工學(xué)第五章間歇式操作反應(yīng)器課件

化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院第5章間歇式操作反應(yīng)器生化工程電子教案2023/7/27化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院第5章間歇式操作反應(yīng)器生生化反應(yīng)器設(shè)計概論間歇式操作反應(yīng)器的設(shè)計（BSTR）第5章間歇式操作反應(yīng)器氧的傳遞特性機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與計算反應(yīng)過程的流體力學(xué)反應(yīng)過程的傳熱特性2023/7/27生化反應(yīng)器設(shè)計概論間歇式操作反應(yīng)器的設(shè)計（BSTR）第5章第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論1、生化反應(yīng)器？——利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。

回顧一下：生化反應(yīng)器中可進(jìn)行的反應(yīng)類型？再想想：反應(yīng)器可采取的操作方式？2、研究反應(yīng)器的目的？

◆研究生化反應(yīng)器的基本反應(yīng)規(guī)律

◆研究生化反應(yīng)器的基本傳遞規(guī)律◆研究生化反應(yīng)器的設(shè)計內(nèi)容及方法

2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論1、生第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.1生化反應(yīng)器的分類（生化反應(yīng)器可從不同角度分類）

1、按催化劑類型分類■酶反應(yīng)器■細(xì)胞生化反應(yīng)器上述兩類反應(yīng)有什么區(qū)別？

◆酶反應(yīng)器相對比較簡單，酶促反應(yīng)與一般的化學(xué)催化反應(yīng)相同，在反應(yīng)的過程中酶本身無變化；

◆細(xì)胞生化反應(yīng)器相對比較復(fù)雜，因涉及到避免外界各種雜菌污染、有適應(yīng)細(xì)胞生長繁殖以及維持其活性的要求。2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論5.第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.1生化反應(yīng)器的分類（生化反應(yīng)器可從不同角度分類）

2、按操作方式分類

■間歇反應(yīng)器(分批操作反應(yīng)器)：底物一次加入反應(yīng)器，在反應(yīng)過程中無底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，底物和產(chǎn)物的濃度隨反應(yīng)時間變化?！鲞B續(xù)反應(yīng)器：底物等連續(xù)輸入反應(yīng)器產(chǎn)物連續(xù)從反應(yīng)器輸出，反應(yīng)器的任何部位的各組分均不隨反應(yīng)時間變化（穩(wěn)定態(tài)）。

■半間歇反應(yīng)器：半連續(xù)反應(yīng)器在一次反應(yīng)的過程中，底物分次補入的操作。2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論5.第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.1生化反應(yīng)器的分類（生化反應(yīng)器可從不同角度分類）2、按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分類

有釜式、管式、塔式、膜式等反應(yīng)器3、按反應(yīng)體系的相態(tài)分類

均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器4、根據(jù)催化劑在反應(yīng)器的分布方式分類

生物團(tuán)塊(包括細(xì)胞、絮狀物、菌絲體)反應(yīng)器；生物膜反應(yīng)器2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論5.第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論BatchoperationContinuous返混——將不同停留時間的物料之間的混合重要概念：Packedbed全混流——完全返混理想流動模型（全混、活塞流）與非理想流動模型——活塞流——（完全無返混）在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液象活塞樣流動。活塞流反應(yīng)器內(nèi)的物料停留時間一致。2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論Bat第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論間歇全混型反應(yīng)器（batchstirred-tankreactor，BSTR）連續(xù)全混型反應(yīng)器（continuousstirred-tankreactor，CSTR）活塞流反應(yīng)器（plugflowreactor，PFR）

5.1.1生化反應(yīng)器的分類5、按流動方式分類全混型反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器間歇全混型反應(yīng)器連續(xù)全混型反應(yīng)器這是兩類典型的理想反應(yīng)器2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論間歇全第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論BatchoperationContinuousMulti-cascadereactorFluidflowbedStirvessel—super-filterintegrationsetMulti-cascadesemi-operationLoopflowreactorCoilmembranereactorPackedbedCycleimmobilizedbedPipingimmobilizedbed常見反應(yīng)器類型2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論Bat反應(yīng)器計算的基本內(nèi)容

