生化反应器的传递过程PPT学习教案

1、会计学1生化反应器的传递过程生化反应器的传递过程第1页/共54页第2页/共54页dydu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3页/共54页体、低分子的液体常为体、低分子的液体常为牛顿型流体。牛顿型流体。dyduo)(dydu第4页/共54页（）非牛顿流体：（）非牛顿流体：不满足牛顿粘性定不满足牛顿粘性定律的流体为，其剪应力与切变率之比不律的流体为，其剪应力与切变率之比不是常数，因而是常数，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

2、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。a第5页/共54页0屈服应力屈服应力 刚度系数刚度系数 特点特点：当剪应力小于屈服应力时，流体不发生流动：当剪应力小于屈服应力时，流体不发生流动，当剪应力超过屈服应力时流体才发生流动。，当剪应力超过屈服应力时流体才发生流动。如黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌等丝状菌如黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌等丝状菌发酵液及生活用品如牙膏，肥皂等发酵液及生活用品如牙膏，肥皂等)(dyduo第6页/共54页nK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、玉米值越大，流体的非牛顿特性越明显，淀粉、玉米粉、糖溶液、部

3、分中药提取液属于这种流动特性粉、糖溶液、部分中药提取液属于这种流动特性，发酵液中较少见。，发酵液中较少见。)(dyduo第8页/共54页凯松凯松(Casson)(Casson)流体：流体：流体模型为流体模型为 2/12/102/1cK凯松粘凯松粘度度 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 )(dyduo第9页/共54页nK0 很多发酵液属于非牛顿流体，宾汉流体、拟塑性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流体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小，涨塑

4、性流体的表观粘度则随切变率的增大而增大。增大。第10页/共54页第11页/共54页第12页/共54页右图是酵母右图是酵母培养液的粘度培养液的粘度与细胞浓度的与细胞浓度的关系，随着细关系，随着细胞浓度的提高胞浓度的提高，发酵介质的，发酵介质的粘度也相应增粘度也相应增大。大。第13页/共54页)5 . 21 (Ls)25. 75 . 21 (2Ls第14页/共54页第15页/共54页第16页/共54页第17页/共54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

5、R R2 2；通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的通过气泡外侧的滞流液膜，到达液相主体的阻力阻力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；通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液体界面的阻力达细胞团与液体界面的阻力R R5 5；第18页/共54页第19页/共54页第20页/共54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一液相界面上的气膜传质系数有气一液相界面上的气膜传质系数k kG G和和液液膜传质系数膜传质系数k kL L及及固一液界面上的液膜传质固一液界面上的液膜传质系数系数k kL2L2

6、和在和在固相内部的传质速率固相内部的传质速率。第21页/共54页iiokpN/12阻力推动力smmol2/第22页/共54页LLiGiokCCkppN/1/12一、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23页/共54页LGGkHkK11GLLHkkK111LLkK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24页/共54页

7、)(*OLOLLSCCakN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)； OLC*akLaOLC第25页/共54页第26页/共54页氧在气一液相氧在气一液相界面液膜上的界面液膜上的浓度分布可分浓度分布可分为五种情况，为五种情况，如右图所示。如右图所示。第27页/共54页速率的强化。速率的强化。第28页/共54页akkCRLrOLo11*2OLrOLroCkCkR*2OLLoaCkR*2第29页/共54页akkCkRLrOLro1*2OLrOLrCkDaCk*12oRakL第30页/共54页随着传质速率的随着传质速率的减小，氧的宏观减小，氧的宏观反应速率将随之反

8、应速率将随之减少。减少。第31页/共54页SLak2LLak1SLak2第32页/共54页SLak2LLak1第33页/共54页传质速率因反应而强化传质速率因反应而强化 对一伴有反应的气液相传质过程，假定对一伴有反应的气液相传质过程，假定其有效速率为其有效速率为Rs，而其纯传质速率为，而其纯传质速率为Rd，根据传质被强化的观点，引入增强因子根据传质被强化的观点，引入增强因子E，表示为，表示为由于由于RsRd，所以，所以E1。如果能求出。如果能求出E值，值，则很容易求出则很容易求出Rs值。值。dsRRE的传质速率无反应时从气相至液相的传质速率有反应时从气相至液相第34页/共54页rnSLkDCn

9、kHa1121第35页/共54页)(HafE 第36页/共54页右图为右图为E-Ha关系曲线，关系曲线，E-Ha关系可分为三个部关系可分为三个部分。分。Ha0.3，为慢反应区，为慢反应区，此区反应速率很慢，因此区反应速率很慢，因而反应速率对传质速率而反应速率对传质速率无影响，即无强化作用无影响，即无强化作用。过程的速率取决于传。过程的速率取决于传质速率，质速率，属于物理吸收属于物理吸收过程过程，传质限制区。反，传质限制区。反应完全发生在液相主体应完全发生在液相主体内。内。第37页/共54页应较快，部分反应在应较快，部分反应在气液界面上反应，因气液界面上反应，因此强化了传质速率。此强化了传质速率

