－CL)氧傳質方程：G/=KLa·V·(C*-35由于“a”不易測得，因此常將KLa作為一項來處理，稱為體積氧傳遞系數(shù)或供氧系數(shù)，單位為h-1微生物對氧的需求速率，也即使氧不成為發(fā)酵的限制因素而必須滿足的供氧速率：G/=QO2·X·V=r·VOTR=rQO2----微生物的呼吸強度，mmolO2/g(干菌體)·hX----菌體濃度，g/LV---培養(yǎng)液體積，L

r---培養(yǎng)物的攝氧率，mmolO2/L·h由于“a”不易測得，因此常將KLa作為一項來處理，稱為體積36

在發(fā)酵過程中，當溶氧濃度不變時，氧溶于液相的速率等于微生物對溶氧的需求速率，則：KLa(C*-CL)=QO2·X=rKLa=rC*-CL在發(fā)酵過程中，當溶氧濃度不變時，氧溶于液相的速率等于微37◆

若供氧速率大于需氧速率，即KLa(C*-CL)＞r，此時發(fā)酵液中溶解氧濃度CL會不斷增加，趨近于C*?！?/p>

若需氧速率大于供氧速率，則CL

逐漸下降而趨向于零（盡管此時通氣和攪拌可能仍在進行）◆若供氧速率大于需氧速率，即KLa(C*-CL)38

由上式可看出，當微生物的攝氧率不變時（假定C*在一定條件下也不變），KLa越大，發(fā)酵液中溶解氧濃度CL也越大；所以可用KLa的大小來衡量發(fā)酵設備的通氣效率。KLa=rC*-CL由上式可看出，當微生物的攝氧率不變時（假定C*在一39◆實驗室用的搖瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其KLa值約為1～100h-1；◆帶攪拌的發(fā)酵罐，其KLa值約為200～1000h-1?！魧嶒炇矣玫膿u瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其KLa值約為1～140第七章氣液質量傳遞課件41第三節(jié)發(fā)酵液的流變特性第三節(jié)發(fā)酵液的流變特性42◆

微生物發(fā)酵液是由三個體系組成的，即液相、固相和氣相液相中有可溶性的營養(yǎng)物、可溶性鹽類和微生物代謝產物；固相包括單個菌絲體或菌絲團（菌絲叢）、不溶性營養(yǎng)物和某些特殊的微生物代謝物；氣相包括通入的無菌空氣（包括未溶解的氧）、微生物代謝產生的CO2等氣體、某些低分子量易揮發(fā)的物質等◆

由于微生物的代謝作用，發(fā)酵液中各種物質的組成不斷變化，表現(xiàn)為發(fā)酵液的理化性質的不斷變化，如固形物質的含量、發(fā)酵液的黏度、表面張力、離子強度等。這些變化對三相體系之間的混合、氧的溶解速度、營養(yǎng)物質的轉移等均產生影響。◆微生物發(fā)酵液是由三個體系組成的，即液相、固相和氣相43一、流體類型一、流體類型44在切向力作用下平行板內液體速度分布在兩塊相互靠近的平行板之間充滿液體，下板固定不動，給上板施加一作用力F，使上板以一定的速度運動。其中與上板接觸的流體層以與上板相同的速度一起運動，與下板接觸的流體則保持靜止，中間各層因流體的內摩擦產生速度不等的平行運動，在流體層中產生速度梯度。在切向力作用下平行板內液體速度分布在兩塊相互靠近的平45剪應力(shearstress)

——單位流體面積上的切向力；F/A當剪應力與速度梯度成正比時，可用牛頓黏性定律來表示：—剪應力，N/m2或Pad/dx=—速度梯度或切變率(shearrate)，s－1—液體黏度，(kg·s)/m2=（d/dx）==/剪應力(shearstress)當剪應力與速度梯度成正46牛頓型與非牛頓型流體剪應力與切變率的關系1-牛頓型流體2-平漢塑性流體3-擬塑性流體4-漲塑性流體5-凱松流體牛頓型與非牛頓型流體剪應力與切變率的關系1-牛頓型流體47第七章氣液質量傳遞課件48牛頓型流體非牛頓型流體平漢塑性流體擬塑性流體漲塑性流體凱松流體牛頓型流體平漢塑性流體49一）牛頓型(Newtonian)流體

1）服從牛頓黏性定律；2）剪應力與剪切速率之間呈直線關系；直線的斜率即為黏度

；3）黏度只是溫度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關，因此是一常數(shù)。也即意味著發(fā)酵罐中攪拌轉速的快慢對黏度沒有影響，且在發(fā)酵罐的全培養(yǎng)液中的任何局部的黏度相同。一）牛頓型(Newtonian)流體50第七章氣液質量傳遞課件51二）非牛頓型流體1）不服從牛頓黏性定律2）其黏度不是常數(shù)，它不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動狀態(tài)而異，因此沒有固定的黏度值。平漢塑性流體擬塑性流體漲塑性流體凱松流體3）根據(jù)剪應力與切變率間的關系，分為：二）非牛頓型流體平漢塑性流體3）根據(jù)剪應力與切變率間的關系521、擬塑性（pseudoplastic）流體

