生化反應(yīng)器的傳遞過程

生化反應(yīng)器的傳遞過程<生化過程反應(yīng)與傳質(zhì)機(jī)理>專題八現(xiàn)在是1頁\一共有54頁\編輯于星期三流變特性:指流體混合時(shí)的流動(dòng)特性。生化反應(yīng)器中生物介質(zhì)(發(fā)酵液)的流變特性將影響其混合的程度、傳質(zhì)和傳熱的速率。6.1生物介質(zhì)的流變特性現(xiàn)在是2頁\一共有54頁\編輯于星期三生物介質(zhì)是由液相和固相(細(xì)胞及不溶性組分)構(gòu)成的多相體系，對細(xì)菌或酵母發(fā)酵液，一般說來粘度較低，流動(dòng)性好，熱量質(zhì)量傳遞速率較快

而用特殊的培養(yǎng)技術(shù)得到的高濃度細(xì)胞發(fā)酵液，因粘度的增加而造成熱量、質(zhì)量傳遞困難。如多種抗生素、有機(jī)酸等發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)中，由于發(fā)酵液中有大量菌絲體或菌球的存在，使其粘度增加，呈現(xiàn)非牛頓流動(dòng)特性。這些流體流動(dòng)性差，易使混合不充分，傳熱和傳質(zhì)產(chǎn)生困難?，F(xiàn)在是3頁\一共有54頁\編輯于星期三一、流變模型

流變模型:能反映流體流動(dòng)特性的模型。流體的流動(dòng)特性常用剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系來表示和區(qū)分。剪應(yīng)力:單位流體面積上的剪切力或內(nèi)摩擦力(F／A)速度梯度：現(xiàn)在是4頁\一共有54頁\編輯于星期三(1)牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度成正比的流體

為流體的粘度，為切變率。流動(dòng)服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓流體，具有確定的粘度值，氣體、低分子的液體常為牛頓型流體。現(xiàn)在是5頁\一共有54頁\編輯于星期三（２）非牛頓流體：不滿足牛頓粘性定律的流體為，其剪應(yīng)力與切變率之比不是常數(shù)，因而沒有確定的粘度值。賓漢塑性流體擬塑性流體漲塑性流體凱松流體表觀粘度是指剪應(yīng)力與切變率之比?，F(xiàn)在是6頁\一共有54頁\編輯于星期三賓漢(Bingham)塑性流體:它的流動(dòng)特性可用下式表示：

屈服應(yīng)力

剛度系數(shù)

特點(diǎn)：當(dāng)剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，流體不發(fā)生流動(dòng)，當(dāng)剪應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)流體才發(fā)生流動(dòng)。 如黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發(fā)酵液及生活用品如牙膏，肥皂等．現(xiàn)在是7頁\一共有54頁\編輯于星期三擬（假）塑性流體：流動(dòng)特性可用下式表示流動(dòng)特性指數(shù)０<n<1

稠度系數(shù)

特點(diǎn)：稠度系數(shù)K越大，流體就越稠，n值愈小，流體的非牛頓特性越明顯。擬塑性流體的流動(dòng)曲線如右圖所示。 許多高分子化合物的水溶液屬于擬塑性流體，如羧甲基纖維素、黃原膠等，青霉、曲霉、鏈霉菌的培養(yǎng)液、多糖的微生物發(fā)酵液等，蛋黃漿、油漆也屬此類流體?，F(xiàn)在是8頁\一共有54頁\編輯于星期三n>1漲塑性流體n值越大，流體的非牛頓特性越明顯，淀粉、玉米粉、糖溶液、部分中藥提取液屬于這種流動(dòng)特性，發(fā)酵液中較少見?，F(xiàn)在是9頁\一共有54頁\編輯于星期三凱松(Casson)流體：流體模型為

