1、會計學1生化反應器的傳遞過程生化反應器的傳遞過程第1頁/共54頁第2頁/共54頁dydu剪應力剪應力: :單位流體面積上的剪切力或內摩擦力單位流體面積上的剪切力或內摩擦力(F(FA)A)速度梯度：速度梯度：第3頁/共54頁體、低分子的液體常為體、低分子的液體常為牛頓型流體。牛頓型流體。dyduo)(dydu第4頁/共54頁（）非牛頓流體：（）非牛頓流體：不滿足牛頓粘性定不滿足牛頓粘性定律的流體為，其剪應力與切變率之比不律的流體為，其剪應力與切變率之比不是常數，因而是常數，因而沒有確定的粘度值沒有確定的粘度值。賓漢塑性流體賓漢塑性流體擬塑性流體擬塑性流體漲塑性流體漲塑性流體凱松流體凱松流體表觀粘

2、度表觀粘度是指剪應力與切變率之比。是指剪應力與切變率之比。a第5頁/共54頁0屈服應力屈服應力 剛度系數剛度系數 特點特點：當剪應力小于屈服應力時，流體不發生流動：當剪應力小于屈服應力時，流體不發生流動，當剪應力超過屈服應力時流體才發生流動。，當剪應力超過屈服應力時流體才發生流動。如黑曲霉、產黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌如黑曲霉、產黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發酵液及生活用品如牙膏，肥皂等發酵液及生活用品如牙膏，肥皂等)(dyduo第6頁/共54頁nK流動特性指數流動特性指數n1漲塑性流體漲塑性流體n值越大，流體的非牛頓特性越明顯，淀粉、玉米值越大，流體的非牛頓特性越明顯，淀粉、玉米粉、糖溶液、部

3、分中藥提取液屬于這種流動特性粉、糖溶液、部分中藥提取液屬于這種流動特性，發酵液中較少見。，發酵液中較少見。)(dyduo第8頁/共54頁凱松凱松(Casson)(Casson)流體：流體：流體模型為流體模型為 2/12/102/1cK凱松粘凱松粘度度 屬于此類流體有血液、熔化的巧克力等。屬于此類流體有血液、熔化的巧克力等。 屈服應力屈服應力 )(dyduo第9頁/共54頁nK0 很多發酵液屬于非牛頓流體，賓漢流體、擬塑性很多發酵液屬于非牛頓流體，賓漢流體、擬塑性流體和凱松流體的表觀粘度隨切變率的增大而減流體和凱松流體的表觀粘度隨切變率的增大而減小，漲塑性流體的表觀粘度則隨切變率的增大而小，漲塑

4、性流體的表觀粘度則隨切變率的增大而增大。增大。第10頁/共54頁第11頁/共54頁第12頁/共54頁右圖是酵母右圖是酵母培養液的粘度培養液的粘度與細胞濃度的與細胞濃度的關系，隨著細關系，隨著細胞濃度的提高胞濃度的提高，發酵介質的，發酵介質的粘度也相應增粘度也相應增大。大。第13頁/共54頁)5 . 21 (Ls)25. 75 . 21 (2Ls第14頁/共54頁第15頁/共54頁第16頁/共54頁第17頁/共54頁氧在傳遞過程中有以下傳遞阻力：氧在傳遞過程中有以下傳遞阻力：氧從氣相主體擴散到氣一液界面的阻力氧從氣相主體擴散到氣一液界面的阻力R R1 1；通過氣一液界面的阻力通過氣一液界面的阻力

5、R R2 2；通過氣泡外側的滯流液膜，到達液相主體的通過氣泡外側的滯流液膜，到達液相主體的阻力阻力R R3 3；液相主體中的傳遞阻力液相主體中的傳遞阻力R R4 4；通過細胞或細胞團外的滯流液膜，到通過細胞或細胞團外的滯流液膜，到達細胞團與液體界面的阻力達細胞團與液體界面的阻力R R5 5；第18頁/共54頁第19頁/共54頁第20頁/共54頁從圖可以看出，影響氧的傳質系數的參數從圖可以看出，影響氧的傳質系數的參數有氣一液相界面上的氣膜傳質系數有氣一液相界面上的氣膜傳質系數k kG G和和液液膜傳質系數膜傳質系數k kL L及及固一液界面上的液膜傳質固一液界面上的液膜傳質系數系數k kL2L2