◆主要特征是黏度隨著剪應速率的增高而降低。

◆流體的剪應力與剪切速率間不呈直線關系，而呈凸形曲線關系，表明剪切速率的增加，剪應力的增加隨之減小，即增加流速會降低流體的粘性阻力。K—均勻度常數(shù)（稠度系數(shù)），Pa·s

n

—流態(tài)指數(shù)流態(tài)指數(shù)n表示非牛頓流體性質的顯著程度，n

=1為牛頓型流體；n值偏離1愈遠，非牛頓型流體性質愈顯著。=K

n◆其流變特性可表示為：0＜n＜11、擬塑性（pseudoplastic）流體◆主要特征是53◆

擬塑性流體，在不同攪拌轉速下，所顯示出的黏度不同；在同一攪拌轉速下，培養(yǎng)液中的剪應速率隨著離開攪拌渦輪的徑向距離，按指數(shù)倍數(shù)降低，故離開渦輪的徑向距離越遠，黏度越高。

◆許多高分子化合物如黃原膠、聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素等的水溶液，許多絲狀菌如青霉、曲霉、鏈霉菌等的培養(yǎng)液都表現(xiàn)出擬塑性?！魯M塑性流體，在不同攪拌轉速下，所顯示出的黏度不同；在同542、漲塑性（dilatant）流體◆主要特征是黏度隨著剪應速率的增加而增高。

◆流體的剪應力與剪切速率間不呈直線關系，而呈凹形曲線關系，表明剪切速率的增加，剪應力也隨之增加，流體的流動阻力隨之加大。=K

n◆其流變特性可表示為：n＞1值越大，非牛頓特性就越顯著。鏈霉素、四環(huán)素、慶大霉素的前期發(fā)酵液，很稀的酵母懸浮液呈漲塑性。2、漲塑性（dilatant）流體◆主要特征是黏度隨著553、平漢（bingham）塑性流體◆主要特征是當剪應力小于屈服應力時，液體不發(fā)生流動，只有當剪應力超過屈服應力時才發(fā)生流動?！羲牧鲬B(tài)曲線也呈直線，但不通過原點。=0+0

—屈服應力(在縱軸上的截距)，Pa—剛性系數(shù)，Pa·s◆其流變特性可用下式表示:黑曲霉、產黃青霉、灰色鏈霉菌等絲狀菌的發(fā)酵液呈平漢塑性。3、平漢（bingham）塑性流體◆主要特征是當剪應力小564、凱松(Casson)流體◆其流變特性可表示為：1/2=C1/2+KC1/2C1/2—屈服應力，PaKC

—凱松黏度,Pa1/2·s1/2有研究表明青霉素發(fā)酵液為凱松流體◆剪應力與剪切速率的關系表現(xiàn)為一不通過原點的曲線。4、凱松(Casson)流體◆其流變特性可表示為：1/57非牛頓流體沒有確定的黏度值，通常把一定切變率下剪應力與此切變率之比稱為表觀黏度(a)

。a=/平漢塑性流體、擬塑性流體和凱松流體的表觀黏度隨切變率的增大而減??；漲塑性流體的表觀黏度則隨切變率的增大而增大。非牛頓流體沒有確定的黏度值，通常把一定切變率下剪應力與此切變58發(fā)酵罐中的非牛頓流體的平均切變率與攪拌轉速成正比：=

N—平均切變率，s－1N—攪拌器轉速，s－1—無因次常數(shù)◆

對于不同的非牛頓流體，采用不同型式和大小的攪拌器，常數(shù)值在10-13之間；◆

對于兩層的渦輪漿式攪拌器可取11.5。發(fā)酵罐中的非牛頓流體的平均切變率與攪拌轉速成正比：=59

產生菌產物流變學性質產黃青霉青霉素擬塑性盾殼霉甾類羥化平漢塑性諾爾斯氏鏈霉菌制霉菌素牛頓型雪白鏈霉菌新生霉素平漢塑性灰色鏈霉菌鏈霉素平漢塑性內孢霉葡萄糖糖化酶平漢塑性部分絲狀菌發(fā)酵液的流變學性質二、發(fā)酵液的流變學不同的發(fā)酵液可呈不同的流體類型產生菌60發(fā)酵液，特別是含有固形物數(shù)量較多的發(fā)酵液，往往表現(xiàn)為非牛頓流體特性。一般每升含有20克或更多的菌體和固形物的培養(yǎng)液，均呈現(xiàn)非牛頓型流體中的平漢塑性流體性質。放線菌搖瓶發(fā)酵菌絲球霉菌、放線菌的菌絲體在發(fā)酵中雖不呈典型的顆粒狀，但錯綜復雜交織的網(wǎng)狀菌絲叢和松散結構的菌絲球狀體可看作是固形物。發(fā)酵液，特別是含有固形物數(shù)量較多的發(fā)酵液，往往表現(xiàn)61