凱松粘度

屬于此類流體有血液、熔化的巧克力等。

屈服應(yīng)力

現(xiàn)在是10頁\一共有54頁\編輯于星期三流體的流變特性的通式--冪定律方程

很多發(fā)酵液屬于非牛頓流體，賓漢流體、擬塑性流體和凱松流體的表觀粘度隨切變率的增大而減小，漲塑性流體的表觀粘度則隨切變率的增大而增大?，F(xiàn)在是11頁\一共有54頁\編輯于星期三剪應(yīng)力與切變率的關(guān)系現(xiàn)在是12頁\一共有54頁\編輯于星期三二、影響生物介質(zhì)流變特性的因素

生物介質(zhì)流變特性主要取決于固相（細(xì)胞等）的濃度和其形態(tài)，對發(fā)酵液而言，其組成復(fù)雜，但大部分是水，溶解于水的各種營養(yǎng)成分、細(xì)胞的代謝產(chǎn)物、大量細(xì)胞和構(gòu)成發(fā)酵介質(zhì)的不溶性固相物質(zhì)，發(fā)酵介質(zhì)中液相部分粘度很低，但隨著細(xì)胞濃度的增加，發(fā)酵介質(zhì)的粘度也增大。細(xì)胞的濃度、形態(tài)、多糖和胞外蛋白質(zhì)的代謝產(chǎn)物等都會影響發(fā)酵介質(zhì)的流動(dòng)特性現(xiàn)在是13頁\一共有54頁\編輯于星期三右圖是酵母培養(yǎng)液的粘度與細(xì)胞濃度的關(guān)系，隨著細(xì)胞濃度的提高，發(fā)酵介質(zhì)的粘度也相應(yīng)增大。現(xiàn)在是14頁\一共有54頁\編輯于星期三當(dāng)發(fā)酵介質(zhì)中細(xì)胞濃度較低，且其形態(tài)為球形時(shí)，通常為牛頓型流體。此時(shí)流體的粘度可用Einstein式進(jìn)行計(jì)算：發(fā)酵液粘度液相粘度顆粒的體積分率細(xì)胞濃度的體積分率大于40%，Vand提出下述關(guān)系式：現(xiàn)在是15頁\一共有54頁\編輯于星期三當(dāng)發(fā)酵介質(zhì)的粘度與細(xì)胞濃度的關(guān)系明確時(shí)，可通過測定發(fā)酵介質(zhì)的粘度來確定細(xì)胞的濃度。細(xì)胞的形態(tài)影響：對具有擬塑性的高分子溶液和絲狀菌懸浮液，當(dāng)切變率低時(shí)，由于分枝的鏈狀分子或菌絲體互相牽制，表觀粘度較高。隨切變率的增大，表觀粘度下降，這是由于菌絲體被拉直、甚至發(fā)生分裂。胞外產(chǎn)物影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性：對于一些多糖發(fā)酵體系，隨著多糖濃度的增加，發(fā)酵介質(zhì)表觀粘度大大增加?，F(xiàn)在是16頁\一共有54頁\編輯于星期三在細(xì)胞反應(yīng)過程中，大都采用深層培養(yǎng)的方法大量生產(chǎn)細(xì)胞及有用的代謝產(chǎn)物。對需氧的細(xì)胞反應(yīng)，常需要向培養(yǎng)基中供氧，以滿足細(xì)胞生長代謝的需要。對大規(guī)模生產(chǎn)的細(xì)胞反應(yīng)器，則需要通入無菌壓縮空氣并同時(shí)進(jìn)行攪拌的方式，以滿足供氧的需要。

