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1、生化反应器的传递过程演示文稿第一页，共五十三页。生化反应器的传递过程第二页，共五十三页。流变特性流变特性: :指流体混合时的流动特性。生化反指流体混合时的流动特性。生化反应器中生物介质应器中生物介质( (发酵液发酵液) )的流变特性将影响其混的流变特性将影响其混合的程度、传质和传热的速率。合的程度、传质和传热的速率。6.1 6.1 生物介质的流变特性生物介质的流变特性 第三页，共五十三页。生物介质是由液相和固相生物介质是由液相和固相( (细胞及不溶性组分细胞及不溶性组分) )构成的多相体系，对细菌或酵母发酵液，一般说构成的多相体系，对细菌或酵母发酵液，一般说来来粘度较低粘度较低，流动性好，热量
2、质量传递速率较快，流动性好，热量质量传递速率较快 而而用用特特殊殊的的培培养养技技术术得得到到的的高高浓浓度度细细胞胞发发酵酵液液，因因粘粘度度的的增增加加而而造造成成热热量量、质质量量传传递递困困难难。如如多多种种抗抗生生素素、有有机机酸酸等等发发酵酵产产品品生生产产中中，由由于于发发酵酵液液中中有有大大量量菌菌丝丝体体或或菌菌球球的的存存在在，使使其其粘粘度度增增加加，呈呈现现非非牛牛顿顿流流动动特特性性。这这些些流流体体流流动动性性差差，易易使使混合不充分，传热和传质产生困难。混合不充分，传热和传质产生困难。第四页，共五十三页。一、一、流变模型流变模型 流变模型流变模型: :能反映流体流
3、动特性的模型。流体能反映流体流动特性的模型。流体的流动特性常用剪应力与速度梯度的关系来表示的流动特性常用剪应力与速度梯度的关系来表示和区分。和区分。剪应力剪应力: :单位流体面积上的剪切力或内摩擦力单位流体面积上的剪切力或内摩擦力(F(FA)A)速度梯度：速度梯度：第五页，共五十三页。(1)(1)牛牛顿顿型型流流体体：剪剪应应力力与与速速度度梯度成正比的流体梯度成正比的流体 为流体的粘度，为流体的粘度， 为切变率。为切变率。流流动动服服从从牛牛顿顿粘粘性性定定律律的的流流体体称称为为牛牛顿顿流流体体，具具有有确确定定的的粘粘度度值值，气气体体、低低分分子子的的液液体体常常为为牛牛顿型流体。顿型
4、流体。第六页，共五十三页。（）非牛顿流体：（）非牛顿流体：不满足牛顿粘性定律的不满足牛顿粘性定律的流体为，其剪应力与切变率之比不是常数，流体为，其剪应力与切变率之比不是常数，因而因而没有确定的粘度值没有确定的粘度值。宾汉塑性流体宾汉塑性流体拟塑性流体拟塑性流体涨塑性流体涨塑性流体凯松流体凯松流体表观粘度表观粘度是指剪应力与切变率之比。是指剪应力与切变率之比。第七页，共五十三页。宾汉宾汉(Bingham)(Bingham)塑性流体塑性流体: :它的流动特性可用它的流动特性可用下式表示：下式表示： 屈服应力屈服应力 刚度系数刚度系数 特特点点：当当剪剪应应力力小小于于屈屈服服应应力力时时，流流体体
5、不不发发生生流流动动，当当剪剪应力超过屈服应力时流体才发生流动。应力超过屈服应力时流体才发生流动。如如黑黑曲曲霉霉、产产黄黄青青霉霉和和灰灰色色链链霉霉菌菌等等丝丝状状菌菌发发酵酵液液及生活用品如牙膏，肥皂等及生活用品如牙膏，肥皂等第八页，共五十三页。拟（假）塑性流体拟（假）塑性流体：流动特性可用下式表示流动特性可用下式表示流动特性指数流动特性指数n1涨塑性流体涨塑性流体n值越大，流体的非牛顿特性越明显，淀粉、值越大，流体的非牛顿特性越明显，淀粉、玉米粉、糖玉米粉、糖溶液、部分中药提取液溶液、部分中药提取液属于这种流动特性，发酵液中属于这种流动特性，发酵液中较少见。较少见。第十页，共五十三页。