6、和在和在固相內部的傳質速率固相內部的傳質速率。第21頁/共54頁iiokpN/12阻力推動力smmol2/第22頁/共54頁LLiGiokCCkppN/1/12一、氣液相間氧的傳質與反應（氣液反應一、氣液相間氧的傳質與反應（氣液反應宏觀動力學）宏觀動力學）k kG G為氣膜傳質系數為氣膜傳質系數k kL L為液膜傳質系數為液膜傳質系數氣膜液膜pCLpiCi第23頁/共54頁LGGkHkK11GLLHkkK111LLkK若定義若定義K KG G為以氧分壓為推動力的總傳質系數；為以氧分壓為推動力的總傳質系數；K KL L為以氧濃度為推動力的總傳質系數為以氧濃度為推動力的總傳質系數第24頁/共54頁

7、)(*OLOLLSCCakN單位體積培養液中氧的傳質速率，單位體積培養液中氧的傳質速率，mol(m3s)； OLC*akLaOLC第25頁/共54頁第26頁/共54頁氧在氣一液相氧在氣一液相界面液膜上的界面液膜上的濃度分布可分濃度分布可分為五種情況，為五種情況，如右圖所示。如右圖所示。第27頁/共54頁速率的強化。速率的強化。第28頁/共54頁akkCRLrOLo11*2OLrOLroCkCkR*2OLLoaCkR*2第29頁/共54頁akkCkRLrOLro1*2OLrOLrCkDaCk*12oRakL第30頁/共54頁隨著傳質速率的隨著傳質速率的減小，氧的宏觀減小，氧的宏觀反應速率將隨之反

8、應速率將隨之減少。減少。第31頁/共54頁SLak2LLak1SLak2第32頁/共54頁SLak2LLak1第33頁/共54頁傳質速率因反應而強化傳質速率因反應而強化 對一伴有反應的氣液相傳質過程，假定對一伴有反應的氣液相傳質過程，假定其有效速率為其有效速率為Rs，而其純傳質速率為，而其純傳質速率為Rd，根據傳質被強化的觀點，引入增強因子根據傳質被強化的觀點，引入增強因子E，表示為，表示為由于由于RsRd，所以，所以E1。如果能求出。如果能求出E值，值，則很容易求出則很容易求出Rs值。值。dsRRE的傳質速率無反應時從氣相至液相的傳質速率有反應時從氣相至液相第34頁/共54頁rnSLkDCn

9、kHa1121第35頁/共54頁)(HafE 第36頁/共54頁右圖為右圖為E-Ha關系曲線，關系曲線，E-Ha關系可分為三個部關系可分為三個部分。分。Ha0.3，為慢反應區，為慢反應區，此區反應速率很慢，因此區反應速率很慢，因而反應速率對傳質速率而反應速率對傳質速率無影響，即無強化作用無影響，即無強化作用。過程的速率取決于傳。過程的速率取決于傳質速率，質速率，屬于物理吸收屬于物理吸收過程過程，傳質限制區。反，傳質限制區。反應完全發生在液相主體應完全發生在液相主體內。內。第37頁/共54頁應較快，部分反應在應較快，部分反應在氣液界面上反應，因氣液界面上反應，因此強化了傳質速率。此強化了傳質速率

10、。第38頁/共54頁涉及到氧氣在氣液相間的傳質和涉及到氧氣在氣液相間的傳質和反應。反應。HaHaEtanhHaE 第39頁/共54頁)(2OSOLLSLsCCakN液固間傳質系液固間傳質系數數 液固比表面積液固比表面積 細胞外表面細胞外表面處氧濃度處氧濃度 二、二、液固相間氧的傳質液固相間氧的傳質液相主體中液相主體中氧濃度氧濃度 第40頁/共54頁OLLSpLOLLSLSCandDCakN22maxmol(m3s) n-n-單位體積培養液中細胞個數單位體積培養液中細胞個數 若細胞或細胞團為球形，且細胞密度與液若細胞或細胞團為球形，且細胞密度與液體密度接近時，則體密度接近時，則 pLLdDk22

