第三章通氣與攪拌

Chapter4通氣與攪拌（aerationandagitation）本章內(nèi)容:攪拌器與攪拌功率通氣發(fā)酵罐中溶氧

速率與通氣攪拌的關(guān)系一、學(xué)習(xí)目的與要求要求學(xué)生了解液體通氣攪拌反應(yīng)器的攪拌槳葉類型，掌握攪拌器軸功率計(jì)算方法（包括通氣狀態(tài)和不通氣狀態(tài)），以及熟悉非牛頓流體的攪拌器軸功率的計(jì)算。二、考核知識(shí)點(diǎn)與考核目標(biāo)1、重點(diǎn)（1）概念：軸功率、功率準(zhǔn)數(shù)Np、通氣準(zhǔn)數(shù)Na（識(shí)記）（2）攪拌器軸功率計(jì)算（應(yīng)用）2、次重點(diǎn)非牛頓流體的攪拌器軸功率的計(jì)算（理解）3、一般：通氣攪拌反應(yīng)器的攪拌槳葉類型（識(shí)記）第一節(jié)攪拌器與攪拌功率一、攪拌器的型式及流型二、攪拌器軸功率計(jì)算三、非牛頓流體特性四十年代中期，青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，或深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志近代通風(fēng)發(fā)酵工業(yè)的開(kāi)始。在深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)中，發(fā)酵罐是關(guān)鍵設(shè)備。在發(fā)酵罐中，微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)、新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵罐內(nèi)部視圖機(jī)械攪拌通風(fēng)在生物工程工廠中得到廣泛使用，無(wú)論是用微生物作為生物催化劑，還是有酶或動(dòng)植物細(xì)胞(或組織)作生物催化劑的生物工程工廠都有。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，它占了發(fā)酵總數(shù)的70％-80％，故又常稱之為通用式發(fā)酵。一、攪拌器的型式及流型

攪拌器的主要作用是混合和傳質(zhì)，即使通入的空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，氣泡細(xì)碎以增大氣—液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍狻骸?細(xì)胞)三相的混合與質(zhì)量傳遞，同時(shí)強(qiáng)化傳熱過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)這些目的，攪拌器的設(shè)計(jì)應(yīng)使發(fā)酵液有足夠的徑向流動(dòng)和適度的軸向運(yùn)動(dòng)。

Question:

1、下列哪個(gè)氣泡的單位體積表面積最大（）A．直徑1mm的氣泡B．直徑2mm的氣泡C．直徑3mm的氣泡D．直徑4mm的氣泡2.下列氣泡的單位體積表面積最小的是（）

A．直徑1mm的氣泡B．直徑2mm的氣泡C．直徑3mm的氣泡D．直徑4mm的氣泡1、攪拌器的型式徑向軸向（1）徑向流型攪拌器

蝸輪式：蝸輪式攪拌器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳遞能量高、溶氧速率高等優(yōu)點(diǎn)，但其不足之處是軸向混合較差，且其攪拌強(qiáng)度隨著與攪拌軸距離增大而減弱，故當(dāng)培養(yǎng)液較黏稠時(shí)則攪拌與混合效果大大下降。

圓盤(pán)蝸輪攪拌器從攪拌程度來(lái)說(shuō)，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最?。科饺~渦輪彎葉渦輪箭葉渦輪①平直葉型:徑向流強(qiáng)烈、循環(huán)輸送量大、輸出功率大、剪切速率大、混合較好②彎葉型：輸出功率較低、剪切速率較低、徑向流較強(qiáng)烈③箭葉型：輸出功率和剪切速率更低，具有一定的軸向流④新型凹葉型：液-氣體系中氣體分散能力高，輸出功率最低帶圓盤(pán)的渦輪式攪拌器與不帶圓盤(pán)的渦輪式攪拌器相比，有什么優(yōu)點(diǎn)？

圓盤(pán)可以使上升的氣泡受到阻礙，只能從圓盤(pán)中央流至其邊緣，從而被圓盤(pán)周邊的攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數(shù)。葉片數(shù)：Howmany?3—8個(gè)，一般為6個(gè)。（2）軸向流型攪拌器