選擇合適的反應(yīng)器型式

根據(jù)生物催化劑和生物反應(yīng)動力學(xué)特性，如反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)、溫度效應(yīng)及反應(yīng)的熱效應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)器的流動特征和傳遞特性，如反應(yīng)器的返混程度，選擇合適的反應(yīng)器，以滿足反應(yīng)過程的需要，使反應(yīng)結(jié)果最優(yōu)。

第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程2023/7/27反應(yīng)器計算的基本內(nèi)容第5章間確定最佳操作條件與控制方式操作條件，如反應(yīng)器的進(jìn)口物料配比、流量、溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率等工藝條件，直接影響反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果，也影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。對正在運行的裝置，因原料組成的改變，工藝參數(shù)調(diào)整是常有的事。現(xiàn)代化大型化工廠工藝參數(shù)的調(diào)整，是通過計算機(jī)集散控制完成的。計算機(jī)收到參數(shù)變化的信息，并根據(jù)已輸入的數(shù)學(xué)模型和程序，計算出結(jié)果，送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成參數(shù)的調(diào)整。第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程反應(yīng)器計算的基本內(nèi)容2023/7/27確定最佳操作條件與控制方式第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.計算完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積反應(yīng)器體積的確定是反應(yīng)器計算的核心內(nèi)容。根據(jù)所確定的操作條件，針對所選定的反應(yīng)器型式，計算完成規(guī)定生產(chǎn)能力所需的反應(yīng)器有效體積，同時由此確定反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和尺寸。第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程反應(yīng)器計算的基本內(nèi)容2023/7/27計算完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積第5章間歇式操作反應(yīng)器>反應(yīng)器計算的基本方程包括：描述濃度變化的物料衡算式；描述溫度變化的能量衡算式；描述壓力變化的動量衡算式；描述反應(yīng)速率變化的動力學(xué)方程式。

第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程2023/7/27反應(yīng)器計算的基本方程包括：第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程++=Inputcomponents/unitvolumeconvertedcomponents/unitvolumeOutputcomponents/unitvolumeAccumulationofcomponents/unitvolume1、Massbalance（Accumulatnis0understeadystate)CalculationofMassbalanceforsubstratesandproducts+++=Growncells/unitvolumeAccumulatedcells/unitvolumeDiedcells/unitvolumeOutputcells/unitvolumeInputcells/unitvolumeCalculationof

Massbalanceforcells2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論5.第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論++=2、Energybalance(Heatbalance

)Inadefinitetime:Inputheat/unittimeOutputheat/unittimeReactionheat/unittimeAccumulatedheat/unittime3、MomentumbalanceItisusuallynegligibleforbioreactorsbecauseofoperationconductedunderconstantpressure.

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程Inconclusion,eachbalanceinthesamemodelasfollows:Input=output+consumption+accumulation2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論++=第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論1、物料衡算式

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程對底物，有2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論1、物第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論對產(chǎn)物，有對細(xì)胞，有

5.1.2生化反應(yīng)器的基本設(shè)計方程2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論對產(chǎn)物第5章生化反應(yīng)器設(shè)計與分析>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論2、能量衡算式2023/7/27第5章生化反應(yīng)器設(shè)計與分析>>5.1生化反應(yīng)器設(shè)計概論2第5章>>

>>5.2間歇式操作反應(yīng)器設(shè)計（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間（操作時間=反應(yīng)時間tr+輔助時間tb）

BSTR特征：在反應(yīng)的過程中，無物料的輸入和輸出；物料的各組分的濃度在反應(yīng)體系內(nèi)是均一的；物料的各組分的濃度僅隨反應(yīng)時間變化。

BSTR的底物的物料衡算式為:或Batchoperation式中NS——底物的質(zhì)量，g或mol

VR——BSTR的有效體積，

VR=常數(shù)2023/7/27第5章>>>>5.2間歇式操作反應(yīng)器設(shè)計（BSTR）一、第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間對上式積分，B.C.t=0，CS=CS0

