生化反應(yīng)器的傳遞過程PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1生化反應(yīng)器的傳遞過程生化反應(yīng)器的傳遞過程第1頁/共54頁第2頁/共54頁dydu剪應(yīng)力剪應(yīng)力: :單位流體面積上的剪切力或內(nèi)摩擦力單位流體面積上的剪切力或內(nèi)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(yīng)力與切變率之比不律的流體為，其剪應(yīng)力與切變率之比不是常數(shù)，因而是常數(shù)，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(yīng)力與切變率之比。是指剪應(yīng)力與切變率之比。a第5頁/共54頁0屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 剛度系數(shù)剛度系數(shù) 特點(diǎn)特點(diǎn)：當(dāng)剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，流體不發(fā)生流動(dòng)：當(dāng)剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，流體不發(fā)生流動(dòng)，當(dāng)剪應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)流體才發(fā)生流動(dòng)。，當(dāng)剪應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)流體才發(fā)生流動(dòng)。如黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌如黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發(fā)酵液及生活用品如牙膏，肥皂等發(fā)酵液及生活用品如牙膏，肥皂等)(dyduo第6頁/共54頁nK流動(dòng)特性指數(shù)流動(dòng)特性指數(shù)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(dòng)特性粉、糖溶液、部分中藥提取液屬于這種流動(dòng)特性，發(fā)酵液中較少見。，發(fā)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(yīng)力屈服應(yīng)力 )(dyduo第9頁/共54頁nK0 很多發(fā)酵液屬于非牛頓流體，賓漢流體、擬塑性很多發(fā)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(yǎng)液的粘度培養(yǎng)液的粘度與細(xì)胞濃度的與細(xì)胞濃度的關(guān)系，隨著細(xì)關(guān)系，隨著細(xì)胞濃度的提高胞濃度的提高，發(fā)酵介質(zhì)的，發(fā)酵介質(zhì)的粘度也相應(yīng)增粘度也相應(yīng)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(kuò)散到氣一液界面的阻力氧從氣相主體擴(kuò)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(cè)的滯流液膜，到達(dá)液相主體的通過氣泡外側(cè)的滯流液膜，到達(dá)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(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到達(dá)細(xì)胞團(tuán)與液體界面的阻力達(dá)細(xì)胞團(tuán)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(zhì)系數(shù)的參數(shù)從圖可以看出，影響氧的傳質(zhì)系數(shù)的參數(shù)有氣一液相界面上的氣膜傳質(zhì)系數(shù)有氣一液相界面上的氣膜傳質(zhì)系數(shù)k kG G和和液液膜傳質(zhì)系數(shù)膜傳質(zhì)系數(shù)k kL L及及固一液界面上的液膜傳質(zhì)固一液界面上的液膜傳質(zhì)系數(shù)系數(shù)k kL2L2

6、和在和在固相內(nèi)部的傳質(zhì)速率固相內(nèi)部的傳質(zhì)速率。第21頁/共54頁iiokpN/12阻力推動(dòng)力smmol2/第22頁/共54頁LLiGiokCCkppN/1/12一、氣液相間氧的傳質(zhì)與反應(yīng)（氣液反應(yīng)一、氣液相間氧的傳質(zhì)與反應(yīng)（氣液反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)）宏觀動(dòng)力學(xué)）k kG G為氣膜傳質(zhì)系數(shù)為氣膜傳質(zhì)系數(shù)k kL L為液膜傳質(zhì)系數(shù)為液膜傳質(zhì)系數(shù)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(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；為以氧分壓為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；K KL L為以氧濃度為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為以氧濃度為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)第24頁/共54頁

7、)(*OLOLLSCCakN單位體積培養(yǎng)液中氧的傳質(zhì)速率，單位體積培養(yǎng)液中氧的傳質(zhì)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(qiáng)化。速率的強(qiáng)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(zhì)速率的隨著傳質(zhì)速率的減小，氧的宏觀減小，氧的宏觀反應(yīng)速率將隨之反

8、應(yīng)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(zhì)速率因反應(yīng)而強(qiáng)化傳質(zhì)速率因反應(yīng)而強(qiáng)化 對(duì)一伴有反應(yīng)的氣液相傳質(zhì)過程，假定對(duì)一伴有反應(yīng)的氣液相傳質(zhì)過程，假定其有效速率為其有效速率為Rs，而其純傳質(zhì)速率為，而其純傳質(zhì)速率為Rd，根據(jù)傳質(zhì)被強(qiáng)化的觀點(diǎn)，引入增強(qiáng)因子根據(jù)傳質(zhì)被強(qiáng)化的觀點(diǎn)，引入增強(qiáng)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(zhì)速率無反應(yīng)時(shí)從氣相至液相的傳質(zhì)速率有反應(yīng)時(shí)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(guān)系曲線，關(guān)系曲線，E-Ha關(guān)系可分為三個(gè)部關(guān)系可分為三個(gè)部分。分。Ha0.3，為慢反應(yīng)區(qū)，為慢反應(yīng)區(qū)，此區(qū)反應(yīng)速率很慢，因此區(qū)反應(yīng)速率很慢，因而反應(yīng)速率對(duì)傳質(zhì)速率而反應(yīng)速率對(duì)傳質(zhì)速率無影響，即無強(qiáng)化作用無影響，即無強(qiáng)化作用。過程的速率取決于傳。過程的速率取決于傳質(zhì)速率，質(zhì)速率，屬于物理吸收屬于物理吸收過程過程，傳質(zhì)限制區(qū)。反，傳質(zhì)限制區(qū)。反應(yīng)完全發(fā)生在液相主體應(yīng)完全發(fā)生在液相主體內(nèi)。內(nèi)。第37頁/共54頁應(yīng)較快，部分反應(yīng)在應(yīng)較快，部分反應(yīng)在氣液界面上反應(yīng)，因氣液界面上反應(yīng)，因此強(qiáng)化了傳質(zhì)速率。此強(qiáng)化了傳質(zhì)速率