螺旋槳式攪拌器（推進(jìn)式攪拌器）軸向流型攪拌器可增強(qiáng)罐內(nèi)物料循環(huán)、增加罐內(nèi)的溶解氧、縮短發(fā)酵周期、提高產(chǎn)能以及降低能耗。產(chǎn)生的剪率較低，對(duì)氣泡的分散效果不好葉片一般3片，V﹤25m/s軸向流型攪拌器推進(jìn)式攪拌器軸向流型攪拌器將罐內(nèi)液體向前或向后推進(jìn)（或向下或向上推進(jìn)），使流體形成螺旋狀運(yùn)動(dòng)的圓柱流，它的混合效果較好，對(duì)液體的切剪作用較小。

徑向流型攪拌器和軸向流型攪拌器的結(jié)合國(guó)外實(shí)踐結(jié)果表明，在保持單罐產(chǎn)量一定的條件下，以三層攪拌器為例，最下層仍采用徑向型的渦輪攪拌器，其余兩層改用軸向流型攪拌器時(shí)，與三層均采用徑向流別攪拌器相比，功率消耗可降低15—30％。國(guó)內(nèi)醫(yī)藥行業(yè)在50m3發(fā)酵罐內(nèi)，上兩檔改裝軸流向型攪拌器，作土霉素發(fā)酵試驗(yàn)表明，不但消耗功率下降，發(fā)酵指數(shù)也提高了近15％。

2、擋板

擋板的作用是：①防止液面中央產(chǎn)生漩渦；

②促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解；

③改變液流的方向，由徑向流改為軸向流通常擋板寬度?。?.1-0.12）D，裝設(shè)4~6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變?！侵腹迌?nèi)加了擋板使旋渦基本消失，或指達(dá)到消除液面旋渦的最低擋板條件。全擋板條件

必須滿足條件：D——罐的直徑（mm）n——擋板數(shù)b——擋板寬度（mm）還有哪些也可以起擋板作用?發(fā)酵罐熱交換用的豎立的列管、排管或蛇管也可起相應(yīng)的擋板作用

1、全擋板條件：指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。or消除漩渦所需的最少擋板數(shù).2.在標(biāo)準(zhǔn)的攪拌槽反應(yīng)器中，擋板的直徑是（）

A．罐直徑的1/10一1/12B．罐直徑的1/3一1/4C.罐直徑的1/10一1/40D．只要小于槽直徑的1/2就可以3、在標(biāo)準(zhǔn)的攪拌槽反應(yīng)器中，攪拌漿的直徑是（）A罐直徑的1/10—1/12B罐直徑的1/2—1/3C罐直徑的1/5—1/6D只要小于罐直徑就可以4.渦輪式攪拌器為什么中間安裝一圓盤(pán)？圓盤(pán)可以使上升的氣泡受到阻礙，只能從圓盤(pán)中央流至其邊緣，從而被圓盤(pán)周邊的攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數(shù)。虛擬發(fā)酵罐攪拌流型的仿真模擬實(shí)驗(yàn)

觀察各種攪拌器的流型

3、攪拌器的流型流型

攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型，對(duì)氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有密切關(guān)系。攪拌器造成的流體流動(dòng)型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內(nèi)的附件及其安裝位置的影響。（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型罐中心垂直安裝的螺旋槳，在無(wú)擋板的情況下，在軸中心形成凹陷的旋渦。如在同一罐內(nèi)安裝4~6塊擋板，液體的螺旋狀流受擋板折流，被迫向軸心方向流動(dòng)，使旋渦消失。（2）渦輪式攪拌器的流型三種渦輪攪拌器的攪拌流型基本上相同，各在渦輪平面的上下兩側(cè)形成向上和向下的兩個(gè)翻騰。如不滿足全擋板條件，軸中心位置也有凹陷的旋渦。適當(dāng)?shù)陌才爬鋮s排管，也可基本消除軸中心凹陷的旋渦。（3）裝有套筒時(shí)的攪拌器攪拌流型在罐內(nèi)與垂直的攪拌器同中心安裝套簡(jiǎn)，可以大大加強(qiáng)循環(huán)輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡(jiǎn)的上部入口，抽吸到液體之中，具有自消泡能力。伍氏發(fā)酵罐就是具有這種中心套筒的機(jī)械攪拌罐。二、攪拌器軸功率的計(jì)算攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率，簡(jiǎn)稱軸功率。它不包括機(jī)械傳動(dòng)的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動(dòng)機(jī)的軸功率或耗用功率。發(fā)酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強(qiáng)度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關(guān)系。牛頓型流體：發(fā)酵液的黏度只是液體溫度的函數(shù)。非牛頓型流體：發(fā)酵液的黏度不僅是溫度的函數(shù)，還取決于攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在被攪拌液體中產(chǎn)生的剪切速率。1.牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函數(shù)？（

