第六章传递特性

第六章反应器的传递特性TransferPropertiesofBioreactor目录6.1反应器传递特性概论6.2氧的传递6.3反应器的流动特性6.4反应器的传热特性6.1反应器传递特性概论Typicalprocessoccursinbio-reactorLargescaleindustrialproductioniscarriedoutinreactoroflargesize,itrequiressufficientcontactsbetweencellsandsubstrate.大规模生产过程需要细胞和底物充分的接触Mixinguneven:不均匀混合Localover-heatingorcooling;Localdepletionofnutrientsubstances;Localhighshearstress;etcBiotechnologyBridgeBiochemicalEngineeringIndustrialproductionBridgefromBiotechnologytoIndustrialProcess

---BiochemicalEngineeringScaleUpTransferphenomena：Masstransfer:Heattransfer:Momentumtransfer:Transferphenomena：Masstransfer:Heattransfer:Momentumtransfer:reaction：catalysis：传质系数传热系数流动与混合细胞机械损伤cellisveryfragiletobedamagedbyshearstressSelection,designandoperationforbio-reactorGoodtransferproperties;Wellmixing;Mildshearstress;Informationtransmit：Bio-process(四传一反)bubblesheatheatcellsubstrateproductOxygen多相体系:气、液、固好氧过程氧的传递速度很慢！易溶性、溶解度大的物质在液相中的传递相对容易。细胞培养体系中气-液传质过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜液相主体生化反应氧从气相主体扩散到气-液界面通过气-液界面通过在气泡外侧的滞流区扩散到达液相主体从液相主体到达细胞或细胞团外的滞流液膜6.2氧的传递OxygensupplyprocessandresistantOxygenconsumptionprocessandresistant细胞培养体系中气-液传质过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜液相主体生化反应通过滞流区与细胞团之间的界面扩散进入细胞团，菌丝体团等进入细胞OxygensupplyprocessandresistantOxygenconsumptionprocessandresistant6.2氧的传递细胞培养体系中气-液传质过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜OTROUR液相主体生化反应传氧速率OxygenTransfer(OTR)摄氧速率OxygenUptake(OUR)氧的气-液两相传质OxygensupplyprocessandresistantOxygenconsumptionprocessandresistant6.2氧的传递氧是一种难溶的气体室温下（25℃），空气中的氧在水溶液中的溶解度约为0.25mmol/L，合8mg/L;培养基中含有大量有机物和无机盐，因而氧在培养基中溶解度就更低；因此，仅仅需要氧气的自然溶解过程是远远不能满足微生物生长需要的，需要强制供氧；由于氧的溶解度很小，自然溶解的速率也很慢，因此需要不断的往发酵液中通入氧气，以保证发酵液中菌体的生长需要。6.2.1Oxygendissolution氧的溶解影响因素:Inglutamicacid（谷氨酸）production,thosesaturationoxygenwouldbeuseduponlyin14seconds;Inglutamicacidfermentation,theutilizationratioofdissolvedoxygenisabout40~60%,whileforantibioticfermentation,it

isonlyabout2~8%.Pressure;TemperatureViscosity;Ion-strength;Concentration;Etc.25℃:inwater:0.25mmol/Linculturemedium:0.22mmol/LPressure;TemperatureViscosity;Ion-strength;Concentration;Etc.25℃:inwater:0.25mmol/Linculturemedium:0.22mmol/L溶氧问题是通气发酵的关键问题之一，也是生化反应器的设计与研究的重要参数。oxygentransferrate;oxygenutilizationratio;影响因素:Inaerationculture,assumingoxygenisthelimitedsubstrateabidebyMonodequation：6.2.2OxygenforcellgrowthandproductformationCO2critical

Definition:Criticaldissolvedoxygen(临界氧)concentrationCO2Cr:

指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。CO2critical

各种微生物所要求的最低溶氧浓度，其临界氧浓度是不同的。一般当细菌、酵母和真菌在20~30℃悬浮培养时，临界氧浓度一般介于0.1-1.0mg/L.ForFermentation,CO2mustbenolessthanCO2Cr6.2.3Oxygenconcentrationinbroth双膜理论假设:在气泡和液相主体之间存在着一个界面：界面气膜液膜气相主体液相主体CGCLCGiCLi气膜和液膜在两相的界面的氧浓度之间存在一个化学平衡：亨利定律双膜模型CLi

