第六章 反應(yīng)器傳遞性能

第六章生物反應(yīng)器的傳遞反應(yīng)流體的流變與剪切特性生物反應(yīng)過程中氧的傳遞6.1反應(yīng)流體的流變與剪切特性流體的流變模型影響發(fā)酵液流變特性的因素6.1.1流變模型采用流體的外加剪應(yīng)力與所產(chǎn)生的相應(yīng)的剪切速率（切變率）之間的關(guān)系來表示。

牛頓型流體：擬塑性流體：，漲塑性流體：n>1賓漢塑性流體：凱松流體：6.1.2影響發(fā)酵液流變特性的因素主要取決于細(xì)胞濃度和形態(tài)，當(dāng)細(xì)胞為球形時(shí)，有下式成立

此式適合物體積分?jǐn)?shù)<14%的發(fā)酵液，當(dāng)細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)>40%時(shí)，此外影響發(fā)酵液流變特性的因素還有胞外產(chǎn)物（如黃原膠）及高分子底物（如淀粉）

6.2微生物對(duì)氧的利用氧在氣液相間的傳質(zhì)耗氧速率微生物反應(yīng)過程中耗氧與供氧的動(dòng)態(tài)關(guān)系化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響影響氧傳遞的因素體積氧傳質(zhì)系數(shù)

好氧發(fā)酵中，氧是一種難溶于水的氣體，在25℃和1atm下，空氣中氧在純水的的溶解度僅為0.25mol/m3，而培養(yǎng)基中含有大量的有機(jī)物和無機(jī)鹽，因而氧在液相中的溶解度會(huì)更低。即在1m3培養(yǎng)液中每小時(shí)需要的氧是溶氧量的750倍，若中止供氧，幾秒鐘內(nèi)，菌體將會(huì)把溶解氧耗盡。因而在生化反應(yīng)過程中有效而經(jīng)濟(jì)地供氧是極為重要的。

而微生物對(duì)氧的利用率，取決于發(fā)酵液中氧的溶解度和氧的傳遞速率。因而，從氣相到液相的氧的傳遞速率成為生物反應(yīng)的限制性因素。發(fā)酵過程中，有的微生物是以菌絲團(tuán)的形式生長繁殖，此時(shí)底物必須通過擴(kuò)散進(jìn)入菌絲團(tuán)內(nèi)，而底物的擴(kuò)散和利用是同步進(jìn)行的，菌絲團(tuán)內(nèi)的底物濃度低于發(fā)酵液主體，且當(dāng)反應(yīng)速率與底物的濃度成正比時(shí)，產(chǎn)物的生成速率與菌體的生長速率均低于懸浮的單一細(xì)胞的相應(yīng)速率。6.2.1氧在氣液相間的傳質(zhì)速率氧氣在氣液相間的傳質(zhì)阻力雙膜理論滲透理論表面更新理論氧傳質(zhì)速率的表達(dá)1、氧在氣液相間的傳質(zhì)阻力氧氣由氣相主體擴(kuò)散擴(kuò)散到氣液界面的阻力R1通過氣液界面的阻力R2通過氣泡外液膜到達(dá)液相主體的阻力R3