在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液流動模型參數(shù)會隨著細胞濃度、形態(tài)的變化，培養(yǎng)基物質的消耗，代謝產物的積累以及補料等發(fā)生明顯的變化，表現(xiàn)出時變性。發(fā)酵液的流變類型也可發(fā)生變化。如有人測得：鏈霉素發(fā)酵在24小時為塑性流體，發(fā)酵液黏度達90Pa·s；在48小時和96小時為牛頓性流體，其黏度為18Pa·s和38Pa·s。在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液流動模型參數(shù)會隨著細胞濃度、形態(tài)62第七章氣液質量傳遞課件63第四節(jié)影響供氧的因素第四節(jié)影響供氧的因素64據(jù)氧傳質方程OTR=KL·

a·(C*-CL)

或G/=KLa·V·(C*-CL)

影響供氧的主要因素是推動力(C*-CL)和體積氧傳遞系數(shù)KLa。據(jù)氧傳質方程65一、影響氧傳遞推動力的因素要提高推動力，只能設法提高C*或減少CL1、提高氧飽和濃度（C*）要提高C*，可降低培養(yǎng)溫度、提高氧分壓和降低培養(yǎng)基濃度等。但這幾方面局限性都很大2、降低溶氧濃度（CL）

降低CL可通過減少空氣流量等方法來達到，但溶氧濃度不能低于臨解氧濃度。另外，減少空氣流量本身會使KLa下降。一、影響氧傳遞推動力的因素要提高推動力，只能設法提高C*或66二、影響體積吸收系數(shù)KLa的因素1、攪拌作用：1）把從空氣管中引入發(fā)酵罐的空氣打成碎泡，增加氣-液接觸面積“a”,亦即增加氧的傳遞面積。2）使液體形成渦流，從而延長氣泡在液體中的停留時間。3）增加液體的湍流程度，降低氣泡周圍的液膜阻力和液體主流中的流體阻力，從而增大KLa值。4)減少菌絲結團現(xiàn)象，降低細胞壁表面的液膜阻力，改變細胞對氧和營養(yǎng)物質的吸收，同時降低細胞周圍“廢物”和“廢氣”的濃度，有利于微生物的代謝。二、影響體積吸收系數(shù)KLa的因素1、攪拌作用：1）把從空氣管67幾種微生物在不同攪拌轉速下發(fā)酵時的KLa、r和C*值

微生物

攪拌器轉速空氣流速KLar

C*r/minL/L·min1/hmg/L·hmg/LPs.ovalis3001.0952885.95001.01533605.97001.02164325.9啤酒酵母3001.0905766.75001.01697206.77001.02198646.7幾種微生物在不同攪拌轉速下發(fā)酵時的KLa、r和C*值微68

從上表可見，攪拌轉速對KLa的影響很大，對微生物的攝氧率也有影響，但對C*無影響。

但過高的攪拌速度不但浪費動力，還會損傷菌體，引起菌體自溶及減產等。從上表可見，攪拌轉速對KLa的影響很大，對微生物的攝69攪拌與通氣效率之間的關系可用經驗式表示：KLa=K[(P/V)(Vs)(app)-]K---經驗常數(shù)，與設備的形狀、幾何比例尺寸、通風裝置的型式等有關P/V---單位體積液體實際消耗的功率（指通氣情況下的功率），KW/m3Vs---空氣直線速率，m/happ---液體的表觀黏度，Pa·S、、為指數(shù)，與攪拌器和空氣分布器的型式等有關，一般通過實驗測得攪拌與通氣效率之間的關系可用經驗式表示：KLa=K[(P702、空氣流速KLa=K[(P/V)(Vs)(app)-

從上式可見，KLa隨空氣速度的增加而增大。Vs為氣流的直線速度；其指數(shù)約為0.4～0.72，隨攪拌器型式而異。2、空氣流速KLa=K[(P/V)(Vs)(app71◆

若空氣速度過大，將使葉輪發(fā)生“過載”，即葉輪不能分散空氣，此時氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出。當空氣速度超過“過載”速度后，KLa并不隨之而增加。◆

一般來說，用一組攪拌器時，過載空氣流速為90m/h；用二組攪拌器時則可增加到150m/h?！羧艨諝馑俣冗^大，將使葉輪發(fā)生“過載”，即葉輪不能分散空723、培養(yǎng)液的物理性質◆在發(fā)酵過程中，菌本身的繁殖及其代謝可引起發(fā)酵液物理性質的不斷變化，如改變培養(yǎng)液的表面張力、黏度和離子濃度等；而這些變化會影響氣體的溶解度、發(fā)酵液中氣泡的直徑和穩(wěn)定性及其合并為大氣泡的速度等。發(fā)酵液的性質還影響液體的湍動以及界面或液膜的阻力，因而顯著地影響氧的傳遞效率。◆發(fā)酵過程中添加糖、花生餅粉等營養(yǎng)物質、前體或無菌水、消泡劑等均可改變培養(yǎng)液的理化性質；在生產上也可利用這些手段來改善發(fā)酵液的物理性質。3、培養(yǎng)液的物理性質◆在發(fā)酵過程中，菌本身的繁殖及其代謝可734、空氣分布器和發(fā)酵液高度對通氣效率的影響