10、。第38頁/共54頁涉及到氧氣在氣液相間的傳質(zhì)和涉及到氧氣在氣液相間的傳質(zhì)和反應(yīng)。反應(yīng)。HaHaEtanhHaE 第39頁/共54頁)(2OSOLLSLsCCakN液固間傳質(zhì)系液固間傳質(zhì)系數(shù)數(shù) 液固比表面積液固比表面積 細(xì)胞外表面細(xì)胞外表面處氧濃度處氧濃度 二、二、液固相間氧的傳質(zhì)液固相間氧的傳質(zhì)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(yǎng)液中細(xì)胞個(gè)數(shù)單位體積培養(yǎng)液中細(xì)胞個(gè)數(shù) 若細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)為球形，且細(xì)胞密度與液若細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)為球形，且細(xì)胞密度與液體密度接近時(shí)，則體密度接近時(shí)，則 pLLdDk22

11、第41頁/共54頁三、三、 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)氧的傳質(zhì)與反應(yīng)細(xì)胞團(tuán)內(nèi)氧的傳質(zhì)與反應(yīng) 氧進(jìn)入細(xì)胞團(tuán)內(nèi)，一方面向細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)氧進(jìn)入細(xì)胞團(tuán)內(nèi)，一方面向細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散，一方面又被其細(xì)胞消耗，濃度不斷下降散，一方面又被其細(xì)胞消耗，濃度不斷下降。如果把細(xì)胞看成一個(gè)耗如果把細(xì)胞看成一個(gè)耗氧的均勻的球體。設(shè)其氧的均勻的球體。設(shè)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(xì)胞團(tuán)內(nèi)葡萄糖濃度變細(xì)胞團(tuán)內(nèi)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(xì)胞團(tuán)的中央，細(xì)表明在細(xì)胞團(tuán)的中央，細(xì)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(zhì)速率的因素影響氧傳質(zhì)速率的因素 )(*OLOLLSCCakN氧的氣液傳質(zhì)方程氧的氣液傳質(zhì)方程第45頁/共54頁1.1.氧在培養(yǎng)基中的溶解度氧在培養(yǎng)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(shí)，空氣中的氧在純時(shí)，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(yǎng)基中含有大量有機(jī)物和無機(jī)鹽，

13、氧在其培養(yǎng)基中含有大量有機(jī)物和無機(jī)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(nèi)，與空的范圍內(nèi)，與空氣相平衡時(shí)，純水中氧的濃度可用下述經(jīng)驗(yàn)氣相平衡時(shí)，純水中氧的濃度可用下述經(jīng)驗(yàn)式求出：式求出：6 .316 .14*tCW-與空氣平衡時(shí)純水中氧的濃與空氣平衡時(shí)純水中氧的濃度度 *WC第46頁/共54頁EeWKCCC*lg- -氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度 - -電解質(zhì)溶液的濃度電解質(zhì)溶液的濃度- -常數(shù)，與氣體種類、電解質(zhì)種類和溫度有關(guān)常數(shù)，與氣體種類、電解質(zhì)種類

14、和溫度有關(guān)*eCECK第47頁/共54頁iieWIhCC*lg第第i i種離子的常數(shù)種離子的常數(shù) 離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度 EiiICZI221第第i i種離子的價(jià)數(shù)種離子的價(jià)數(shù) 第第i i種離子的濃度種離子的濃度 若為非電解質(zhì)溶液若為非電解質(zhì)溶液NnWKCCC*lg有機(jī)物濃度有機(jī)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(yǎng)基中的溶解度，可提高反應(yīng)器為了提高氧在培養(yǎng)基中的溶解度，可提高反應(yīng)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(yǎng)基中的溶解度氧的培養(yǎng)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(yīng)器培養(yǎng)液高度為如假定反應(yīng)器培養(yǎng)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(gè)數(shù)的氣泡個(gè)數(shù)第52頁/共54頁4.體積傳質(zhì)系數(shù)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa 影響因素有反應(yīng)器的幾何形狀、氣體線速影響因素有反應(yīng)