11、第41頁/共54頁三、三、 細胞團內氧的傳質與反應細胞團內氧的傳質與反應 氧進入細胞團內，一方面向細胞內部擴氧進入細胞團內，一方面向細胞內部擴散，一方面又被其細胞消耗，濃度不斷下降散，一方面又被其細胞消耗，濃度不斷下降。如果把細胞看成一個耗如果把細胞看成一個耗氧的均勻的球體。設其氧的均勻的球體。設其半徑為半徑為R，密度為，密度為0，取，取其半徑其半徑r處一層厚度為處一層厚度為dr的殼層做物料衡算得：的殼層做物料衡算得：氧第42頁/共54頁OOOOOeCKCqrdrdCdrCdDmax0022)2(第43頁/共54頁0drdCO細胞團內葡萄糖濃度變細胞團內葡萄糖濃度變化很小，而氧的濃度則隨化很小

12、，而氧的濃度則隨半徑減小而迅速下降，這半徑減小而迅速下降，這表明在細胞團的中央，細表明在細胞團的中央，細胞的呼吸受到限制。胞的呼吸受到限制。02.4rO2葡萄糖第44頁/共54頁四、四、影響氧傳質速率的因素影響氧傳質速率的因素 )(*OLOLLSCCakN氧的氣液傳質方程氧的氣液傳質方程第45頁/共54頁1.1.氧在培養基中的溶解度氧在培養基中的溶解度: :氧是難溶性氣體氧是難溶性氣體。在。在2525和和1 11 01 05 5PaPa時，空氣中的氧在純時，空氣中的氧在純水中的溶解度為水中的溶解度為0.2kmol0.2kmolm m3 3左右。由于在左右。由于在培養基中含有大量有機物和無機鹽，

13、氧在其培養基中含有大量有機物和無機鹽，氧在其中的溶解度就更低。中的溶解度就更低。氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。在常壓和溫度低。在常壓和溫度433OC的范圍內，與空的范圍內，與空氣相平衡時，純水中氧的濃度可用下述經驗氣相平衡時，純水中氧的濃度可用下述經驗式求出：式求出：6 .316 .14*tCW-與空氣平衡時純水中氧的濃與空氣平衡時純水中氧的濃度度 *WC第46頁/共54頁EeWKCCC*lg- -氧在電解質溶液中的溶解度氧在電解質溶液中的溶解度 - -電解質溶液的濃度電解質溶液的濃度- -常數，與氣體種類、電解質種類和溫度有關常數，與氣體種類、電解質種類

14、和溫度有關*eCECK第47頁/共54頁iieWIhCC*lg第第i i種離子的常數種離子的常數 離子強度離子強度 EiiICZI221第第i i種離子的價數種離子的價數 第第i i種離子的濃度種離子的濃度 若為非電解質溶液若為非電解質溶液NnWKCCC*lg有機物濃度有機物濃度 氧的溶解度氧的溶解度第48頁/共54頁iimWIhCC*lg*lgniWCC為了提高氧在培養基中的溶解度，可提高反應器為了提高氧在培養基中的溶解度，可提高反應器操作壓力和富氧通氣的方法操作壓力和富氧通氣的方法 。氧的培養基中的溶解度氧的培養基中的溶解度第49頁/共54頁LLLDk第50頁/共54頁BLBGdHVdVa066氣體截留率氣體截留率 第51頁/共54頁LBmLGVWdHQa6通氣流量增大，可使比表面積通氣流量增大，可使比表面積a a值增大。值增大。如假定反應器培養液高度為如假定反應器培養液高度為，氣泡的上升速度，氣泡的上升速度為為，通氣流量為，通氣流量為，23BjjBjjmdmdmd直徑為直徑為dBj的氣泡個數的氣泡個數第52頁/共54頁4.體積傳質系數體積傳質系數kLa 影響因素有反應器的幾何形狀、氣體線速影響因素有反應