生產實踐證明，多孔環(huán)狀鼓泡器的效果并不比單孔鼓泡器好。且多孔鼓泡器易堵。高位發(fā)酵罐增加發(fā)酵罐的高度(D:H=1:7)；增加了氣-液接觸時間，提高了氧的利用率。4、空氣分布器和發(fā)酵液高度對通氣效率的影響生產實踐證明745、其它因素

影響發(fā)酵罐溶氧的主要因素是：單位體積液體的攪拌功率P/V，攪拌轉數(shù)和空氣的截面流速。另有些因素也在一定程度上影響溶氧5、其它因素影響發(fā)酵罐溶氧的主要因素是：單位體積液體751）攪拌器組數(shù)和間距對溶氧的影響

據(jù)徑高比和發(fā)酵液的特性決定

一般來說，當H/D=2.5時，用多組攪拌器可提高溶氧系數(shù)10%，當H/D=4并采用較大的空氣流速和較大的功率時，多組攪拌器可提高溶氧系數(shù)25%。

若攪拌器之間相互位置不恰當，則流型和空氣分布情況將發(fā)生變化，就會引起溶氧系數(shù)的大幅度降低。1）攪拌器組數(shù)和間距對溶氧的影響

據(jù)徑高比和發(fā)酵液的特性決762）功率、轉速、風量之間的關系對溶氧的影響

增加攪拌功率、攪拌轉速和風量，對一定的設備而言都會增加溶氧。

但三者之間存在著相互關系，增加風量雖然能增加溶氧，但在轉數(shù)不變的情況下會降低攪拌功率，溶氧又會隨之降低。2）功率、轉速、風量之間的關系對溶氧的影響

增加攪拌功率773）有機物質和表面活性劑對KLa影響

某些有機物質如蛋白胨，能降低KLa如在水中加入10000ppm的蛋白胨，則KLa值降低到未加時的40%左右。

但某些少量的醇、酮和酯反而會使KLa值提高如將20ppm的這類物質加入水中，能使KLa值增加50～100%。4）壓力的影響3）有機物質和表面活性劑對KLa影響

某些有機物質如蛋78第七章氣液質量傳遞課件79第五節(jié)體積氧傳遞系數(shù)的測定第五節(jié)體積氧傳遞系數(shù)的測定80亞硫酸鹽氧化法使用復膜氧電極進行測量的動態(tài)法在第十章中介紹亞硫酸鹽氧化法使用復膜氧電極進行測量的動態(tài)法在第十章中介紹811）Cu2+作催化劑，溶解在水中O2能立即氧化SO3-2，使之成為SO4-2。（氧分子一經溶入液相，立即就被還原掉）原理：

CUSO42Na2SO3+O2——→2Na2SO42）剩余的Na2SO3與過量的碘作用

H2ONa2SO3+I2—→Na2SO4

+2HI3）再用標定的Na2S2O3滴定剩余的碘2Na2S2O3+I2—→Na2S4O6+2NaI1）Cu2+作催化劑，溶解在水中O2能立即氧化SO3-2，使82操作程序：◆將一定溫度的自來水加入試驗罐內，開始攪拌，加入亞硫酸鈉晶體，使SO3-2濃度約0.5mol/L左右；再加入硫酸銅晶體，使Cu2+濃度約為10-3mol/L，待完全溶解；通空氣，一開始就接近預定的流量，盡快調至所需的空氣流量；穩(wěn)定后立即計時，為氧化作用開始；氧化時間連續(xù)4～10min，到時停止通氣和攪拌，準確記錄氧化時間?！粼囼炃昂蟾饔梦苋?～100ml樣液，立即移入新吸入的過量的標準碘液中；然后用標準的硫代硫酸鈉溶液，以淀粉為指示劑滴定至終點。操作程序：◆將一定溫度的自來水加入試驗罐內，開始攪拌，加83計算：

設

V---兩次滴定所用Na2S2O3毫升數(shù)的差數(shù)N---Na2S2O3的濃度，常用0.100mol/Lm---樣品的體積，mlt---兩次取樣的間隔時間，minP---罐內絕對壓強，atm若操作時罐壓P=1atm，則體積溶氧系數(shù)KLa=V·N·60/m·t·4·C*在25℃,1atm下,C*=0.21(mmolO2/L)計算：設V---兩次滴定所84dissolvedoxygensensorYSIdissolvedoxygensensordissolvedoxygensensorYSIdis85第七章氣液質量傳遞第七章86◆微生物反應體系中氣液傳質舉例

需氧培養(yǎng)中的氧傳遞以氣態(tài)烴為碳源的微生物的培養(yǎng)光合微生物培養(yǎng)中O2和CO2的傳遞氫利用菌中H2、O2、CO2的傳遞固氮微生物對N2的利用

在好氣性微生物反應中，傳質的關鍵性問題是氧的傳遞?！粑⑸锓磻w系中氣液傳質舉例在好氣性微生物反應中，87第一節(jié)氧的溶解和微生物的耗氧第一節(jié)氧的溶解和微生物的耗氧88一、氧在液體中的溶解1、溶解氧（DO;DissolvedOxygen)