10、。第38页/共54页涉及到氧气在气液相间的传质和涉及到氧气在气液相间的传质和反应。反应。HaHaEtanhHaE 第39页/共54页)(2OSOLLSLsCCakN液固间传质系液固间传质系数数 液固比表面积液固比表面积 细胞外表面细胞外表面处氧浓度处氧浓度 二、二、液固相间氧的传质液固相间氧的传质液相主体中液相主体中氧浓度氧浓度 第40页/共54页OLLSpLOLLSLSCandDCakN22maxmol(m3s) n-n-单位体积培养液中细胞个数单位体积培养液中细胞个数 若细胞或细胞团为球形，且细胞密度与液若细胞或细胞团为球形，且细胞密度与液体密度接近时，则体密度接近时，则 pLLdDk22

11、第41页/共54页三、三、 细胞团内氧的传质与反应细胞团内氧的传质与反应 氧进入细胞团内，一方面向细胞内部扩氧进入细胞团内，一方面向细胞内部扩散，一方面又被其细胞消耗，浓度不断下降散，一方面又被其细胞消耗，浓度不断下降。如果把细胞看成一个耗如果把细胞看成一个耗氧的均匀的球体。设其氧的均匀的球体。设其半径为半径为R，密度为，密度为0，取，取其半径其半径r处一层厚度为处一层厚度为dr的壳层做物料衡算得：的壳层做物料衡算得：氧第42页/共54页OOOOOeCKCqrdrdCdrCdDmax0022)2(第43页/共54页0drdCO细胞团内葡萄糖浓度变细胞团内葡萄糖浓度变化很小，而氧的浓度则随化很小

12、，而氧的浓度则随半径减小而迅速下降，这半径减小而迅速下降，这表明在细胞团的中央，细表明在细胞团的中央，细胞的呼吸受到限制。胞的呼吸受到限制。02.4rO2葡萄糖第44页/共54页四、四、影响氧传质速率的因素影响氧传质速率的因素 )(*OLOLLSCCakN氧的气液传质方程氧的气液传质方程第45页/共54页1.1.氧在培养基中的溶解度氧在培养基中的溶解度: :氧是难溶性气体氧是难溶性气体。在。在2525和和1 11 01 05 5PaPa时，空气中的氧在纯时，空气中的氧在纯水中的溶解度为水中的溶解度为0.2kmol0.2kmolm m3 3左右。由于在左右。由于在培养基中含有大量有机物和无机盐，

13、氧在其培养基中含有大量有机物和无机盐，氧在其中的溶解度就更低。中的溶解度就更低。氧在水中的溶解度随温度的升高而降氧在水中的溶解度随温度的升高而降低。在常压和温度低。在常压和温度433OC的范围内，与空的范围内，与空气相平衡时，纯水中氧的浓度可用下述经验气相平衡时，纯水中氧的浓度可用下述经验式求出：式求出：6 .316 .14*tCW-与空气平衡时纯水中氧的浓与空气平衡时纯水中氧的浓度度 *WC第46页/共54页EeWKCCC*lg- -氧在电解质溶液中的溶解度氧在电解质溶液中的溶解度 - -电解质溶液的浓度电解质溶液的浓度- -常数，与气体种类、电解质种类和温度有关常数，与气体种类、电解质种类

14、和温度有关*eCECK第47页/共54页iieWIhCC*lg第第i i种离子的常数种离子的常数 离子强度离子强度 EiiICZI221第第i i种离子的价数种离子的价数 第第i i种离子的浓度种离子的浓度 若为非电解质溶液若为非电解质溶液NnWKCCC*lg有机物浓度有机物浓度 氧的溶解度氧的溶解度第48页/共54页iimWIhCC*lg*lgniWCC为了提高氧在培养基中的溶解度，可提高反应器为了提高氧在培养基中的溶解度，可提高反应器操作压力和富氧通气的方法操作压力和富氧通气的方法 。氧的培养基中的溶解度氧的培养基中的溶解度第49页/共54页LLLDk第50页/共54页BLBGdHVdVa066气体截留率气体截留率 第51页/共54页LBmLGVWdHQa6通气流量增大，可使比表面积通气流量增大，可使比表面积a a值增大。值增大。如假定反应器培养液高度为如假定反应器培养液高度为，气泡的上升速度，气泡的上升速度为为，通气流量为，通气流量为，23BjjBjjmdmdmd直径为直径为dBj的气泡个数的气泡个数第52页/共54页4.体积传质系数体积传质系数kLa 影响因素有反应器的几何形状、气体线速影响因素有反应