氧是難溶于水的，因而很容易成為反應(yīng)的限制因素。微生物對(duì)氧的利用取決于發(fā)酵液中氧的溶解度與氧的傳質(zhì)速率。因而從氣相到液相氧的傳遞就成為微生物反應(yīng)的限制因素。δL2、雙膜理論被吸收氣體在氣相和液相主體內(nèi)沒有傳質(zhì)阻力，濃度均勻，在氣液界面兩側(cè)分別存在氣膜和液膜傳質(zhì)阻力全部集中在兩膜內(nèi)，且在膜內(nèi)依靠分子擴(kuò)散進(jìn)行，可用Fick第一定律描述被吸收氣體在兩膜內(nèi)濃度分布不隨時(shí)間而變?cè)跉庖航缑嫔?，氣相中被吸收氣體的分壓與液相中濃度始終處于平衡狀態(tài)，界面上完全沒有傳質(zhì)阻力氣相主體PP*[DO]*[DO]液相主體δL3滲透理論（氣體吸收的非定常態(tài)模型）是針對(duì)非定常態(tài)下非湍流液體的氣體吸收情況提出來的。當(dāng)含有某種氣體A的氣相與某種液相接觸時(shí)，液相中界面附近A的濃度分布隨時(shí)間變化，處于非定常態(tài)。對(duì)A作微分物料衡算（Fick第二定律）4表面更新理論但對(duì)于通氣攪拌罐，傳質(zhì)面積即氣液界面面積無法確定，因而通常以單位體積的發(fā)酵液具有的氣液界面面積為基準(zhǔn)時(shí)間討論即：5、氧傳質(zhì)速率的表達(dá)6.2.2耗氧速率微生物的耗氧速率微生物的比耗氧速率與菌體濃度均是時(shí)間的函數(shù)，故，一般大約在分批培養(yǎng)的對(duì)數(shù)生長期的后期達(dá)到最大，此時(shí)在分批培養(yǎng)中，在對(duì)數(shù)生長期具有最大值，因?yàn)檠鯕庠谖⑸锓磻?yīng)中是作為呼吸的最終電子受體，起反應(yīng)的是細(xì)胞色素氧化酶，故有下式成立從上式中可以看出，比耗氧速率與溶氧濃度之間滿足雙曲函數(shù)關(guān)系，并且存在臨界溶氧濃度[DO]c，[DO]c=0.003-0.05mmol/L，相當(dāng)于1%~25%的空氣飽和溶氧值。6.2.3耗氧與供氧的動(dòng)態(tài)關(guān)系細(xì)胞反應(yīng)過程中的[DO]，不僅與耗氧速率有關(guān)，還與傳氧速率有關(guān)，在分批培養(yǎng)中，對(duì)氧的物料衡算式為：在分批培養(yǎng)中，所需最小的KLa為維持[DO]為[DO]c，并且能夠滿足微生物最大耗氧速率時(shí)對(duì)氧的需求。所以6.2.4化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響增強(qiáng)因子E：八田數(shù)Ha:6.2.4影響氧傳遞的因素由氧的傳質(zhì)速率知影響氧傳遞的因素分別為傳質(zhì)推動(dòng)力和體積氧傳質(zhì)系數(shù)。增加氧的傳質(zhì)推動(dòng)力[DO]*-[DO]，在工業(yè)上不經(jīng)濟(jì)。提高體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLa

則較容易。影響體積氧傳質(zhì)系數(shù)的因素操作變量：發(fā)酵液的理化性質(zhì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)操作變量通風(fēng)量Q：根據(jù)雙膜理論，當(dāng)通氣量較小時(shí)，增加通氣量，氣體線速度增加，有利于對(duì)流的產(chǎn)生，使液膜厚度減小，故增加了KL，對(duì)于鼓泡式反應(yīng)器，但如通氣過大，會(huì)發(fā)生過載現(xiàn)象，即攪拌器不能有效地將氣體打碎為小氣泡并分散到液體中去，而是形成大氣泡并在攪拌軸周圍逸出。實(shí)際中往往采用低通風(fēng)量和高轉(zhuǎn)數(shù)的操作條件，以有利于氣液流體的分散和傳遞。對(duì)于氣體攪拌式反應(yīng)器，如鼓泡式和氣升式反應(yīng)器，通氣的作用既為細(xì)胞反應(yīng)提供所需的氧，又為增強(qiáng)流體的混合，因此氣液傳遞系數(shù)與反應(yīng)器內(nèi)氣泡大小有關(guān)，而后者又與氣速有關(guān)。

