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，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，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態(tài)關(guān)系化學(xué)反應(yīng)對傳質(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更低。即在1m3培養(yǎng)液中每小時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，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)濃度分布不隨時間而變在氣液界面上，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，液相中界面附近A的濃度分布隨時間變化，處于非定常態(tài)。對A作微分物料衡算（Fick第二定律）4表面更新理論但對于通氣攪拌罐，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間的函數(shù)，故，一般大約在分批培養(yǎng)的對數(shù)生長期的后期達(dá)到最大，此時在分批培養(yǎng)中，在對數(shù)生長期具有最大值，因為氧氣在微生物反應(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對氧的需求。所以6.2.4化學(xué)反應(yīng)對傳質(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)推動力和體積氧傳質(zhì)系數(shù)。增加氧的傳質(zhì)推動力[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，增加通氣量，氣體線速度增加，有利于對流的產(chǎn)生，使液膜厚度減小，故增加了KL，對于鼓泡式反應(yīng)器，但如通氣過大，會發(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)計的空氣分布器、空氣流動速率、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速率為Fa,氣泡在發(fā)酵罐中停留時間為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，同時也影響了液體的物理參數(shù)。當(dāng)溫度升高時，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)：對于絲狀菌，當(dāng)菌體濃度增加時，會使下降，同時菌體的形態(tài)對有著明顯的影響。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，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，能使液膜傳質(zhì)系數(shù)KL劇烈下降。據(jù)報道，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，會使KLa

下降。有些酮、醇、脂等會提高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，對溶氧有一定影響。一般，當(dāng)H/D=2.5時，用多組攪拌器可提高KLa10%，當(dāng)H/D=4時，采用較大空氣流速和較大功率時，多組攪拌槳可提高KLa25%，但當(dāng)攪拌器之間位置不恰當(dāng)時，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?，以防止攪拌漿運轉(zhuǎn)時產(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，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，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，KLa可增加40%，由2增加到3時，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)實驗測定：亞硫酸鈉氧化法、動態(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、動態(tài)法在分批培養(yǎng)過程中對反應(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，KLa為一常數(shù)，此時以作圖，得一直線。但耗氧速率rO2為一變量，在對數(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，此時電流計的指示值為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)均不隨時間而變，則傳氧速率＝耗氧速率，即單位時間內(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)出口氣體的絕對溫度，KR為氣體常數(shù)，8.314J/(Kmol)VR

為發(fā)酵液體積，m3對于小型罐，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[DO]的影響，當(dāng)罐體很高時，必須考慮靜壓頭的影響，濃度差應(yīng)為對數(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