6.2氧的傳質(zhì)反應(yīng)模型現(xiàn)在是17頁\一共有54頁\編輯于星期三對于需氧的細(xì)胞反應(yīng)，氧氣首先要從氣相通過擴(kuò)散進(jìn)入液相，然后在液相中擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)部進(jìn)行呼吸反應(yīng)。下圖為氧從氣泡傳遞到細(xì)胞內(nèi)部的示意圖。現(xiàn)在是18頁\一共有54頁\編輯于星期三氧在傳遞過程中有以下傳遞阻力：①氧從氣相主體擴(kuò)散到氣一液界面的阻力R1；②通過氣一液界面的阻力R2；③通過氣泡外側(cè)的滯流液膜，到達(dá)液相主體的阻力R3；④液相主體中的傳遞阻力R4；⑤通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到達(dá)細(xì)胞團(tuán)與液體界面的阻力R5；現(xiàn)在是19頁\一共有54頁\編輯于星期三⑥通過液體與細(xì)胞團(tuán)之間界面的阻力R6；⑦細(xì)胞團(tuán)內(nèi)在細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中的擴(kuò)散阻力R7；⑧進(jìn)入細(xì)胞的阻力R8。①～④項(xiàng)屬供氧方面的阻力；⑤～⑧項(xiàng)為耗氧方面的阻力。當(dāng)單個(gè)細(xì)胞以游離狀態(tài)懸浮于液體中時(shí)第⑦項(xiàng)阻力可忽略?，F(xiàn)在是20頁\一共有54頁\編輯于星期三下圖表示了氧在三相過程中的濃度(C0)分布，并表示了各步驟的傳質(zhì)系數(shù)和膜的厚度?，F(xiàn)在是21頁\一共有54頁\編輯于星期三從圖可以看出，影響氧的傳質(zhì)系數(shù)的參數(shù)有氣一液相界面上的氣膜傳質(zhì)系數(shù)kG和液膜傳質(zhì)系數(shù)kL及固一液界面上的液膜傳質(zhì)系數(shù)kL2和在固相內(nèi)部的傳質(zhì)速率?，F(xiàn)在是22頁\一共有54頁\編輯于星期三氧在進(jìn)行傳遞時(shí)，其總推動(dòng)力就是氣相與細(xì)胞內(nèi)氧分壓之差。這總推動(dòng)力克服從氣相到細(xì)胞內(nèi)的各項(xiàng)串聯(lián)的傳遞阻力。當(dāng)氧的傳遞達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等，這時(shí)通過單位面積的傳遞速率為：現(xiàn)在是23頁\一共有54頁\編輯于星期三在氣液傳質(zhì)過程中，一般認(rèn)為氣液界面和液相主體的傳質(zhì)阻力很小。主要阻力來自于氣膜和液膜。當(dāng)氣液傳質(zhì)過程處于穩(wěn)定時(shí)，通過氣膜和液膜的傳質(zhì)速率應(yīng)相等。即符合下述關(guān)系：

一、氣液相間氧的傳質(zhì)與反應(yīng)（氣液反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)）kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù)kL為液膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜液膜pCLpiCi現(xiàn)在是24頁\一共有54頁\編輯于星期三則各項(xiàng)阻力之間有：對于難溶的氧氣

若定義KG為以氧分壓為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；KL為以氧濃度為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)現(xiàn)在是25頁\一共有54頁\編輯于星期三氧的氣液傳質(zhì)速率方程可表示為：為與氣相分壓相平衡的液相氧濃度,mol/m3為液相主體氧濃度,mol/m3

為比表面積，m2/m3為體積傳質(zhì)系數(shù)，S-1。

單位體積培養(yǎng)液中氧的傳質(zhì)速率，mol／(m3·s)；

現(xiàn)在是26頁\一共有54頁\編輯于星期三如果在某一需氧的細(xì)胞反應(yīng)過程中，生物體為單細(xì)胞，其大小可能僅為幾微米，而液膜厚度可能為幾十微米，此時(shí)在液膜內(nèi)就包含著細(xì)胞，細(xì)胞有可能被吸附在氣液界面上，此時(shí)圖中，④、⑤、⑥、⑦、⑧各項(xiàng)阻力均可忽略不計(jì)。氧可被認(rèn)為一面溶解于液相，一面消耗于反應(yīng)，反應(yīng)體系可做擬均相處理。