而a的大小取決于所設(shè)計(jì)的空氣分布器、空氣流動(dòng)速率、反應(yīng)器體積、氣泡直徑等因素，如果由空氣分布出口流出的空氣流動(dòng)速率為Fa,氣泡在發(fā)酵罐中停留時(shí)間為t，氣泡平均直徑為dB，則a可用下式來表示：溫度：溫度的高低改變了氧的溶解度，同時(shí)也影響了液體的物理參數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，降低了發(fā)酵液的粘度與液體的表面張力，增加了氧在液相中的分子擴(kuò)散系數(shù)，有利于提高溶氧速率。研究表明，常溫下利用活性污泥法處理廢水時(shí)提高溫度可以增加KLa值。在嗜熱脂肪芽孢桿菌的培養(yǎng)過程中，溫度由45℃提高到65℃，KLa增加了20%罐壓高低或液柱的高低，都會(huì)影響到溶解速率，通用式發(fā)酵罐中，通風(fēng)量恒定，溶氧速率隨壓力的增加而增加，同時(shí)KLa也隨壓力的增加而增大發(fā)酵液的理化性質(zhì)細(xì)胞濃度。微生物不僅因反應(yīng)對(duì)氣體吸收有影響，而且微生物作為懸浮的微小顆粒，在物理上也影響氣體吸收。根據(jù)死菌體懸浮培養(yǎng)液測KLa結(jié)果知：無論是酵母還是放線菌，KLa總是隨菌體濃度的增加而減小。細(xì)胞形態(tài)：對(duì)于絲狀菌，當(dāng)菌體濃度增加時(shí)，會(huì)使下降，同時(shí)菌體的形態(tài)對(duì)有著明顯的影響。在Na2SO3

水溶液中添加1.35%的死體，KLa下降50%，當(dāng)黑曲霉?jié)舛冗_(dá)到2%（干重）時(shí)，KLa下降80%。鹽類：培養(yǎng)基中含有多種鹽類，其離子強(qiáng)度約為0.2~0.5mol/L。離子強(qiáng)度增大，使打碎的氣泡難以合并，因而增加了a，此外，離子強(qiáng)度增加，使氣體在液相中的滯留量有增加的趨勢。如I＝0.4mol/L，會(huì)強(qiáng)烈抑制氣泡合并，氣泡直徑減小，氣含率增加。此外，KLa

隨離子強(qiáng)度增加的程度與通風(fēng)攪拌消耗的功率的增加而增加，有時(shí)可達(dá)純水的5－6倍。表面活性劑：適量的表面活性劑使液體的表面張力下降，使a增加，但當(dāng)表面活性劑在相界面上聚積超過一定濃度時(shí)，能使液膜傳質(zhì)系數(shù)KL劇烈下降。據(jù)報(bào)道，鼓泡通氣條件下，水中加硫酸月桂基鈉（SLS）10ppm,KLa下降了45%，而在渦輪攪拌罐中添加4ppm，KLa凈增15%。此外，發(fā)酵液中的有機(jī)物，有的是培養(yǎng)基中的一部分，有的是菌體的代謝產(chǎn)物，特別是代謝產(chǎn)物能使發(fā)酵液粘度增加的，如多糖黃原膠，會(huì)使KLa

下降。有些酮、醇、脂等會(huì)提高KLa.反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)攪拌漿：首先是將氣泡打碎，增加氣液接觸面積，同時(shí)使反應(yīng)器內(nèi)液體呈湍流狀態(tài)，減小了氣泡外液膜厚度，同時(shí)使反應(yīng)液各成分分布均勻。此外，攪拌槳的組數(shù)的間距，對(duì)溶氧有一定影響。一般，當(dāng)H/D=2.5時(shí)，用多組攪拌器可提高KLa10%，當(dāng)H/D=4時(shí)，采用較大空氣流速和較大功率時(shí)，多組攪拌槳可提高KLa25%，但當(dāng)攪拌器之間位置不恰當(dāng)時(shí)，液體的流型和空氣分布將發(fā)生改變，引起KLa大幅下降擋板：使由攪拌漿產(chǎn)生的原生流轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊?，以防止攪拌漿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生漩渦而使氣體外逸。一般要求達(dá)到全擋板條件：即攪拌罐中增加擋板或其他附件時(shí)，攪拌功率不再增加，而旋渦消失。高徑比：當(dāng)空氣流量和單位體積功率不變時(shí)，通氣效率隨高徑比的增加而增加。當(dāng)反應(yīng)器高徑比由1增加到2時(shí)，KLa可增加40%，由2增加到3時(shí)，KLa增加20%，因此人們傾向于采用高徑比較大的發(fā)酵罐。6.2.5體積氧傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)測定：亞硫酸鈉氧化法、動(dòng)態(tài)法、物料平衡法、葡萄糖氧化法提高體積氧傳質(zhì)系數(shù)的手段1、亞硫酸鈉氧化法以Cu2+