）A.液體密度B.溫度C.pHD.剪應(yīng)速率2.牛頓流體特性是（）

A．粘度不隨功率輸入改變B.粘度隨功率輸人增大而變大

C．粘度隨功率輸入增大而變小

D.根據(jù)牛頓流體的類型，粘度隨功率物人增大而變大或變小1、單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計(jì)算一個(gè)具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素：葉輪和罐的相對(duì)尺寸攪拌器的轉(zhuǎn)速流體的性質(zhì)擋板的尺寸和數(shù)目通過(guò)因次分析，全擋板條件下，得：

式中P0：不通氣時(shí)攪拌器輸入液體的功率（W）

ρ：液體的密度（kg/m3）

μ：液體的粘度（N.s/m2）

D：渦輪直徑（m）

N：渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（r/s）

K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態(tài)

是一個(gè)無(wú)因次數(shù)，可定義為功率準(zhǔn)數(shù)NP。該準(zhǔn)數(shù)表征著機(jī)械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。式中ω：渦輪線速度

a：加速度

V：液體體積

m：液體質(zhì)量攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP的求解

攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)ReM＞104，達(dá)到充分湍流之后，ReM增加，攪拌功率P0雖然將隨之增大，但NP保持不變，即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數(shù)，此時(shí)

P0=NPD5N3ρ

1.對(duì)于圓盤(pán)六箭葉渦輪，培養(yǎng)對(duì)象為牛頓型流體，攪拌功率計(jì)算的功率準(zhǔn)數(shù)Np等于3.7的條件為（

）A．全擋板條件B．ReM≥104

C．ReM≤104D．液體湍流E．液體滯留湍流和滯留湍流：也稱紊流，其特征是流體在流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)有劇烈的騷擾渦動(dòng)，一層滑過(guò)一層的粘性流動(dòng)情況基本消失，只是靠近管壁處還保留滯留的形態(tài)。湍流時(shí)，靠近管壁一定距離的流體流速逐步增大，接近管中央相當(dāng)范圍內(nèi)的流體流速接近最大流速；管內(nèi)流體的平均流速為管中央最大流速的0.8左右。滯留：也稱層流，其特征是當(dāng)流體在圓管中作滯留流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)作一層滑過(guò)一層的位移，層與層之間沒(méi)有明顯的干擾。各層間分子只因擴(kuò)散而移動(dòng)。流體的流速沿?cái)嗝姘磼佄锞€分布；緊靠管壁的流體流速等于零，管中央的流速最大，管中流體的平均流速為最大流速的1/2。2、多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計(jì)算相同轉(zhuǎn)速下，多只渦輪比單只渦輪輸出更多功率：渦輪只數(shù)+渦輪間距：兩只渦輪形成的液流互不干擾，P=2P0兩只渦輪形成的液流重疊：P﹤2P0使用多個(gè)渦輪時(shí)，兩者間的距離S，對(duì)非牛頓型流體可取為2D；對(duì)牛頓型流體可取2.5~3.0D；靜液面至上渦輪的距離可取0.5~2D；下渦輪至罐底的距離C可取0.5~1.0D。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或?qū)崪y(cè)結(jié)果都表明，多個(gè)渦輪輸出的功率近似等于單個(gè)渦輪的功率乘以渦輪的個(gè)數(shù)。3、通氣液體機(jī)械攪拌功率的計(jì)算同一攪拌器在相等的轉(zhuǎn)速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。功率的降低，不僅與液體平均重度的降低有關(guān)，而且主要取決于渦輪周?chē)鷼庖航佑|的狀況。邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測(cè)量其輸出功率，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上將Pg標(biāo)繪成渦輪直徑D，轉(zhuǎn)速，空氣流量Q和P0的函數(shù)，得出以下關(guān)系式：福田秀雄在100升至42000升的系列設(shè)備里，對(duì)邁凱爾關(guān)系式進(jìn)行了校正，得