和CGi

分别是液相侧和气相侧的界面浓度,M为亨利系数.1.氧的供应Oxygensupply在稳态状态时，氧气的传递通过气-液界面处的速率等于它传递通过液膜一侧的速率以及通过气膜一侧的速率。一般认为，气液界面和气相主体的传质阻力都很小，可以忽略不计，因此，主要阻力来自于气膜和液膜。Two-FilmModelCL

和CG

分别表示气相主体和液相主体的氧浓度。氧气的传质速率(molO2/cm2·h)(气膜侧)(液膜侧)界面气膜液膜气相主体液相主体CGCLCGiCLi由于氧的界面浓度很难测定，因此定义传质的总传质系数,

KL

是总传质系数与气相分压相平衡的液相氧浓度。令Fromthefiveequations,整理对于难溶的氧气,M>>1,kG

一般显著大于kL,此时传质阻力绝大部分存在于液膜中，气膜阻力可以忽略，这种情况叫做液膜控制(liquidfilmtransportationcontrol)Note:NO2的单位是mol/m2·htransportationamountofoxygenperunitareaperunittime.传氧速率OxygenTransferRate(OTR)wherekL—传氧系数oxygentransfercoefficient(cm/h)a—传质比表面积(cm2/cm3)kLa—体积传氧系数(h-1)

C*—溶解氧饱和浓度(mg/L)C—发酵液中实际的溶解氧浓度(mg/L)OTR－传氧速率(mgL-1h-1)perunitvolumebroth;perunittime.perunitvolumebroth;perunittime.A.Oxygenuptakerate(OUR)摄氧速率2.氧的消耗速率OxygenconsumptionB.耗氧比速率Oxygenconsumptionrateofperunitbiomass,mmo1O2／h·gbiomass.X

—

细胞浓度(gdw/L)Where

—比摄氧速率 (mgO2/gdw·h)

—

细胞对氧的得率系数(gdw/gO2)在传氧受限制的条件下，生长速率随着溶解氧的变化而变化。增加传氧速率OTR措施增加气相中氧气的浓度纯氧富氧空气增加液相中氧的饱和浓度–增加操作压力，如保持罐压(2~3atm).3.发酵过程动态平衡dynamicequilibriuminbrothOxygenconsumption(OUR)：Oxygenconcentrationistheresultofoxygensupply(bygas)andconsumption(bycell)Theoxygensupply(OTR)：Oxygenconcentrationchange:在稳态条件下,OUR=OTR6.2.4kLa的测定

Measurementofdissolvedoxygentransfercoefficient1.sulphiteoxidationmethods(亚硫酸盐氧化法）2.Dynamicmethods（动态法）3.Balancemethods（氧平衡法）A.

亚硫酸盐氧化法Coldmodeldissolvedoxygentransfercoefficient:

非培养情况下，测定反应器中的氧传递系数在反应器中加入含有Cu2+或Co2+为催化剂的亚硫酸钠溶液，进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠；由于反应过程很快，反应速率由气相氧的传质速率控制，而与亚硫酸钠的浓度无关；由于氧化反应速率很快，液相中氧浓度接近0。用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠浓度，使可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。C=0缺点：准确性不高；不能在真实发酵条件下进行测定；只适合于表示4~80L发酵设备的通气效率的优劣。B.Dynamicgassing-outMethod(溶氧电极--动态法）eeAgPbee薄膜（1）溶氧电极工作原理:这对电极装置在两端开口的细长套管中，在靠近阴极的底端用一种耐热的，只允许溶氧透过，而不允许水及离子透过的塑料薄膜覆盖。阴极由银丝做成的，阳极由铅皮卷成。b：膜的厚度D：氧气通过膜的扩散系数。

