第6章生物反应器中的传质过程

丝状菌发酵
高黏度培养液的表观黏度随剪切速率的不同 而变化。 ➢ 搅拌桨附近，剪切速率大，培养液黏度低； ➢ 反应器壁面附近，剪切速率小，培养液黏度 高，流动率较小。
6-1-2 发酵液的流变学特性
丝状菌培养液
➢非牛顿型流体特性； 一般呈假塑性流体、胀塑性流体等非牛顿型流体特性。
➢牛顿型流体特性； 细胞间形成网状结构，菌团在剪切速率下碎成小片，再絮集再
6-1-3 生物反应器中的传递过程
氧的溶解度
➢ 氧是一种难溶气体。 ➢ 在25℃和1×106Pa时，空气中的氧在纯水中 的溶解度仅为0.25mol/m3左右。 ➢ 培养基中含有大量有机物和无机盐，实际氧 在液相中的溶解度就更低。
6-1-3 生物反应器中的传递过程
菌体需氧量
当菌体浓度为1015个/m3，每个菌体体积（含水量80%） 为10-16m3(直径5.8μm)，细 胞呼 吸强度 为2.6×10-3mol 氧 /(kg细胞·s)，菌体密度为1000[kg/m3]，则每立方米培养基的 需氧量为：
a K n1
K n , n 1 随剪切率的增加而增加 a K n1
示
例
气体、水、低分子量 液体,低分子化合物的 水溶液
大多数微生物培养液， 淀粉悬浮，纸浆，油 漆
玉米粉和糖溶液，淀 粉，流沙等
平汉塑型 0 K p a 0 / K p
纸浆，牙膏，油，巧 克力及一些发酵液等
生物反应工程原理
第六章 生物反应器中的传质过程
6 生物反应器中的传质过程
1.生物反应体系中的传质现象 2.体积传质系数的测定 3.影响体积传质系数的主要因素 4.发酵体系中的氧传递模型 5.溶氧方程与溶氧速率的调节
学习目的： 了解生物反应体系中的流变学特性与质量传递过程。
掌握体积溶氧系数的测定方法、影响体积溶氧系数的主要 因素和评价高效生物反应器主要指标。
打碎，溶液呈牛顿型流体特性。 ➢流动特性随时间的变化而变化。
例如：链霉素发酵， ➢前24h培养液为胀塑性流体； ➢ 48h及96h呈牛顿型流体特性； ➢ 120h呈假塑性流体的特性。
6-1-2 发酵液的流变学特性
微小颗粒悬浮液的黏度是多种因素的函数
➢细胞颗粒浓度； ➢颗粒的形状、大小； ➢颗粒的变形度、表面特征等。
➢微生物的生命活动 引起发酵液物理性质 的变化。如黏度、表 面张力和离子强度。
2-3-61-1固-定1 流化体酶促的流反变应动学力特性学基础
➢流变学特性：液体在外加剪切力 作用下所产生的流变特性， 简称流变特性。 ➢外加剪切力的作用会产生相应的剪切速率（即速度梯度或 切变率，N/m2或Pa）。
➢两者之间的关系为该流体在给定温度和压力下的流变特性：
6 生物反应器中的传质过程
6-1 生物反应体系中的传质现象
6-1-1 流体的流变学特性
本
6-1-2 发酵液的流变学特性
节 内
6-1-3 生物反应器中的传递过程 容
6-1-4 氧传递理论概述
6-2 体积传质系数的测定
6-3 影响体积传质系数的主要因素
6-4 发酵体系中的氧传递模型
6-5 溶氧方程与溶氧速率的调节
6-1 生物反应体系中的传质现象
➢生物反应器是生物技术开发中的 关键性设备，生物技术成果需要生 物反应器才能转化为产品。工业生 物过程的成功，依赖于生物反应器 的效率。
➢生物反应器的设计必须明确目的反应的变化规律 和速率变化。
6-1 生物反应体系中的传质现象
图1 黏度对不同过程的影响
➢黏度的改变会影响 液体的湍流性、界面 张力或液膜阻力等。
➢牛顿型流体，n=1，K=。 ➢非牛顿型流体，将/定名为表观黏度。给定流 体的表观黏度是剪切速率的函数。
6-1-1 流体的流变学特性
类别 牛顿型
假塑型 (幂律)
膨胀型 (幂律)
表1 与时间无关的纯黏性流体的流变特性
流变性方程
表观黏度a 恒定不变 a
K n ,0 n 1 随剪切率的增加而减少
根据Weisz的观点：西勒准数为1，且无任何扩散 限制时，细胞和其它成分的生物催化反应以最大反应 速率而进行，但事实上达不到。
6-1-3 生物反应器中的传递过程
生物反应过程
➢基质的传质速率低于生物催化剂的反应速率时，生物催化 剂的催化效率受到基质传递速率的限制。 ➢可提高限制性基质的传递速率来改善产物的生成速率。例 如单细胞蛋白（SCP）和多糖的发酵。
f ( )
（1）
➢上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。
2-3-61-固1-定1 化流酶体促的反流应变动学力特学性基础
➢ 多种经验方程描述非牛顿流体的流变特性。 最简
单的形式是指数律方程。
K n
（2）
式中：K——稠密度指数，或称指数律系数Pa·s； n——流变性指数，或称指数律的方次。
新生霉素 卡那霉素 曲古霉素 曲古霉素 非洛霉素
诺尔斯氏链霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 产黄青霉菌 灰色链霉菌 雪白链霉菌 卡那霉素菌
卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌 卡那霉素链霉菌
牛顿性流体 假塑性流体 塑性流体 胀塑性流体 塑性流体 塑性流体 假塑性流体 塑性流体 假塑性流体 假塑性流体
6-1-2 发酵液的流变学特性
凯松塑型
1 0
2
K 'p
1
2
a
[(
பைடு நூலகம்
0
)1 2
KP ]2
血，蕃茄酱，桔子汁 及一些发酵液等
0为屈服应力，Kp为刚性系数， K’p为凯松黏度。
6-1-2 发酵液的流变学特性
影响发酵液流变学特性的因素
（1）细胞浓度 发酵液细胞浓度低，流变学特性是牛顿型流体。
➢ 稀薄的细菌发酵液； ➢ 水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液； ➢ 噬菌体侵害的发酵液等。
（2）细胞形态 丝状或团状，流变学特性都是非牛顿型流体。
➢ 丝状菌（霉菌或放线菌）的菌丝体纠缠在一起，使悬浮液 黏度达数Pa·s。 ➢ 团状菌丝体是以稳定的球状积聚生长，直径可达几mm。
6-1-2 发酵液的流变学特性
表2 发酵液的流变特性
产物
微生物
发酵液流变特性
制霉菌素 青霉素 青霉素 青霉素 链霉素
例如，青霉素培养液的屈服应力与刚性系数都随发酵 时间的增加而增大。
发酵前期与后期： ➢ 刚性系数可增加近百倍 ➢ 表观黏度明显增加。
6-1-3 生物反应器中的传递过程
生物工业中不同生产工段，都包含有物质传递过程 ➢ 上游操作中的原料预处理； ➢ 生化反应器的操作与控制； ➢ 下游操作中的产品回收。