將多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別標(biāo)出，與實(shí)測(cè)的對(duì)應(yīng)的Pg在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪。

圖中的直線斜率為0.39，截距為2.4×10-3由此得出邁凱爾的修正關(guān)系式

計(jì)算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T＝1.8(米)圓盤(pán)六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌器轉(zhuǎn)速N＝168轉(zhuǎn)／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)罐壓P＝1.5絕對(duì)大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求計(jì)算Pg(1)計(jì)算ReMReM=ρD2N/μ=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)計(jì)算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)計(jì)算Pg１、軸功率是指攪拌器以既定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率。2、發(fā)酵罐通氣條件下的攪拌功率與不通氣條件下的攪拌功率的關(guān)系通常是（）A小于B大于C等于D無(wú)關(guān)３.某細(xì)菌醪發(fā)酵罐：罐直徑1.8m，液位高度1.8m，裝配單只圓盤(pán)六彎葉渦輪，直徑0.60m，罐內(nèi)裝四塊擋板，攪拌器轉(zhuǎn)速１８０r/min，VVM為1.0（已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量），發(fā)酵罐的裝填系數(shù)為０．７，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ＝1020kg/m3。請(qǐng)根據(jù)Michel修正式計(jì)算Pg。六計(jì)算題1.某細(xì)菌醪發(fā)酵罐：罐直徑D=1.8m，圓盤(pán)六彎葉渦輪直徑d=0.60m，液位高度HL=1.8m，一只渦輪，罐內(nèi)裝四塊擋板，攪拌器轉(zhuǎn)速168r/min，VVM為1.0（已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量），醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3，請(qǐng)根據(jù)Michel修正式計(jì)算Pg2.今有一發(fā)酵罐，內(nèi)徑2m，裝液高度3m，安裝一六彎葉渦論式攪拌器，攪拌器直徑0.7m，轉(zhuǎn)數(shù)為150r/min，設(shè)發(fā)酵液密度為1050kg/m3，粘度為1N·S/m2，試求攪拌器所需功率大小。3.與上題相同條件下，若在發(fā)酵罐中通入空氣量為6m3/min，（操作狀態(tài)下），試求通氣時(shí)所需攪拌功率。

解：（1）已知此細(xì)菌醪為牛頓型流體。對(duì)于六彎葉渦輪漿，Np=4.7(2分)（2）P0=NpD5N3ρ（1分）

P0=4.7×0.65×（168/60）3×1020（2分）

=8183（W）=8.183kW(1分)（3）發(fā)酵液體積VL=3.14/4×1.82×1.8=4.58(m3),通氣比VVM為1.0，所以Qg=4.58m3/min(2分)(2分)

Pg=2.25×10-3×(8.1832×168×603÷45800000.08)0.39=6.38kW(2分)某細(xì)菌醪發(fā)酵罐：罐直徑D=1.8m，圓盤(pán)六彎葉渦輪直徑d＝0.60m，液位高度HL=1.8m，一只渦輪，罐內(nèi)裝四塊擋板，攪拌器轉(zhuǎn)速168r/min，VVM為1.0（已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量），醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ＝1020kg/m3。請(qǐng)根據(jù)Michel修正式計(jì)算Pg。

3、非牛頓流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)算的影響牛頓型流體的主要特征就是其粘度μ只是溫度的函數(shù)，與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。非牛頓型流體的粘度μ不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而異。一般，用水解糖液、糖蜜等原料做成的培養(yǎng)基的屬于牛頓型流體。直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度的細(xì)菌或酵母菌醪液接近于牛頓型流體。霉菌及放線菌醪液均屬于非牛頓型流體。牛頓型流體：服從牛頓粘性定律的流體。非牛頓型流體：不遵循牛頓粘性定律的流體。1為牛頓流體，黏度為常數(shù)，不隨剪切速率的改變而改變2、3、4為非牛頓流體，黏度隨流體的流動(dòng)狀態(tài)改變而改變，其中2為擬塑性流體，黏度隨剪切速率的增大而減小，4為膨脹性流體，黏度隨剪切速率增大而增大，3為彬漢塑性流體，τ小于τy時(shí)流體不流動(dòng)，大于τy時(shí)為牛頓流體對(duì)于牛頓流體，剪切應(yīng)力與剪切速率之比為常數(shù)，稱為牛頓粘度，對(duì)于非牛頓流體，剪切應(yīng)力與剪切速率之比隨剪切應(yīng)力而變化，所得的粘度稱在相應(yīng)剪切應(yīng)力下的“表觀粘度”。塑料屬于后一種情況。