現(xiàn)在是27頁\一共有54頁\編輯于星期三氧在氣一液相界面液膜上的濃度分布可分為五種情況，如右圖所示?，F(xiàn)在是28頁\一共有54頁\編輯于星期三動(dòng)力學(xué)控制的曲線a，其相界面上氧的濃度C*OL與液相主體中氧的濃度近似相等，此時(shí)氧的傳質(zhì)速率快，液膜阻力小而反應(yīng)速率相對較慢；傳質(zhì)控制的曲線c，液相主體中氧的濃度近似為零，此時(shí)反應(yīng)速率快，傳質(zhì)速率慢。曲線b則處于中間狀態(tài)。圖中曲線d和e則表示了反應(yīng)對傳質(zhì)速率的強(qiáng)化。現(xiàn)在是29頁\一共有54頁\編輯于星期三假定反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)，傳質(zhì)和反應(yīng)兩個(gè)因素同時(shí)在起作用，在穩(wěn)態(tài)下其宏觀反應(yīng)速率（有效反應(yīng)速率）表示為動(dòng)力學(xué)控制傳質(zhì)控制

現(xiàn)在是30頁\一共有54頁\編輯于星期三若為過渡狀態(tài)，可整理為為氧的宏觀反應(yīng)速率；kr為反應(yīng)速率常數(shù)；為氧的體積傳質(zhì)系數(shù)；Da為丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)；

為有效因子。

現(xiàn)在是31頁\一共有54頁\編輯于星期三隨著傳質(zhì)速率的減小，氧的宏觀反應(yīng)速率將隨之減少?，F(xiàn)在是32頁\一共有54頁\編輯于星期三對微生物反應(yīng)體系，氧的傳質(zhì)除在氣液界面的液膜阻力外，還在液固界面上有液膜阻力，兩個(gè)液膜的傳質(zhì)系數(shù)分別表示為kL1和kL2。如果固相為0.5~2mm的細(xì)胞團(tuán)，則存在此時(shí)為主要傳質(zhì)阻力；現(xiàn)在是33頁\一共有54頁\編輯于星期三如果固相為dP=10μm的絮凝物，則有氣液界面上氧的傳質(zhì)速率將起控制作用?，F(xiàn)在是34頁\一共有54頁\編輯于星期三傳質(zhì)速率因反應(yīng)而強(qiáng)化對一伴有反應(yīng)的氣液相傳質(zhì)過程，假定其有效速率為Rs，而其純傳質(zhì)速率為Rd，根據(jù)傳質(zhì)被強(qiáng)化的觀點(diǎn)，引入增強(qiáng)因子E，表示為由于Rs≥Rd，所以E≥1。如果能求出E值，則很容易求出Rs值?，F(xiàn)在是35頁\一共有54頁\編輯于星期三根據(jù)速率常數(shù)K的相對大小來區(qū)分動(dòng)力學(xué)控制和擴(kuò)散控制。引入無因次準(zhǔn)數(shù)Ha(Hatta準(zhǔn)數(shù))。n為反應(yīng)級數(shù)；D——擴(kuò)散系數(shù)?，F(xiàn)在是36頁\一共有54頁\編輯于星期三Ha又稱為膜反應(yīng)參數(shù)，它表示了膜內(nèi)可能的最大反應(yīng)速率與通過膜的最大傳質(zhì)速率之比。對不同的反應(yīng)，通過各種近似解，表示了E與Ha的關(guān)系現(xiàn)在是37頁\一共有54頁\編輯于星期三右圖為E-Ha關(guān)系曲線，E-Ha關(guān)系可分為三個(gè)部分。Ha<0.3，為慢反應(yīng)區(qū)，此區(qū)反應(yīng)速率很慢，因而反應(yīng)速率對傳質(zhì)速率無影響，即無強(qiáng)化作用。過程的速率取決于傳質(zhì)速率，屬于物理吸收過程，傳質(zhì)限制區(qū)。反應(yīng)完全發(fā)生在液相主體內(nèi)?，F(xiàn)在是38頁\一共有54頁\編輯于星期三Ha≥3，為快反應(yīng)區(qū)，此時(shí)反應(yīng)速率很快，幾乎完全發(fā)生于液相界面的液膜中，此時(shí)反應(yīng)速率對傳質(zhì)有強(qiáng)化作用，過程的速率由反應(yīng)速率決定，稱為純動(dòng)力學(xué)控制區(qū)。0.3<Ha<3為中間過渡區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)反應(yīng)較快，部分反應(yīng)在氣液界面上反應(yīng)，因此強(qiáng)化了傳質(zhì)速率?，F(xiàn)在是39頁\一共有54頁\編輯于星期三對氣液相傳質(zhì)與反應(yīng)的關(guān)系可以表示為： 對慢反應(yīng)，Ha≤0.3，E=1 對中速反應(yīng),0.3<Ha<3,