作為催化劑，在一定濃度的亞硫酸鈉溶液中，發(fā)生反應(yīng)，此體系的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于氧的傳質(zhì)速率，因此整個(gè)反應(yīng)取決于氧的傳質(zhì)，且[DO]=0，即

在亞硫酸鈉的體系中，[DO]*=0.21mmol/L，

體系中亞硫酸鈉的濃度用碘量法測定，其原理為剩余的碘用標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉滴定：假定滴定過程中所取的過量的碘為A，硫代硫酸鈉的濃度為N，滴定時(shí)耗用體積為V，所取亞硫酸鈉樣液體積為m,

在反應(yīng)過程中用硫代硫酸鈉滴定的碘為：，則被亞硫酸鈉消耗的碘為，因此可得樣液中亞硫酸鈉的真實(shí)濃度為，則

由此可知在用碘量法測定過程中，氧化劑碘的量是不需要準(zhǔn)確知道的。2、動(dòng)態(tài)法在分批培養(yǎng)過程中對(duì)反應(yīng)液中的氧的物料衡算式為：輸入＝輸出+消耗+累積，假定排氣中無氧氣存在，則，重排后為

當(dāng)操作條件不變時(shí)，KLa為一常數(shù)，此時(shí)以作圖，得一直線。但耗氧速率rO2為一變量，在對(duì)數(shù)生長期，

溶氧電極的工作原理溶氧電極本質(zhì)上是一原電池，是一種電解電池。其中陰極是銀絲做成的，陽極是鉛皮卷成的。這對(duì)電極裝置在兩端開口的細(xì)長套管中，在靠近陰極的底端用一種耐熱的，只允許溶氧通過而不透過水及離子的聚四氯乙烯膜覆蓋，形成一個(gè)有一定容積的電池。電池內(nèi)加入數(shù)毫升電解質(zhì)溶液（5mol/LHAC+0.5mol/LNaAC+0.1mol/LPbAC2).兩極之間的電位差，使陽極的Pb氧化成Pb+2進(jìn)入電解質(zhì)溶液，同時(shí)釋放出的電子沿導(dǎo)線流向陰極，把透過半透性膜進(jìn)入電池的溶氧立即還原成OH－1，因內(nèi)液中的溶氧濃度為0，所以電極產(chǎn)生的電流強(qiáng)度正比于測量液體中的溶氧濃度。溶氧電極的用法溶氧電極用前要進(jìn)行標(biāo)定。上罐前應(yīng)將溶氧電極放入新配的Na2SO3溶液中，攪拌，此時(shí)電流計(jì)的指示值為0，定為溶氧值為0%，然后用水沖冼電極，放入罐中，通氣攪拌，直到電流響應(yīng)值達(dá)到飽和，定為溶氧值為100%。電極使用后，應(yīng)在新配的Na2SO3中使電池中的溶氧為0.同于膜的透氧速率受溫度、壓力的影響，可以做成自動(dòng)溫度補(bǔ)償式或壓力補(bǔ)償型。一般，溶氧電極能夠耐受的滅菌次數(shù)為50次。3、物料衡算法若反應(yīng)器為連續(xù)操作，氣液兩相達(dá)到完全混合，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)，狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間而變，則傳氧速率＝耗氧速率，即單位時(shí)間內(nèi)氧的消耗速率應(yīng)等于同期進(jìn)出口的氧量之差，即f為進(jìn)出口氣體體積流量，m3/s;P為進(jìn)出口氣體壓力，Pa;y為進(jìn)出口氣體中氧氣的摩爾分率；T為進(jìn)出口氣體的絕對(duì)溫度，KR為氣體常數(shù)，8.314J/(Kmol)VR

為發(fā)酵液體積，m3對(duì)于小型罐，可用溶氧電極直接測得[DO]，并由氣相中氧的分壓求得[DO]*，不必考慮靜壓頭對(duì)[DO]的影響，當(dāng)罐體很高時(shí)，必須考慮靜壓頭的影響，濃度差應(yīng)為對(duì)數(shù)平均值。4葡萄糖氧化法是在有氧條件下，利用葡萄糖氧化酶的催化作用，通過葡萄糖氧化成葡萄糖酸，測定體積氧傳質(zhì)速率的方法。利用一定濃度的氫氧化鈉溶液滴定一定量的反應(yīng)液至中性，由氫氧化鈉的消耗量求得