幾種典型的非牛頓流體比較擬塑性流體：主要流變特征是其黏度隨dω/dγ(剪應(yīng)速率)的升高而降低；彬漢塑性流體：主要流變特征是τ≤τy,

液層間的dω/dγ=0，τ＞τy，黏度與dω/dγ無(wú)關(guān)；膨脹性流體：主要流變特征是其黏度隨dω/dγ的增大而升高。四種流體可用下面公式統(tǒng)一表示：牛頓流體：n=1，K=μ為常數(shù)彬漢塑性：n=1，K=μp為常數(shù)擬塑性流體：n<1,n愈小，擬塑性愈強(qiáng)；膨脹性流體：n>1，n愈大，膨脹性愈強(qiáng)在攪拌罐中用同一攪拌速度攪拌液體時(shí)，剪應(yīng)速率的分布是不同的。所謂某一攪拌速率時(shí)的剪應(yīng)速率指的是剪應(yīng)速率的平均值。非牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算與牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計(jì)算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據(jù)實(shí)驗(yàn)繪出其NP~ReM曲線。根據(jù)米茲納大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證明，牛頓型流體與非牛頓型液體的NP~ReM曲線的差別僅存在于ReM

＝10~300區(qū)間之內(nèi)。如果為了近似的計(jì)算，不要求較高的準(zhǔn)確度，那么的非牛頓型液體的NP~ReM曲線也可以不要實(shí)際標(biāo)繪。可以用牛頓型流體的NP~ReM曲線代替非牛頓型液體的NP~ReM曲線。非牛頓流體攪拌軸功率的計(jì)算：A：確定發(fā)酵罐的幾何尺寸和攪拌轉(zhuǎn)數(shù)N。B：用（dw/dr）平均=KN計(jì)算（dw/dr）平均。C：測(cè)定一定溫度下，菌體生長(zhǎng)最旺盛時(shí)的液體流變性特征曲線，查即定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的顯示粘度。D：取小罐實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制Np~Rem曲線。E：對(duì)與小罐幾何相似的大罐，按牛頓流體方法計(jì)算Po，再計(jì)算Pg。只要避開(kāi)Rem=10~300區(qū)間，可以用牛頓流體的Np~Rem曲線代替擬塑性流體的Np~Rem曲線。1、非牛頓性流體的黏度性質(zhì)（）Ａ黏度不隨流體狀態(tài)改變Ｂ黏度隨流體狀態(tài)改變Ｃ和理想氣體相似Ｄ和水的相似2.牛頓流體特性是（）

A.粘度不隨功率輸入改變

B.粘度隨功率輸入增大而變大

C.粘度隨功率輸入增大而變小

D.根據(jù)牛頓流體的類型，粘度隨功率的增大而變大或變小3.攪拌轉(zhuǎn)速升高，流體的粘度變大。則該流體為（）

A．牛頓流體B．?dāng)M塑性流休

C．膨脹性流體D．彬漢塑性流體4.對(duì)于擬塑性流體，下列說(shuō)法正確的是（）

A．n<1，n越小，擬塑性越強(qiáng)

B．n<1，n越小，擬塑性越弱

C．n>1，n越大，擬塑性越強(qiáng)

D．n>1，n越大，擬塑性越弱5、牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函數(shù)？（）

