第三章 生物反应器中的传递与传热.ppt

1、第三章生物反应器中输送和传热(4小时)的基本要求：探讨影响发酵介质流变特性、流变模型和发酵介质流变特性的因素。了解氧的传质反应模型，了解反应器中氧的体积传质系数的定义及其影响因素和测定方法。了解固定化酶的反应过程分析，了解内部和外部扩散系数计算方法，了解内部和外部扩散判断和消除方法。了解两相酶反应过程分析，掌握液体-液体传质计算。了解生物反应器的杀菌过程及反应器的传热。焦点：反应器中氧的体积传质系数定义及其影响因素。固定化酶内外扩散判断及去除方法。生物反应器的杀菌过程。困难：固定化酶的内外扩散系数计算。1发酵介质的流变性特性，生物化学反应器中发酵液的流变性特性影响混合程度，影响传质和传热速度。

2、发酵液是由液体和固相组成的多相系统，对于细菌和酵母发酵液来说，一般粘度低，流动性好，热量和质量快。如果利用特殊培养技术获得高浓度细胞发酵液，其粘度的大幅度增加会使热量和质量难以传递。因此要充分重视。流变性模型流变性模型是反映流体流动特性的模型。流体的流动特性经常通过剪切应力和速度梯度之间的关系重新表达。第一节传质基础，影响发酵介质流变特性的因素发酵介质的流变特性主要取决于细胞的浓度及其形态。一般来说，发酵介质中液体的部分粘度较低，但随着细胞浓度的增加，发酵介质的粘度也相应地使流体更多地偏离牛顿特性。细胞的形态对发酵介质的流动特性也有很大的影响，例如，如果细胞是思想形态，发酵介质可能是牛顿流体。

3、影响发酵介质流变特性的另一个因素是产物为多糖等细胞外产物，此时细胞的存在对发酵介质的流变特性影响不大，多糖浓度的高低对介质的粘度影响很大。一般来说，牛顿流体在发酵介质中的细胞浓度低，其形式为球形时流动性好，酵母和细菌发酵液等传质和传热性能好。2反应器中的电解质和反应过程，生物反应器中通常是多相反应，想象液体(主要是水相系统，有时是两相系统和水-有机相系统)，气相(从好氧微生物反应中通过的空气)，固相(微生物细菌，固定化载体等)。因此，除了反应过程外，还存在包括气质和产物一相和不同相传递的物质传递。物质的传递过程和反应过程是一排接一排的过程，只有传递到达反应部位的基质才能被生物催化反应，只有生物

4、反应生成产物后，产物才会离开反应部位的物质传递。在此连接过程中，最慢的速度阶段(可能是传递或反应)决定整个过程的速度，因此该阶段称为速度控制阶段，该过程称为反应控制和传质控制。当然，在生物反应器中，物质的传递和反应是在同一时间内进行的，当某个物质分子传递时，另一个物质分子可能在反应中。但是在整体物流方面，传递和反应是连接过程。对此内容将在氧气的传递和反应中具体讨论。在双节细胞反应中，气液传质(氧传递)在好氧微生物反应中，氧传递过程往往很重要。微生物反应到一定程度时，氧气需求很大，但另一方面，氧气是不溶性气体，氧气供应很困难。因此，本章重点讨论氧气的物质传递。，1氧气的传质模型，氧气的输送过程如

5、下：氧气从气相主体扩散到气液界面；通过气液界面传递；通过气泡外部的静液膜到达液体主体。液体主体中的转移；通过细胞或细胞团外部的静液膜到达细胞或细胞团和液体的界面。通过液体和细胞或细胞群之间的接口；细胞块内细胞和细胞间介质中的扩散从细胞进入反应中心。气液界面和液体的传质阻力大部分在气液传质过程中被认为是小的。因此，主要阻力是薄膜和液膜。我们可以用双膜理论来说明上述过程。因此，氧的气液传质速度如下：上述方法也适用于其他气体(例如气液之间的CO2)的传质过程。2氧的传质反应模型，生物体是单个细胞，大小可能是数微米，液膜的厚度可能是数十微米，此时液膜包含细胞，细胞可以吸附在气液界面上，因此4-8种阻力

6、是无数的。氧气可以被认为一方溶于液体，一方在反应中消耗，反应系统可以均匀处理。对这种过程，反应和物质传递同时起作用。假设反应是一级不可逆反应，同时工作的情况有三种。也就是说，氧气的传质速度快，反应速度比较慢，这时氧气的消耗率如下。反应速度快，传质速度比较慢，此时氧的消费率，反应速度和传质速度相似，此时活性，其氧的消费率：如果反应符合Monod方程，正常状态下氧的消费率和传质速度可以表示如下。三大耗氧率与溶解氧浓度的关系，微生物反应中耗氧率与溶解氧浓度的关系，可以通过实验测定。查看数据时，如果DO大于某个值，则DO随时间线性减少，氧气消耗率qO2与DO无关，是常量。如果DO低于特定值，则qO2与