對快速反應(yīng)Ha≥3氣液反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)內(nèi)容同時(shí)涉及到氧氣在氣液相間的傳質(zhì)和反應(yīng)。

現(xiàn)在是40頁\一共有54頁\編輯于星期三穩(wěn)態(tài)時(shí)，氧通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外液膜的傳質(zhì)速率為液固間傳質(zhì)系數(shù)

液固比表面積

細(xì)胞外表面處氧濃度

二、液固相間氧的傳質(zhì)液相主體中氧濃度

現(xiàn)在是41頁\一共有54頁\編輯于星期三液體和細(xì)胞間最大傳質(zhì)速率（Cos=0)為：mol／(m3s)

n-單位體積培養(yǎng)液中細(xì)胞個(gè)數(shù)

若細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)為球形，且細(xì)胞密度與液體密度接近時(shí)，則

現(xiàn)在是42頁\一共有54頁\編輯于星期三三、細(xì)胞團(tuán)內(nèi)氧的傳質(zhì)與反應(yīng)氧進(jìn)入細(xì)胞團(tuán)內(nèi)，一方面向細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散，一方面又被其細(xì)胞消耗，濃度不斷下降。如果把細(xì)胞看成一個(gè)耗氧的均勻的球體。設(shè)其半徑為R，密度為ρ0，取其半徑r處一層厚度為dr的殼層做物料衡算得：氧現(xiàn)在是43頁\一共有54頁\編輯于星期三Co——離球心r處氧的濃度；qomax——氧的最大呼吸強(qiáng)度；Ko——氧的飽和常數(shù)?，F(xiàn)在是44頁\一共有54頁\編輯于星期三邊界條件r=R，Co=CoL；r=0,可用數(shù)值法求解

細(xì)胞團(tuán)內(nèi)葡萄糖濃度變化很小，而氧的濃度則隨半徑減小而迅速下降，這表明在細(xì)胞團(tuán)的中央，細(xì)胞的呼吸受到限制。02.4rO2葡萄糖現(xiàn)在是45頁\一共有54頁\編輯于星期三四、影響氧傳質(zhì)速率的因素

氧的氣液傳質(zhì)方程現(xiàn)在是46頁\一共有54頁\編輯于星期三1.氧在培養(yǎng)基中的溶解度:氧是難溶性氣體。在25℃和1×105Pa時(shí)，空氣中的氧在純水中的溶解度為0.2kmol／m3左右。由于在培養(yǎng)基中含有大量有機(jī)物和無機(jī)鹽，氧在其中的溶解度就更低。 氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。在常壓和溫度4~33OC的范圍內(nèi)，與空氣相平衡時(shí)，純水中氧的濃度可用下述經(jīng)驗(yàn)式求出：--與空氣平衡時(shí)純水中氧的濃度

現(xiàn)在是47頁\一共有54頁\編輯于星期三在電解質(zhì)溶液中，由于鹽析作用，氧的溶解度下降。氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度為

-氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度

-電解質(zhì)溶液的濃度-常數(shù)，與氣體種類、電解質(zhì)種類和溫度有關(guān)現(xiàn)在是48頁\一共有54頁\編輯于星期三若為多種電解質(zhì)的混合溶液，則第i種離子的常數(shù)

離子強(qiáng)度

第i種離子的價(jià)數(shù)

第i種離子的濃度

若為非電解質(zhì)溶液有機(jī)物濃度

氧的溶解度現(xiàn)在是49頁\一共有54頁\編輯于星期三發(fā)酵介質(zhì)中，一般同時(shí)含有電解質(zhì)和非電解質(zhì)，氧在其中的溶解度為

為了提高氧在培養(yǎng)基中的溶解度，可提高反應(yīng)器操作壓力和富氧通氣的方法。氧的培養(yǎng)基中的溶解度