作為環(huán)境因素對微生物反應有直接影響；

被好氧性微生物吸收消耗，并直接參與生長代謝過程，可視為一種營養(yǎng)性底物。一、氧在液體中的溶解1、溶解氧（DO;Dissolved89◆

難溶：25°C、一個大氣壓，空氣中的O2在純水中的溶解度僅0.25mol/m3。發(fā)酵液中含有各種成分，其溶解度更低?！?/p>

對于菌體濃度為1015個/m3的發(fā)酵液，假定每個菌體的體積為10-16m3，細胞的呼吸強度為2.6×10-3molO2/(kgs)，菌體密度為1000kg/m3，含水量80%，則每立方米培養(yǎng)液的需氧量為：

10-16×1015×1000×0.2×2.6×10-3=0.052molO2/(m3·s)◆

0.25÷0.052=4.8(s)培養(yǎng)液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必須連續(xù)通氣?！綦y溶：25°C、一個大氣壓，空氣中的O2在純水中的90氧的飽和濃度單位：mmolO2/L,mgO2/L,ppm或大氣壓

氣體和溶液接觸一定時間后，氣體分子在氣-液二相中的濃度，就會達到動態(tài)平衡，此時溶解到溶液中的氣體分子數(shù)等于逸出溶液的氣體分子數(shù)。若外界條件不變，氣體在溶液中的濃度就不再隨時間而變化，此濃度為飽和濃度或平衡濃度2、飽和濃度氧的飽和濃度單位：mmolO2/L,mgO2/L,p913、影響飽和濃度值的因素1）溫度

隨著溫度升高，氣體分子運動加快，使飽和濃度下降。

在1個大氣壓及不同溫度下純氧在水中的溶解度（mmol/L)溫度（oC）溶解度02.18101.70151.54201.38251.26301.16351.09401.033、影響飽和濃度值的因素1）溫度在1個92當純水與一個大氣壓的空氣相平衡時，溫度對氧飽和濃度的影響也可用下列經驗公式來計算（適用濃度為4～33oC)C*=14.68/(31.6+t)C*---與1個大氣壓空氣相平衡的水中氧的飽和濃度，mol/m3t---溶液的溫度，oC當純水與一個大氣壓的空氣相平衡時，溫度對氧飽和濃度的932）溶液的性質溶質種類：氣體在不同性質的溶液中的溶解度是不同的。溶質濃度：通常濃度越高，溶解度越低溶液濃度mol/L鹽酸硫酸氯化鈉01.261.261.260.51.211.211.071.01.161.120.892.01.121.020.71在25℃、一個大氣壓下純氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)發(fā)酵液中的[DO]比純水中的[DO]要小2）溶液的性質溶質種類：氣體在不同性質的溶液中的溶解度是不94

在系統(tǒng)總分壓小于5個大氣壓的情況下，氧的溶解度與總壓和其他氣體的分壓無關，只與氧分壓成直線相關，可用Henry定律表示：

C*=PO2/H3）氧分壓C*—與氣相PO2達平衡時溶液中的氧濃度，mmolO2/LPO2—氧分壓，PaH—Henry常數(shù)（與溶液性質、溫度等有關），Pa·L/mmolO2氣相中氧濃度增加，溶液中溶氧濃度亦隨之增加，必要時可向發(fā)酵液中通入純氧以提高溶氧。在系統(tǒng)總分壓小于5個大氣壓的情況下，氧的溶解度與總壓和95二、微生物的攝氧率攝氧率（OUR;OxygenUtilizationRatio)

------單位時間內單位體積培養(yǎng)液中微生物攝取氧的量。記作rO2(mmol/L·h)rO2因微生物種類、代謝途徑、菌體濃度、溫度、培養(yǎng)液成分及濃度的不同而異。rO2值的范圍一般在25～100mmol/L·h二、微生物的攝氧率攝氧率（OUR;OxygenUtili96比耗氧速率-----相對于單位質量的干菌體在單位時間內所消耗的氧量。也稱呼吸強度；用QO2表示(mmolO2/g·h)

因菌種和反應條件而異，一般在1.5～15mmol/g·h比耗氧速率-----相對于單位質量的干菌體在單位時間內所消耗97

在分批培養(yǎng)中，rO2和X隨時間而變化，QO2也隨時間變化。在對數(shù)生長期的后期，rO2達到最大值rO2max。由rO2max和穩(wěn)態(tài)下的Xst可求得QO2max。

在恒化器連續(xù)培養(yǎng)的定常態(tài)下，rO2可表示為：

rO2=QO2·X◆

由于QO2是的函數(shù)，而是底物（如O2)的函數(shù)，因此微生物的QO2與培養(yǎng)液中的[DO]的函數(shù)關系可表示為QO2=QO2max·[DO]/(Ko+[DO])

在分批培養(yǎng)中，rO2和X隨時間而變化，QO2也隨時間變98QO2隨[DO]的增加而升高；當[DO]增加到一定值時，QO2不再增加QO2隨[DO]的增加而升高；當[DO]增加99臨界溶氧濃度