I（电流强度）∝

所以，被测溶液中溶氧的大小，可以从电流大小上直接看出，而且是线性关系。因Ag极很大，氧气一进入薄膜就被还原，则PO2内=0，∴I∝PO2外

在电池内加入数毫升的电解质溶液，这就在两极之间产生了一个电位差，使阳极的Pb氧化成Pb2+，进入电解质溶液，同时释放出的电子沿导线流向阴极，把透过半透膜进入电池的溶解氧立即还原成OH-。当培养液中传氧速率和耗氧速率不相等时，即非稳态情况下，培养液中的溶氧浓度随时间变化，溶氧浓度的变化速率等于传氧速率和耗氧速率之差。（2）溶氧测定原理传氧速率耗氧速率Beforeexperiment,brothwasoxygensaturatedbyaeration;AerationterminatedatpointA;mencingaerationatpointB;TimeC

B

A

Rewrite(2)aboveequationas:FromlineABdeterminedTimeC

B

A

TimeC

B

A

C*

C

kLathencanbeobtained.Atdifferentpoint,calculatingdc/dt,plotfigureasfollows:C.Balanceofoxygenmethod（氧平衡法）通过氧的衡算，直接测定溶氧速率。对反应器来说，在任意时间有氧的守恒：VL

Qi：L/minPi:atmTi:KXi:氧的摩尔分率Q0

P0

T0X0

inletoutlet溶解的氧=进入的氧-排出的氧此法可测量真实培养体系中的KLa，准确度比较好。所用的仪器包括：溶氧电极，流量计和氧分析仪。6.2.5Enhancementofoxygentransportationprocessinbio-reactor（提高氧传递的措施）1.液膜传质系数kL

air,stirrerandspeed,viscosityAerationrate(VVM)氧的传递阻力主要存在于气液界面附近的液膜中根据双模理论，液膜中氧分子的扩散服从Fick第一定律，kL——氧在液膜中的扩散系数——液膜厚度Cellconc.effect10001.4relative（kLα

）Cellconc.（%W/V）smallgasbubble2.气液比表面积a液体体积气体体积气泡直径定义气含率2.气液比表面积a则有，培养液中气含率越大，气液比表面积a越大。气液比表面积a与气泡直径的关系说明，较大的比表面积要求有较小的气泡直径。oxygencarrier

temperature

oxygenpressureMediumcomposition血红蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡、甲苯与水等）、氟碳化物。3.饱和溶氧浓度c*6.3反应器的传热特性对于间歇反应过程，当保持反应温度不变时，以单位体积反应液为计算基准的热量平衡方程式：6.3.1过程的热量衡算：QE:反应器环境传热速率;Jm-3.s-1;QB:生物反应热;Jm-3.s-1对于微生物培养过程为发酵热QA:机械搅拌造成的放热速率Jm-3.s-1QR:通气产生的搅拌所带来的热量;Jm-3.s-1QS:通气因温度差异引进或带出的显热;Jm-3.s-1QV:水的蒸发产生的蒸发热;Jm-3.s-16.3.2反应器的换热计算Inordertokeepthereactortemperatureconstant,heatexchangerisalwaysusedinreactor,andtheheat-loadofreactorcanbeevaluatedas：平均温差计算:Tb,Ti,To:分别表示培养基、冷却水入口和冷却水出口的温度。生物反应器的传热速率和总热负荷:反应器有效体积总的传热系数反应器总传热面积培养液与冷却水的平均温差反应器传热阻力

包括：培养基、换热器壁、污垢层以及冷却水的传热阻力等。——培养基、冷却水的给热系数，J/(m2·s·℃)；——换热器壁壁厚，m；——换热器壁热导率，J/(m·s·℃)；——换热器壁两侧的垢层厚度，m；——热器壁两侧垢层的热导率，J/(m·s·℃)；——培养基、冷却水的传热面积，m2；——换热器的对数平均表面积对机械搅拌反应器中液体的给热系数，可根据下式估算：当考虑反应器的几何形状时，上式可改为：式中CP——培养基的比热容；D、d——反应器、搅拌器的直径；——培养基在反应器内、换热器壁温度下的粘度。

当反应器内装有蛇管时，dt——蛇管的直径。6.4流变特性What’sflowcharacteristics？

生物反应器中流体混合时的流动特性——流变特性Importanceofflowcharacteristics?