，t=tr，CS=CS

，反應(yīng)時間為:令底物轉(zhuǎn)化率:有:2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間（1）BSTR的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時間計算BSTR反應(yīng)時間的通式若酶促反應(yīng)符合M-M反應(yīng)，2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間積分得：或當(dāng)Cso<<Km時，當(dāng)Cso>>Km時，（1）BSTR的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時間2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間（1）BSTR的均相酶促反應(yīng)的反應(yīng)時間不同轉(zhuǎn)化率下間歇反應(yīng)時間與Cs0/Km的關(guān)系2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一P123例5-1第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間2023/7/27P123第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BS第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（2）BSTR的固定化酶促反應(yīng)的反應(yīng)時間一、BSTR的反應(yīng)時間在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)液相占的體積分率為εL

，則固定化酶相所占的體積分率為（1－εL

），酶促反應(yīng)應(yīng)該發(fā)生在固相，在考慮到載體內(nèi)擴(kuò)散的影響等因素有底物在BSTR中的物料衡算式:式中——內(nèi)擴(kuò)散的有效因子2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）只有在一級反應(yīng)時，與轉(zhuǎn)化率XS無關(guān)，積分有:（2）BSTR的固定化酶促反應(yīng)的反應(yīng)時間一、BSTR的反應(yīng)時間且在載體的體積很小時，可視為反應(yīng)限制=12023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）只第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時間

由于細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)速率在培養(yǎng)的不同階段的表達(dá)形式是不同的。因而對其反應(yīng)時間的表達(dá)有不同的形式，比較簡單的是指數(shù)生長和減速生長的所需的時間。一、BSTR的反應(yīng)時間設(shè)指數(shù)生長期所需的時間為tR1，減速生長期所需的時間為tR2，則總時間為tR=tR1+tR12023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）且則其中一、BSTR的反應(yīng)時間（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時間2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）且第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一、BSTR的反應(yīng)時間（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時間若指數(shù)生長期和減速期統(tǒng)一用下述方程表示細(xì)胞生長速率并有：式中CS0、CX0—指數(shù)期開始時底物濃度、細(xì)胞濃度CS、CX—減速期結(jié)束時底物濃度、細(xì)胞濃度2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）一第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時間代入M-M方程得：2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（3）BSTR的細(xì)胞反應(yīng)的反應(yīng)時間分部積分可得反應(yīng)時間的計算式2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）二、BSTR的有效體積在BSTR的操作周期為：（生產(chǎn)時間）

t=tR+tb式中tR——反應(yīng)時間

tb——輔助操作時間要求的生產(chǎn)能力（單位時間的產(chǎn)物的產(chǎn)量）為Pr，單位時間處理的反應(yīng)液量為V0，Pr與V0的關(guān)系為：有反應(yīng)器的有效體積：Cso、Xs——初始濃度和最終轉(zhuǎn)化率2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）二第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）例：求某間歇酶促反應(yīng)的BSTR的有效體積VR

。酶促反應(yīng)符合M-M方程該酶促反應(yīng)生產(chǎn)的參數(shù)為:

k+2=1(1/min)，

Km=2mol/L，加入的初始酶的濃度CE0=1mol/L，底物的初始濃度CS0=2mol/L，要求每小時生產(chǎn)產(chǎn)品1000mol，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率XS=0.8，輔助操作時間tb=10min2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）例第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）解：（1）反應(yīng)時間2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）解第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（2）該BSTR的有效體積2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）（第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）三、BSTR反應(yīng)過程的優(yōu)化(最優(yōu)反應(yīng)時間的確定）對生化反應(yīng)，總希望以最小的費用獲得最大的利益◆目標(biāo)函數(shù)——以產(chǎn)量、生產(chǎn)效率、利潤或綜合效益等◆最優(yōu)化的變量——在生化反應(yīng)中反應(yīng)結(jié)束的時間、培養(yǎng)基的組成、培養(yǎng)溫度、pH值等。例如簡單的酶促反應(yīng)（符合M-M反應(yīng)）在BSTR進(jìn)行，總操作時間包括反應(yīng)時間和輔助操作時間（t=tR+tb