-----當不存在其他限制性基質時，如果溶氧濃度高于某定值，細胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧濃度低于該值，細胞的比耗氧速率就會大大下降；則該值即為臨界溶氧濃度。[DO]cri◆在好氧微生物反應中，一般取[DO]＞[DO]cri以保證反應的正常進行?！?/p>

微生物的臨界氧濃度大約是飽和濃度的1%～25%臨界溶氧濃度◆在好氧微生物反應中，一般取[DO]＞[100微生物臨界氧濃度溫度（℃）固氮菌1.8-4.9×10-230大腸桿菌8.2×10-337粘質沙雷氏菌1.5×10-231假單胞菌9×10-330酵母4.6×10-334.5產黃青霉2.2×10-224米曲霉2.0×10-330一些微生物的呼吸臨界氧濃度微生物臨界氧濃度101三、影響微生物需氧量的因素1、微生物種類種類不同，其生理特性不同，代謝活動中的需氧量也不同2、培養(yǎng)基的組成與濃度培養(yǎng)基的組成對菌種的需氧量有顯著的影響，碳源的種類和濃度影響尤為顯著。一般而說，碳源濃度在一定范圍內，需氧量隨碳源濃度的增加而增加。3、菌齡

不同菌種需氧量情況各異；同一菌種不同菌齡，其需氧程度也不同；一般菌齡低者，呼吸強度高。例如；菌齡為24小時的產黃青霉呼吸強度最高4、培養(yǎng)條件

pH、溫度等

一般溫度愈高，營養(yǎng)越豐富，臨界值也相應越高5、有毒產物的形成及積累CO2是菌體代謝產生的氣態(tài)終產物，它的生成與菌體的呼吸作用密切相關。CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因而發(fā)酵過程中不及時將培養(yǎng)液中的CO2排出，勢必影響菌的呼吸，進而影響菌的代謝。三、影響微生物需氧量的因素1、微生物種類種類不同，其生理特性102第七章氣液質量傳遞課件103第二節(jié)培養(yǎng)液中氧的傳遞第二節(jié)104◆

在好氧發(fā)酵中，對微生物的供氧過程，首先是氣相中的氧溶解在發(fā)酵液中，然后傳遞到細胞內的呼吸酶位置上而被利用?！?/p>

這是一系列的傳遞過程，這些傳遞過程又可分為供氧及耗氧兩個方面。一、氧傳遞的阻力◆在好氧發(fā)酵中，對微生物的供氧過程，首先是氣相中的氧溶105氧傳遞的各種阻力示意圖供氧阻力耗氧阻力氧傳遞的各種阻力示意圖供氧阻力耗氧阻力106氧傳遞過程中各項阻力的示意圖氧傳遞過程中各項阻力的示意圖107供氧方面

包括通過氣膜、氣-液界面、液膜及液體主流的擴散耗氧方面

包括氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜及細胞內的擴散。氧傳遞可分供氧和耗氧兩個方面：氧分子在一系列的擴散中，各步均有一推動力（氧的分壓或濃度差）來克服各自的阻力。供氧方面耗氧方面氧傳遞可分供氧和耗氧兩個方面：1081、供氧方面的阻力1）氣膜阻力（1/k1;1/KG）：為氣體主流及氣-液界面的氣膜阻力，與空氣情況有關。2）氣液界面阻力（1/k2；1/KI）：與空氣情況有關，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。3）液膜阻力（1/k3;1/KL）：為從氣-液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關。4）液流阻力（1/k4;1/KLB）：液體主流中傳遞的阻力；也與發(fā)酵液的成分和濃度有關。1、供氧方面的阻力1）氣膜阻力（1/k1;1/KG）：1092、耗氧方面的阻力1）細胞周圍液膜阻力（1/k5;1/KLC）

與發(fā)酵液的成分和濃度有關。2）菌絲叢或團內的擴散阻力（1/k6;1/KA）與微生物的種類、生理特性狀態(tài)有關，單細胞的細菌和酵母菌不存在這種阻力；對于菌絲，這種阻力最為突出。3）細胞膜的阻力（1/k7;1/KW）：

與微生物的生理特性有關。4）細胞內反應阻力（1/k8;1/KR）氧分子與細胞內呼吸酶系反應時的阻力；與微生物的種類、生理特性有關。2、耗氧方面的阻力1）細胞周圍液膜阻力（1/k5;1/K1101/k1、1/k2與空氣情況有關1/k3、1/k4、1/k5與發(fā)酵液成分、濃度有關1/k6、1/k7、1/k8與微生物的種類、特性、生理狀態(tài)有關氧在傳遞過程中，需損失推動力以克服上述阻力，過程中需克服的總阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：R=1/k1+1/k2+1/k3+----+1/k81/Kt=1/KG+1/KI+1/KL+1/KLB+1/KLC+1/KIS