A液體密度B溫度

CpHD剪應(yīng)速率6、對(duì)于膨脹性流體，下列說(shuō)法正確的是（）An﹤1，n越大，膨脹性越強(qiáng)Bn﹤1，n越大，膨脹性越弱Cn﹥1，n越大，膨脹性越強(qiáng)Dn﹥1，n越大，膨脹性越弱7、什么是非牛頓性流體？幾種典型的非牛頓流體的流變學(xué)特性是什么？表觀粘度如何定義？答：牛頓流體是指在任意小的外力作用下即能流動(dòng)的流體，并且流動(dòng)的速度梯度(D)與所加的切應(yīng)力(τ)的大小成正比，這種流體就叫做牛頓流體。牛頓流體的流變方程是：τ＝ηD

符合牛頓流體定律的流體稱為牛頓型流體，不符合牛頓流體定律的流體稱為非牛頓流體

8、當(dāng)發(fā)酵液為非牛頓性流體時(shí)，說(shuō)明發(fā)酵罐攪拌功率的計(jì)算方法。（15’模擬題）A：確定發(fā)酵罐的幾何尺寸和攪拌轉(zhuǎn)數(shù)N。B：用（dw/dr）平均=KN計(jì)算（dw/dr）平均。C：測(cè)定一定溫度下，菌體生長(zhǎng)最旺盛時(shí)的液體流變性特征曲線，查即定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的顯示粘度。D：取小罐實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制Np~Rem曲線。E：對(duì)與小罐幾何相似的大罐，按牛頓流體方法計(jì)算Po，再計(jì)算Pg。只要避開(kāi)Rem=10~300區(qū)間，可以用牛頓流體的Np~Rem曲線代替擬塑性流體的Np~Rem曲線。8、非牛頓型流體的攪拌功率如何計(jì)算？

非牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算與牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計(jì)算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據(jù)實(shí)驗(yàn)繪出其NP~ReM曲線。1.牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函數(shù)？（

）A.液體密度B.溫度C.pHD.剪應(yīng)速率2.提高轉(zhuǎn)速可提高（）A.C*B.速度C.培養(yǎng)基黏度D.軸功率3.發(fā)酵罐通氣條件下的攪拌功率與不通氣條件下的攪拌功率的關(guān)系通常是（

）A小于B大于C等于D無(wú)關(guān)4.牛頓流體特性是（

）A．粘度不隨功率輸入改變B.粘度隨功率輸人增大而變大C．粘度隨功率輸入增大而變小D.根據(jù)牛頓流體的類型，粘度隨功率物人增大而變大或變小5.攪拌轉(zhuǎn)速升高，流體的粘度變大。則該流體為（）

A．牛頓流體B．?dāng)M塑性流休C．膨脹性流體D．彬漢塑性流體6.對(duì)于擬塑性流體，下列說(shuō)法正確的是（）A．n<1，n越小，擬塑性越強(qiáng)B．n<1，n越小，擬塑性越弱C．n>1，n越大，擬塑性越強(qiáng)D．n>1，n越大，擬塑性越弱7.在標(biāo)準(zhǔn)的攪拌槽反應(yīng)器中，擋板的直徑是（

）A．罐直徑的1/10一1/12B．罐直徑的1/3一1/4C．罐直徑的1/10一1/40D．只要小于槽直徑的1/2就可以8.非牛頓流體的粘度性質(zhì)是（

）

A．粘度不隨流體狀態(tài)改變B.粘度隨流體狀態(tài)改變C．和理想氣體的相似D.和水的相似9.攪拌轉(zhuǎn)速升高，流體的粘度降低。則該流體為（

）

A．牛頓流體B．?dāng)M塑性流休

C．膨脹性流體D．彬漢塑性流體10.在標(biāo)準(zhǔn)的攪拌槽反應(yīng)器中，攪拌漿的直徑是（

）A.罐直徑的1/10—1/12B.罐直徑的1/2—1/3C.罐直徑的1/5—1/6D.大于槽直徑的一半11.進(jìn)行好氧微生物培養(yǎng)的過(guò)程中，反應(yīng)器首選的混合模式是（

）

A．層流B．瞬變流C．湍流D．平流12.攪拌轉(zhuǎn)速增大，流體的粘度變小，則該流體為（）

A.牛頓流體B.擬塑性流體

C.膨脹性流體C.彬漢塑性流體13.對(duì)于擬塑性流體，下列說(shuō)法正確的是（）

A．n<1，n越小，擬塑性越強(qiáng)