7、DO(随着DO的减少，具有双曲关系)存在一定关系。这个值用DOcri记录，我们称之为临界溶解氧浓度。讨论：DO随时间线性减少，qo2与DO无关。这意味着微生物反应DO是0级反应，与细胞内呼吸系统相关的酶完全被氧气饱和，微生物反应过程成为酶催化反应的调节。此外，如果溶解氧浓度大于空气饱和值，过量的溶解氧反而会抑制微生物生长。如果溶解氧浓度小于临界溶解氧浓度，则非氧气消耗率随溶解氧变化，可以认为与呼吸相关的酶没有被氧气饱和，微生物反应调节了氧气供应。大部分情况下，耗氧率和溶解氧的关系可以用美方程粗略地表示：，4氧的体积传质系数，氧微生物反应器的氧传递性能可以用体积传质系数表示，该值越大，说明反应器

8、的氧传递性能越好。因此，要提高reactor的氧传递速度，可以增加kLa。影响体积传质系数的主要因素是影响体积传质系数的许多因素，可以分为宽容、以下：通风和混合#机械搅拌，形式：k，经验系数和指数，液体的特性，设备的形状等，其值由实验确定。Q通风量、v3反应液体积、#使用机械混合增加气液接触面积、延长气液接触时间、降低液膜厚度，提高溶解氧效率。Rushton认为：Calderbank P.H假定为：其中：vs是反应器内空截面空气线速度，pg /V是输入到单位体积反应液中的搅拌功率。上面表明影响反应堆溶解氧的主要因素是pg/V，n和vs。Vs可以归结为换气量的函数，因此增加搅拌器功率，调节转速和

9、换气量，可以增加特定装置的溶解氧。但以上三点是相关的。因此，提高体积传质系数的有效方法是提高搅拌器速度n，提高pg，从而提高体积传质系数kLa就是有效地提高。提高n，保持pg，提高kLa或增加C*(能通过纯氧作为反应流体)。、温度和压力温度的高低改变了氧气的溶解度，也影响了液体的物性。一般来说，温度升高会降低液体的粘度，降低液体的表面张力，增加液体中氧气的扩散系数，从而有助于提高氧气的溶解速度。Oconner的研究结果表明，在常温下用活性污泥法处理废水时，提高温度会增加体积传质系数。同时温度升高，就可以下降。有以下关系：常识表明体积传质系数与温度成正比，与液体粘度成反比。操作罐压力的高低影响溶

10、解氧的速度。佐藤等研究表明，在通风搅拌反应器中，如果通风恒定，溶解氧速度会随着压力的增加，溶解氧传递系统值也会随着压力的增加而增加。三者之间的关系如下。表达式的p*是与液体溶解氧浓度c平衡的氧分压。反应液的物理和化学性质表示液体的粘度、密度、表面张力和气体溶质的液相扩散系数等。牛顿流体的反应过程也会改变上述物理和化学特性，从而间接影响传质性能。对于非牛顿流体，这些特性对体积传质系数的影响更加复杂。有机物对反应液的影响：有的是基质，有的是代谢产物。有些有机物的存在会降低蛋白质等体积物质传递系数的值。有些有机物的存在会增加体积传质系数值(酮、酒精、脂肪等)。反应液中盐类的影响：添加多种盐类后，反应

11、液的离子强度增加，体积物质传递系数值增加，投入动力增加，其增加程度增加，有时增加到纯净水的5至6倍。这主要是由于盐类反应液中气泡群变小，难以合并(a增加)。另外，气体滞留量也有增加的趋势。表面活性剂的影响：微生物培养基中的一些天然营养素本来就是表面活性物质，在该反应中，微生物也会分泌一些活性物质。这些表面活性物质的存在会增加kLa，减少kLa。这些物质吸附在气液两相界面上，一方面减少液体的表面张力，使气泡直径变小，a增加；相反，表面活性物质在相界面凝聚，降低液膜传质系数kLa。这两种效果的结果产生了上述结果。增加kLa还是减少KLa取决于a增加了多少，kL减少了多少。例如：添加十二烷基磺酸钠会

12、增加kLa，添加吐温85会减少kLa。微生物反应不仅因为反应对机体有吸收作用，而且微生物本身也会释放微小的粒子，对机体的吸收产生物理影响。实验结果表明，kLa总是随着含有丝状体的培养液细菌浓度的增加而减少。反应堆结构因素的影响气管：生化工程师研究了各种形式的气管的氧气输送能力，找到了一种氧气从气泡输送到液体的高效气管。但是，以单位体积反应液的功耗为基准，进行了不同类型的比较，结果表明，用亚硫酸钠法测定的kLa值没有太大的差异。搅拌器：搅拌器组数和搅拌器直径的最佳距离对溶解氧有一定影响。实验结果表明，搅拌器组的数量和间距要根据发酵液的特性来确定，才能达到更好的溶解氧效果。通常，使用多个搅拌器可以