+1/KA+1/KW+1/KR1/k1、1/k2與空氣情況有關氧在傳遞過程中，需損失推動111

供氧方面

由于氧很難溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/k3

;1/KL）是氧溶于水時的限制因素。

良好的攪拌使氣泡和液體充分混合而產生湍流，可減少1/k3、1/k4，加速氧的傳遞。供氧方面112耗氧方面

實驗和計算證實，細胞壁上與液體主流中氧的濃度差很小，即1/k5很??；而菌絲叢（或菌絲團）的阻力（1/k6）對菌絲體的攝氧能力影響顯著。

在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。

在攪拌和合理的工藝條件下，結團現(xiàn)象減少，因而能降低1/k6。

1/k8與微生物生長及代謝的條件有關，若生長條件合適，代謝產物能及時移去，則1/k8就會減少，否則就會增大。耗氧方面113

當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等，這時通過單位體積的傳遞速率為：nO2==推動力阻力Pi1/KinO2—氧的傳遞通量(傳遞速率)，mol/(m3·s)Pi—各階段的推動力（分壓差），Pa1/Ki—各階段的傳遞阻力，N·s/molnO2====……=

C

C

1

C2

C

8

K1/k11/k21/k8當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率114二、氣液相間的氧傳遞和氧傳質方程式氧傳遞的主要阻力存在于氣膜和液膜中二、氣液相間的氧傳遞和氧傳質方程式氧傳遞的主要阻力存在于氣膜115氣液界面附近的氧分壓或溶解氧濃度變化氣液界面附近的氧分壓或溶解氧濃度變化116當氣液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的傳遞速率相等，即：nO2====p－pI1/KGp－p*1/KGCI－CL1/KLC*－CL1/KLp—氣體主體氧分壓，Pa;pI—氣液界面氧分壓，PaCI—氣液界面氧濃度，mol/m3;CL—液相主體氧濃度，mol/m3

p*—與CL平衡的氣相氧分壓，Pa;C*—與p平衡的液相氧濃度，mol/m3

KG—以氧分壓為推動力的總傳遞系數(shù),mol/(m2·s·Pa)KL—以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)，m/s當氣液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的傳遞速率相等，即：117在穩(wěn)定情況下，氧分子從氣體主體擴散到液體主體的傳遞速率可表示為：OTR=KLa(C*－CL)

OTR—單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率，mol/(m3·s)a—比表面積，m2/m3

KL—以氧濃度為推動力的傳遞系數(shù)，m/s在穩(wěn)定情況下，氧分子從氣體主體擴散到液體主體的傳遞速率可表示118G/=KLa·V·(C*-CL)G---溶解于液體中的氧量，mmol---氣-液接觸時間，hV---培養(yǎng)液的體積，LCL

---液相中氧的濃度，mmol/LC*---與氣相中氧分壓相平衡的液相中的氧飽和濃度，mmol/LKL---以濃度差表示推動力的傳質系數(shù)（氧傳質系數(shù)），m/ha---比表面積（即單位體積的液體中所含的氣-液接觸面積），m2/m3

G/=KLa·V·(C*-CL)G-119氧傳質方程：G/=KLa·V·(C*-CL)OTR=KLa(C*－CL)氧傳質方程：G/=KLa·V·(C*-120由于“a”不易測得，因此常將KLa作為一項來處理，稱為體積氧傳遞系數(shù)或供氧系數(shù)，單位為h-1微生物對氧的需求速率，也即使氧不成為發(fā)酵的限制因素而必須滿足的供氧速率：G/=QO2·X·V=r·VOTR=rQO2----微生物的呼吸強度，mmolO2/g(干菌體)·hX----菌體濃度，g/LV---培養(yǎng)液體積，L

r---培養(yǎng)物的攝氧率，mmolO2/L·h由于“a”不易測得，因此常將KLa作為一項來處理，稱為體積121

在發(fā)酵過程中，當溶氧濃度不變時，氧溶于液相的速率等于微生物對溶氧的需求速率，則：KLa(C*-CL)=QO2·X=rKLa=rC*-CL在發(fā)酵過程中，當溶氧濃度不變時，氧溶于液相的速率等于微122◆

若供氧速率大于需氧速率，即KLa(C*-CL)＞r，此時發(fā)酵液中溶解氧濃度CL會不斷增加，趨近于C*?！?/p>

若需氧速率大于供氧速率，則CL

逐漸下降而趨向于零（盡管此時通氣和攪拌可能仍在進行）◆若供氧速率大于需氧速率，即KLa(C*-CL)123

由上式可看出，當微生物的攝氧率不變時（假定C*在一定條件下也不變），KLa越大，發(fā)酵液中溶解氧濃度CL也越大；所以可用KLa的大小來衡量發(fā)酵設備的通氣效率。KLa=rC*-CL由上式可看出，當微生物的攝氧率不變時（假定C*在一124◆實驗室用的搖瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其KLa值約為1～100h-1；◆帶攪拌的發(fā)酵罐，其KLa值約為200～1000h-1?！魧嶒炇矣玫膿u瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其KLa值約為1～1125第七章氣液質量傳遞課件126第三節(jié)發(fā)酵液的流變特性第三節(jié)發(fā)酵液的流變特性127◆

微生物發(fā)酵液是由三個體系組成的，即液相、固相和氣相液相中有可溶性的營養(yǎng)物、可溶性鹽類和微生物代謝產物；固相包括單個菌絲體或菌絲團（菌絲叢）、不溶性營養(yǎng)物和某些特殊的微生物代謝物；氣相包括通入的無菌空氣（包括未溶解的氧）、微生物代謝產生的CO2等氣體、某些低分子量易揮發(fā)的物質等◆