6、凯松凯松(Casson)(Casson)流体：流体：流体模型为流体模型为 凯松粘度凯松粘度 属于此类流体有血液、熔化的巧克力等。属于此类流体有血液、熔化的巧克力等。 屈服应力屈服应力 第十一页，共五十三页。流体的流变特性的通式流体的流变特性的通式-幂定律方程幂定律方程 很多发酵液属于非牛顿流体，宾汉流体、拟塑性流体很多发酵液属于非牛顿流体，宾汉流体、拟塑性流体和凯松流体的表观粘度随切变率的增大而减小，涨塑和凯松流体的表观粘度随切变率的增大而减小，涨塑性流体的表观粘度则随切变率的增大而增大。性流体的表观粘度则随切变率的增大而增大。第十二页，共五十三页。剪应力与切变率的关系剪应力与切变率的关系第十
7、三页，共五十三页。二、二、 影响生物介质流变特性的因素影响生物介质流变特性的因素 生物介质流变特性主要取决于固相（细胞等）的浓度生物介质流变特性主要取决于固相（细胞等）的浓度和其形态，对发酵液而言，其组成复杂，但大部分是水，和其形态，对发酵液而言，其组成复杂，但大部分是水，溶解于水的各种营养成分、细胞的代谢产物、大量细胞溶解于水的各种营养成分、细胞的代谢产物、大量细胞和构成发酵介质的不溶性固相物质，发酵介质中液相部和构成发酵介质的不溶性固相物质，发酵介质中液相部分粘度很低，但随着细胞浓度的增加，发酵介质的粘度分粘度很低，但随着细胞浓度的增加，发酵介质的粘度也增大。也增大。细胞的细胞的浓度、形态
8、、多糖和胞外蛋白质的代谢产物浓度、形态、多糖和胞外蛋白质的代谢产物等都会影响发酵介质的流动特性等都会影响发酵介质的流动特性第十四页，共五十三页。右图是酵母培右图是酵母培养液的粘度与细养液的粘度与细胞浓度的关系，胞浓度的关系，随着细胞浓度的随着细胞浓度的提高，发酵介质提高，发酵介质的粘度也相应增的粘度也相应增大。大。第十五页，共五十三页。当当发发酵酵介介质质中中细细胞胞浓浓度度较较低低，且且其其形形态态为为球球形形时时，通通常常为为牛牛顿顿型型流流体体。此此时时流流体体的的粘粘度度可用可用EinsteinEinstein式进行计算：式进行计算：发酵液粘度发酵液粘度 液相粘度液相粘度 颗粒的体积分
9、率颗粒的体积分率细细胞胞浓浓度度的的体体积积分分率率大大于于40%40%， VandVand提提出出下下述述关系式：关系式：第十六页，共五十三页。当当发发酵酵介介质质的的粘粘度度与与细细胞胞浓浓度度的的关关系系明明确确时时，可可通通过过测定发酵介质的粘度来确定细胞的浓度。测定发酵介质的粘度来确定细胞的浓度。细细胞胞的的形形态态影影响响：对对具具有有拟拟塑塑性性的的高高分分子子溶溶液液和和丝丝状状菌菌悬悬浮浮液液，当当切切变变率率低低时时，由由于于分分枝枝的的链链状状分分子子或或菌菌丝丝体体互互相相牵牵制制，表表观观粘粘度度较较高高。随随切切变变率率的的增增大大，表表观观粘度下降，这是由于菌丝体
10、被拉直、甚至发生分裂。粘度下降，这是由于菌丝体被拉直、甚至发生分裂。胞胞外外产产物物影影响响发发酵酵介介质质流流变变特特性性：对对于于一一些些多多糖糖发发酵酵体体系系，随随着着多多糖糖浓浓度度的的增增加加，发发酵酵介介质质表表观观粘粘度度大大大大增加。增加。第十七页，共五十三页。在细胞反应过程中，大都采用深层培养的方在细胞反应过程中，大都采用深层培养的方法大量生产细胞及有用的代谢产物。对需氧法大量生产细胞及有用的代谢产物。对需氧的细胞反应，常需要向培养基中供氧，以满的细胞反应，常需要向培养基中供氧，以满足细胞生长代谢的需要。对大规模生产的细足细胞生长代谢的需要。对大规模生产的细胞反应器，则需要
11、通入无菌压缩空气并同时胞反应器，则需要通入无菌压缩空气并同时进行搅拌的方式，以满足供氧的需要。进行搅拌的方式，以满足供氧的需要。 6.2 6.2 氧的传质反应模型氧的传质反应模型第十八页，共五十三页。对对于于需需氧氧的的细细胞胞反反应应，氧氧气气首首先先要要从从气气相相通通过过扩扩散散进进入入液液相相，然然后后在在液液相相中中扩扩散散进进入入细细胞胞的的内内部部进进行行呼呼吸吸反反应应。下图为氧从气泡传递到细胞内部的示意图。下图为氧从气泡传递到细胞内部的示意图。第十九页，共五十三页。氧在传递过程中有以下传递阻力：氧在传递过程中有以下传递阻力：氧从气相主体扩散到气一液界面的阻力氧从气相主体扩散到