13、在长宽比为2.5时提高10%的溶解氧。长宽比为4时，如果使用较大的空气流速和较大的搅拌动力，混合多个组会增加25%的溶解氧。但是，如果搅拌器之间的位置不合适，流动模式和空气分布可能会发生变化，从而显着降低kLa。挡板：必须在具有搅拌装置的反应器中安装适当的挡板，或者使用垂直冷却管作为挡板。否则，搅动形成液体可以降低中心的漩涡。挡板使液体形成一种轴向运动，阻止大量空气通过涡流排出，从而提高气液混合效果，改善氧气输送条件。常规反应器中可安装4个挡板，安装过多，通风效率也没有明显提高。长宽比：如果气流和单位体积功耗恒定，通风效率会随着长宽比的增加而提高。经验表明，当长宽比从1增加到2时，kLa可以增

14、加到40%。KLa从2增加到3时可以增加20%。因此，发酵厂倾向于长宽比较大。但是，高径比也不大，高径比太大反而会减少kLa，主要是因为气泡体积减少，气体-液体边界面积减少。体积传质系数的测量可以分为热模式测量和冷却模式测量。热模测定：直接利用发酵液在有微生物活动的条件下测定。冷模式测量：使用模拟介质在没有微生物活动的情况下测量。该方法主要用于反应器的传质性能研究。热模式测量在好氧微生物反应中溶解氧浓度在一定值时，可以根据氧的供需平衡计算体积传质系数。表达式中的CL*是已知参数，如果实验测量CL和rO2，就可以获得它。理论上，反映反应器传质性能的体积传质系数的测量必须在热模式系统中进行。但是，

15、热模具测量在实际系统中测量、成本高，特别是对需要重复测量的反应器研究方面存在缺点。在实际系统内，由于生物呼吸的影响，不利的计算，特别是rO2随着时间和细菌浓度变化；流体的流变特性随时间而变化，但受流体的流变特性影响，因此根据发酵时间的不同，对其进行了不同的测量。因此，在研究和设计反应器时，经常使用模拟实际介质的冷模式介质和冷模测量的数据，而不是实际系统的数据。相比之下，冷模式测量方法方便、快速、便宜。当然，冷模式测量结果必须在实际反应系统中验证，才能更好地利用。冷却模式测量对反映实际系统传质性能的冷却模式介质的选择有一定要求。具体地说，可以考虑以下方面：冷却模式介质的粘度和其他流变性条件与实际

16、系统相同；气液界面电阻相似，通常表示表面张力。泡沫类似于在介质中聚合和分散。在相同的外部条件下，DL、Dg和C*等应该类似。所含固体颗粒浓度与固相特性相似。一种常用的方法是化学测定体积传质系数(亚硫酸盐氧化)。亚硫酸盐氧化法通过反应器内氧气被亚硫酸盐氧化所消耗的化学反应来测定。这是具有复杂动态特性的自由基反应。但是，如果氧分压pO2=20kpa附近，并且亚硫酸盐浓度大于0.2mol/l，则此反应可以被视为对溶解氧浓度的第一次不可逆反应。铜离子的浓度在10-6-10-3mol/l范围内，反应速度常数k1=3.0 s-1，增量系数=0.1-0.2。可以看出，与氧气的溶解过程相比，这种反应进行得很快

17、，其对溶解过程的影响很小。因此，整个吸收过程可以通过溶解控制的物理吸收过程来处理。氧气一旦溶解，就可以立即与亚硫酸盐反应，将溶液中的溶解氧浓度视为0。因此，在具有催化剂的亚硫酸盐水溶液中连续换气的情况下，通过测量溶液中剩余亚硫酸盐浓度随时间变化的直线关系，可以通过梯度求出体积传质系数。亚硫酸盐含量通常采用碘量法。反应剩余亚硫酸盐和已知浓度的过量碘，用淀粉作为指示剂，用硫代硫酸钠溶液滴定剩下的碘，求出亚硫酸盐的浓度。要注意，此方法假定溶液中的cl=0，即溶解的氧气全部被亚硫酸盐消耗。液相是理想的混合，各部分的CL均为0。工作条件固定，气象组成固定。第三节固定化酶中的固体-液体物质转移，固定化酶也称为固定相酶或水不溶性酶，溶液酶通过物理或化学方法转化为在特定空间完全约束其运动或局部约束的水不可溶但仍然处于活动状态的酶。为什么要固定酶呢？反