由于微生物的代謝作用，發(fā)酵液中各種物質的組成不斷變化，表現(xiàn)為發(fā)酵液的理化性質的不斷變化，如固形物質的含量、發(fā)酵液的黏度、表面張力、離子強度等。這些變化對三相體系之間的混合、氧的溶解速度、營養(yǎng)物質的轉移等均產生影響。◆微生物發(fā)酵液是由三個體系組成的，即液相、固相和氣相128一、流體類型一、流體類型129在切向力作用下平行板內液體速度分布在兩塊相互靠近的平行板之間充滿液體，下板固定不動，給上板施加一作用力F，使上板以一定的速度運動。其中與上板接觸的流體層以與上板相同的速度一起運動，與下板接觸的流體則保持靜止，中間各層因流體的內摩擦產生速度不等的平行運動，在流體層中產生速度梯度。在切向力作用下平行板內液體速度分布在兩塊相互靠近的平130剪應力(shearstress)

——單位流體面積上的切向力；F/A當剪應力與速度梯度成正比時，可用牛頓黏性定律來表示：—剪應力，N/m2或Pad/dx=—速度梯度或切變率(shearrate)，s－1—液體黏度，(kg·s)/m2=（d/dx）==/剪應力(shearstress)當剪應力與速度梯度成正131牛頓型與非牛頓型流體剪應力與切變率的關系1-牛頓型流體2-平漢塑性流體3-擬塑性流體4-漲塑性流體5-凱松流體牛頓型與非牛頓型流體剪應力與切變率的關系1-牛頓型流體132第七章氣液質量傳遞課件133牛頓型流體非牛頓型流體平漢塑性流體擬塑性流體漲塑性流體凱松流體牛頓型流體平漢塑性流體134一）牛頓型(Newtonian)流體

1）服從牛頓黏性定律；2）剪應力與剪切速率之間呈直線關系；直線的斜率即為黏度

；3）黏度只是溫度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關，因此是一常數(shù)。也即意味著發(fā)酵罐中攪拌轉速的快慢對黏度沒有影響，且在發(fā)酵罐的全培養(yǎng)液中的任何局部的黏度相同。一）牛頓型(Newtonian)流體135第七章氣液質量傳遞課件136二）非牛頓型流體1）不服從牛頓黏性定律2）其黏度不是常數(shù)，它不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動狀態(tài)而異，因此沒有固定的黏度值。平漢塑性流體擬塑性流體漲塑性流體凱松流體3）根據(jù)剪應力與切變率間的關系，分為：二）非牛頓型流體平漢塑性流體3）根據(jù)剪應力與切變率間的關系1371、擬塑性（pseudoplastic）流體

◆主要特征是黏度隨著剪應速率的增高而降低。

◆流體的剪應力與剪切速率間不呈直線關系，而呈凸形曲線關系，表明剪切速率的增加，剪應力的增加隨之減小，即增加流速會降低流體的粘性阻力。K—均勻度常數(shù)（稠度系數(shù)），Pa·s

n

—流態(tài)指數(shù)流態(tài)指數(shù)n表示非牛頓流體性質的顯著程度，n

=1為牛頓型流體；n值偏離1愈遠，非牛頓型流體性質愈顯著。=K

n◆其流變特性可表示為：0＜n＜11、擬塑性（pseudoplastic）流體◆主要特征是138◆

擬塑性流體，在不同攪拌轉速下，所顯示出的黏度不同；在同一攪拌轉速下，培養(yǎng)液中的剪應速率隨著離開攪拌渦輪的徑向距離，按指數(shù)倍數(shù)降低，故離開渦輪的徑向距離越遠，黏度越高。

◆許多高分子化合物如黃原膠、聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素等的水溶液，許多絲狀菌如青霉、曲霉、鏈霉菌等的培養(yǎng)液都表現(xiàn)出擬塑性?！魯M塑性流體，在不同攪拌轉速下，所顯示出的黏度不同；在同1392、漲塑性（dilatant）流體◆主要特征是黏度隨著剪應速率的增加而增高。

◆流體的剪應力與剪切速率間不呈直線關系，而呈凹形曲線關系，表明剪切速率的增加，剪應力也隨之增加，流體的流動阻力隨之加大。=K

n◆其流變特性可表示為：n＞1值越大，非牛頓特性就越顯著。鏈霉素、四環(huán)素、慶大霉素的前期發(fā)酵液，很稀的酵母懸浮液呈漲塑性。2、漲塑性（dilatant）流體◆主要特征是黏度隨著1403、平漢（bingham）塑性流體◆主要特征是當剪應力小于屈服應力時，液體不發(fā)生流動，只有當剪應力超過屈服應力時才發(fā)生流動。◆它的流態(tài)曲線也呈直線，但不通過原點。=0+0

—屈服應力(在縱軸上的截距)，Pa—剛性系數(shù)，Pa·s◆其流變特性可用下式表示:黑曲霉、產黃青