12、气一液界面的阻力R R1 1；通过气一液界面的阻力通过气一液界面的阻力R R2 2；通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力R R3 3；液相主体中的传递阻力液相主体中的传递阻力R R4 4；通通过过细细胞胞或或细细胞胞团团外外的的滞滞流流液液膜膜，到到达达细细胞胞团与液体界面的阻力团与液体界面的阻力R R5 5；第二十页，共五十三页。通过液体与细胞团之间界面的阻力通过液体与细胞团之间界面的阻力R R6 6；细细胞胞团团内内在在细细胞胞与与细细胞胞之之间间的的介介质质中中的的扩扩散阻力散阻力R R7 7；进入细胞的阻力进入细胞的阻力R R8 8。项项
13、属属供供氧氧方方面面的的阻阻力力；项项为为耗耗氧氧方面的阻力。方面的阻力。当当单单个个细细胞胞以以游游离离状状态态悬悬浮浮于于液液体体中中时时第第项阻力可忽略。项阻力可忽略。第二十一页，共五十三页。下下图图表表示示了了氧氧在在三三相相过过程程中中的的浓浓度度(C(C0 0) )分分布布，并表示了各步骤的传质系数和膜的厚度。并表示了各步骤的传质系数和膜的厚度。第二十二页，共五十三页。从图可以看出，影响氧的传质系数的参数从图可以看出，影响氧的传质系数的参数有气有气一液相界面上的气膜传质系数一液相界面上的气膜传质系数k kG G和和液膜传质系液膜传质系数数k kL L及及固一液界面上的液膜传质系数固
14、一液界面上的液膜传质系数k kL2L2和在和在固相内部的传质速率固相内部的传质速率。第二十三页，共五十三页。氧氧在在进进行行传传递递时时，其其总总推推动动力力就就是是气气相相与与细细胞胞内内氧氧分分压压之之差差。这这总总推推动动力力克克服服从从气气相相到到细细胞胞内内的的各各项项串串联联的的传传递递阻阻力力。当当氧氧的的传传递递达达到到稳稳态态时时，总总的的传传递递速速率率与与串串联联的的各各步步传传递递速速率率相相等等，这时通过单位面积的传递速率为：这时通过单位面积的传递速率为：第二十四页，共五十三页。在气液传质过程中，一般认为气液界面和液相主体的在气液传质过程中，一般认为气液界面和液相主体
15、的传质阻力很小。主要阻力来自于气膜和液膜。当气液传传质阻力很小。主要阻力来自于气膜和液膜。当气液传质过程处于稳定时，通过气膜和液膜的传质速率应相等。质过程处于稳定时，通过气膜和液膜的传质速率应相等。即符合下述关系即符合下述关系： 一、气液相间氧的传质与反应（气液反应一、气液相间氧的传质与反应（气液反应宏观动力学）宏观动力学）k kG G为气膜传质系数为气膜传质系数k kL L为液膜传质系数为液膜传质系数气膜液膜pCLpiCi第二十五页，共五十三页。则各项阻力之间有：则各项阻力之间有：对于难溶的氧气对于难溶的氧气 若定义若定义K KG G为以氧分压为推动力的总传质系数；为以氧分压为推动力的总传质
16、系数；K KL L为以氧浓度为推动力的总传质系数为以氧浓度为推动力的总传质系数第二十六页，共五十三页。氧的气液传质速率方程可表示为：氧的气液传质速率方程可表示为： 为与气相分压相平衡的液相氧浓度为与气相分压相平衡的液相氧浓度,mol/m3 为液相主体氧浓度为液相主体氧浓度 , mol/m3 为比表面积，为比表面积，m2/m3 为体积传质系数，为体积传质系数，S-1。 单位体积培养液中氧的传质速率，单位体积培养液中氧的传质速率，mol(m3s)； 第二十七页，共五十三页。如果在某一需氧的细胞反应过程中，生物如果在某一需氧的细胞反应过程中，生物体为体为单细胞单细胞，其大小可能仅为几微米，而液膜，其大小可能仅为几微米，而液膜厚度可能为几十微米，此时在液膜内就包含着细厚度可能为几十微米，此时在液膜内就包含着细胞，细胞有可能被吸附在气液界面上，此时图中，胞，细胞有可能被吸附在气液界面上，此时图中，、各项阻力均可忽略不计各项阻力均可忽略不计。氧可被认为一面溶解于液相，一面消耗于反氧可被认为一面溶解于液相，一面消耗于反应，反应体系可做拟均相处理。应，反应体系可做拟均相处理。 第二十八页，共五十三页。