影响反应器传质和传热效率，进而影响生物反应速率和细胞生长代谢。6.4.1流变模型切向力作用下平板内流体的速度分布:yuFAreaA流体剪切力τ：单位流体面积上的剪切力，F/A，也叫剪切应力速度梯度

du/dy:流动速度沿垂直于流动方向上的变化速度流变性模型方程τ：流体剪切应力，N/m2;：剪切速度梯度du/dy,又称切变率，s-1；

K：稠度系数，Pa·s；

τ0：屈服应力，N/m2;n：流动特性指数

。A.Newtonianfluid（牛顿型流体）:切变率典型体系：气体、低分子量液体和一般培养条件下细菌和酵母培养液稠度系数速度梯度与剪切力服从正比关系的流体B.Binghamfluid---plasticfluid（宾汉塑性流体）：当剪应力τ小于某个屈服应力τ0时，流体不发生流动。只有当剪应力超过屈服应力时流动才会发生，其流动曲线不通过原点。屈服应力刚度系数典型体系：黑曲霉、产黄青霉等丝状菌发酵液。稠度系数流动特性指数0<n<1K越大，流体就越稠，n值越小，流体的非牛顿性就越明显。许多高分子水溶液如羧甲基纤维素、黄原胶等，以及大部分青霉、曲霉、链霉菌等丝状菌的培养液、多糖发酵液等。C.Pseudo-plasticfluid(拟塑性流体)：D.Dilatantfluid(胀塑性流体)：流动特性指数n>1典型流体：链霉菌、四环素、庆大霉素等的前期发酵液。n值越大，流体的非牛顿性就越明显。E.凯松流体：典型流体：青霉素发酵液，表观黏度随着剪切力的增加而降低。凯松黏度屈服应力总结幂定律方程规律牛顿型流体：τ0=0，n=1，K=µ。拟塑性流体：τ0=0，0<n<1。胀塑性流体：τ0=0，n>1。宾汉塑性流体：

n=1，K=η。6.4.2影响反应液流变特性的因素：细胞浓度和细胞形态（sphere？filament？）；底物和产物的浓度、性质（polysaccharides,protein,lipid？）培养时间，即时变性Highdensityofcells(>14%V/V):当培养介质中的细胞浓度较低、细胞的形态为球形和含有小颗粒悬浮物时，通常为牛顿型流体，酵母和细菌培养具有这种特性，其黏度可根据Einstein公式计算：培养液或悬浮液的表观黏度培养液中的纯液相的黏度细胞或颗粒的体积分数（1）细胞浓度和形态：青霉素培养液的屈服应力和凯松粘度与青霉菌的浓度和形态有关:培养液的流变特性与细胞的形态有很大影响：细胞长度、菌丝直径、菌丝生长端总数培养液流变特性主要取决于细胞的浓度和细胞的形态。随着细胞浓度的增加，培养液的黏度也随着相应增大。（2）底物和产物的性质和浓度：培养液的流变特性与细胞的胞外产物有很大影响：如多糖发酵，黄原胶浓度提高，反应液表观粘度也增加。（3）培养时间（时变性，综合因素）：K越大，流体就越稠，n值越小，流体的非牛顿性就越明显。拟塑性流体6.4.3Shearstressofreactor（反应器的剪切作用）流体剪切作用的大小是生物反应器设计和优化的一个重要参数。特别是对剪切作用非常敏感的生物反应体系，如动、植物细胞培养、某些丝状菌的培养和酶反应体系。在反应器设计时，则必须考虑流体剪切的影响。Shearstressresources：Mechanicalstirring（机械搅拌）Stirringbyrisingbubbles（气升式搅拌）1.机械搅拌的剪切力：机械搅拌目的：（1）使诸如细胞或固定化酶等生物催化剂保持悬浮状态；（2）使反应器内物料混合均匀，使氧从气相快速传递到培养液中。搅拌转速一般较高，以使得流体呈湍流状态，从而产生较强的流体剪切力。(1)积分剪切因子（ISF）搅拌器桨叶附近的速度分布与切变率估计