，其中tb在某一特定的生產(chǎn)中為常數(shù)）以單位時間的產(chǎn)物量FP為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）三第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）則為使得FP最大，對反應(yīng)時間tR

求導(dǎo)，并令其為0，有：得到三、BSTR反應(yīng)過程的優(yōu)化2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）則第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）三、BSTR反應(yīng)過程的優(yōu)化圖解法2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）三第5章>>

>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）三、BSTR反應(yīng)過程的優(yōu)化對于均相酶反應(yīng)？？P125解析法最佳轉(zhuǎn)化率求法：2023/7/27第5章>>>>5.2間歇操作攪拌槽式反應(yīng)器（BSTR）三第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)一、流變模型xu=0yuF△u△y面積A剪應(yīng)力F/A與速度遞度du/dy之間的關(guān)系??2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)一、一、流變模型剪應(yīng)力F/A與速度遞度du/dy之間的關(guān)系??1、牛頓型流體氣體、低分子量的液體2、非牛頓型流體◆賓漢塑性流體剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，不流動黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發(fā)酵液◆擬塑性流體0<n<1K越大，流體越稠；n越小，非牛頓性越明顯如，羧甲基纖維素、黃原膠；青霉、曲霉、鏈霉菌的培養(yǎng)液。◆漲塑性流體n>1n越大，非牛頓性越明顯如，淀粉等；發(fā)酵液少見第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)2023/7/27一、流變模型剪應(yīng)力F/A與速度遞度du/dy之間的關(guān)系??1一、流變模型第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)2023/7/27一、流變模型第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的一、流變模型第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)流體流變特性的總表達(dá)式：冪定律方程對牛頓型流體：對擬塑性流體：對脹塑性流體：對賓漢型流體：2023/7/27一、流變模型第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的一、流變模型第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)對非牛頓流體，用表觀黏度表示：2023/7/27一、流變模型第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的二、影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素重要因素：（1）濃度第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)2023/7/27二、影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素重要因素：（1）濃度第5章第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)（2）形態(tài)二、影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素對于絲狀菌：多糖和胞外蛋白等分泌物都會使發(fā)酵液成非牛頓型流體2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)（2第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)流體剪切作用的大小是生物反應(yīng)器設(shè)計和優(yōu)化的一個重要參數(shù)三、流體的剪切作用流體剪切作用來自于反應(yīng)器內(nèi)機(jī)械和氣流的攪拌作用機(jī)械攪拌的剪切力估算？氣流攪拌的剪切力的估算？2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)流體第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)積分剪切因子1、機(jī)械攪拌的剪切力的估算時均切變率Kolmogoroff漩渦長度2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)積分第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)2、氣流攪拌的剪切力或P133P134鼓泡反應(yīng)器的時均切變率主要決定于氣體表觀線速度。a-常數(shù)，0.5~1.0-常數(shù)，1000~5000Us-氣體表觀線速度，m/s2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.3反應(yīng)過程的流體力學(xué)2、第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性一、氧的傳遞過程圖6-1氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程

氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞的過程中需要克服哪幾種阻力？氧的整個傳遞過程可分為供氧和耗氧兩個方面，請分別指出這兩個過程的傳氧路線？問題1問題2細(xì)胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用??氧，2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性一、氧第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性一、氧的傳遞過程4、對流擴(kuò)散通過液相主體，R42、氧從氣泡側(cè)滯流層外分子擴(kuò)散至氣-液界面處，阻力R21、氧氣對流擴(kuò)散至氣液界面氣泡側(cè)滯流層外，阻力R1)界面處？？無阻力3、氧通過界面后，分子擴(kuò)散通過液相側(cè)滯流層，R35、通過細(xì)胞（團(tuán)）外的滯流液膜，到達(dá)液相與細(xì)胞界面處，R56、通過液固界面，R6；7、細(xì)胞團(tuán)內(nèi)細(xì)胞之間的擴(kuò)散，阻力R78、氧進(jìn)入細(xì)胞傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用，阻力R82023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性一、氧第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性瓶頸在哪？一、氧的傳遞過程2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性瓶頸在第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論1、基本定理亨利定律：溶質(zhì)在液相中的體積摩爾濃度C與其在氣相中的分壓p*之間存在如下關(guān)系：p*=C/HH——溶解度系數(shù)，Pa.mol/m3費克定律：JA—擴(kuò)散通量，單位面積上單位時間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，kmol/(m2.s)。2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性2）傳質(zhì)機(jī)理，先介紹雷諾實驗二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪骼字Z實驗演示2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性2）傳第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性2）傳質(zhì)機(jī)理①層流流動

傳質(zhì)機(jī)理仍為分子擴(kuò)散②湍流流動

湍流主體中流體產(chǎn)生大量的漩渦，引起流體質(zhì)點間的劇烈混合，促進(jìn)了橫向（傳質(zhì)方向）的物質(zhì)傳遞，流體主體的濃度分布被均化。二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性2）傳第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性3）雙膜理論二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論要點：◆相互接觸的氣液兩相間有一穩(wěn)定的界面，界面上氣液兩相處于平衡狀態(tài)。◆界面兩側(cè)分別存在兩層膜，氣膜和液膜。兩層膜均很薄，膜內(nèi)流體是滯流流動，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)。

◆膜外氣液相主體中，流體流動非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)阻力可以忽略不計，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性3）雙第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性4）傳質(zhì)速率方程二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論CIPIN氧，GN氧，LNO2N氧，G=kG(p-pI)N氧，L=kL(CI-C)NO2=KG(p-p*)或NO2=KL(C*-C)2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性4）傳第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性4）傳質(zhì)速率方程二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論穩(wěn)態(tài)下：N氧，G==N氧，L==？？NO2CI=pI.HC=p*.HNO2=KL(C*-C)KL=kL氧氣難溶2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性4）傳第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性氧的傳遞速率總方程式OTR=KLα（cL*-cL）式中：OTR---單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率，[mol/m3·s]；KL---以濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s)α–比表面積（m2/m3)KL---以濃度差為推動力的體積傳遞系數(shù)，（s-1）；cL---溶液中氧的實際濃度，（mol/m3）；cL*---與氣相中氧分壓p平衡時溶液中氧濃度，（mol/m3）；二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性氧的傳第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論式中：Ro2---氧的消耗速率，[mol/m3·s]；cx–細(xì)胞質(zhì)量濃度（m2/m3)qo2---氧消耗比速率，（s-1）；5)氧傳遞對細(xì)胞生長影響2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論式中：Ko2---氧的飽和系數(shù)ro2,max–氧的最大呼吸速率Da---氧傳遞的Damkohler數(shù)；若細(xì)胞生長符合Monod方程，在穩(wěn)態(tài)下，若定義2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論6）最低溶氧濃度(最低通氣條件)2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣-液傳質(zhì)過程的基本定理及雙膜理論7）影響氧傳質(zhì)速率的因素:氣液比表面積氧的傳質(zhì)系數(shù)氧在培養(yǎng)基中的溶解度體積傳質(zhì)系數(shù)kLa8）體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的測定2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.4氧的傳遞反應(yīng)特性二、氣第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.5機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與計算一、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.5機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.5機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與計算1、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)筒體攪拌裝置換熱裝置擋板消泡器電動機(jī)與變速裝置空氣分布器各種管道接口2023/7/27第5章間歇式操作反應(yīng)器>>5.5機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與第5章間歇式操作反應(yīng)器>>

5.5機(jī)械攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與計算2、反應(yīng)器的操作參數(shù)已趨于標(biāo)準(zhǔn)化H/D=1.7-3d/D=1/2-1/3W/D=1/8-1/12B/D=0.8-1.0s/d=1~2.52023/7/27第5章間