B．n<1，n越小，擬塑性越弱C．n>1，n越大，擬塑性越強(qiáng)D．n>1，n越大，擬塑性越弱14、攪拌反應(yīng)器中擋板的功能是（）A.擋板防止湍流在攪拌反應(yīng)器中出現(xiàn)B.擋板在低攪拌轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)湍流C.擋板可以使在裝有徑向攪拌器的反應(yīng)器中產(chǎn)生軸向流D.擋板在高攪拌轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)湍流15.Pg的含義（）A.無(wú)通氣時(shí)發(fā)酵罐表壓B.通氣時(shí)發(fā)酵罐表壓C.無(wú)通氣時(shí)攪拌軸功率C.通氣時(shí)攪拌軸功率16.某發(fā)酵液的流變特征符合模型，數(shù)據(jù)分析表明K為0.031—0.174，n為0.8015—0.9653，此發(fā)酵液屬于（）A.牛頓流體B.擬塑性流體C.漲塑性流體D.彬漢塑性流體17.能夠產(chǎn)生徑向流的攪拌槳有（）A.翼型槳B.三葉式螺旋槳C.圓盤(pán)平直葉窩輪槳D.圓盤(pán)彎葉窩輪槳E.圓盤(pán)箭葉窩輪槳第二節(jié)通氣發(fā)酵罐中溶氧

速率與通氣攪拌的關(guān)系——氧的供需一、學(xué)習(xí)目的與要求要求學(xué)生掌握細(xì)胞對(duì)氧的需求，培養(yǎng)過(guò)程中的氧傳遞，影響供氧的因素，溶解氧、攝氧率和kLa的測(cè)定方法。二、考核知識(shí)點(diǎn)與考核目標(biāo)1、重點(diǎn)（1）概念：比耗氧速率，攝氧率，臨界氧濃度，氧的傳遞通量，雙膜理論，體積溶氧速率，體積溶氧系數(shù)（識(shí)記）（2）影響供氧的因素（理解）（3）攝氧率和kLa的測(cè)定（理解）

2、次重點(diǎn)培養(yǎng)過(guò)程中的氧傳遞（識(shí)記）

3、一般：（1）溶解氧對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響（識(shí)記）（2）溶解氧對(duì)發(fā)酵代謝產(chǎn)物生成的影響（識(shí)記）調(diào)節(jié)溶解氧的主要方法調(diào)節(jié)通氣量：調(diào)節(jié)氧氣分壓；調(diào)節(jié)氣液接觸時(shí)間：調(diào)節(jié)氣液接觸面積：改變培養(yǎng)基的性質(zhì)：另外：發(fā)酵液中加入適量的“氧載體”——不溶于水，有很強(qiáng)的溶氧能力?！吧锕こ倘苎酢盜ntroductionSupplyingoxygentoaerobiccellshasalwaysrepresentedasignificantchallengetofermentationtechnologists.Theproblemderivesfromthefactthatoxygenispoorlysolubleinwater.ThesolubilityofSucroseis600g.l-1.oxygenat4°Cinpurewaterisonly8mg.l-1.Satisfyingoxygendemandscanoftenconstitutealargeproportionoftheoperatingandcapitalofaindustrialscalefermentationsystem.一、雙膜理論（two-filmtheory）1.雙膜理論的基本前提：（1）氣泡和液體之間存在界面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處于層流狀態(tài)，氧分子只能借濃度差以擴(kuò)散方式透過(guò)雙膜，氣體和液體主流空間中任一點(diǎn)的氧分子濃度相同。（2）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡關(guān)系。（3）傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)間而變。pAcA

pA,i

cA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳質(zhì)方向圖雙膜理論示意圖溶質(zhì)A在氣相中的分壓溶質(zhì)A在液相中的摩爾濃度2.傳氧速率方程

氣膜的傳氧推動(dòng)力為（P-Pi），液膜推動(dòng)力為（Ci-C），通過(guò)兩膜的氧傳遞速率N應(yīng)相等

N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)

N---------傳氧速率（kmol/m2·h）

kG--------氣膜傳質(zhì)系數(shù)（kmol/m2·h·atm)

kL--------液膜傳質(zhì)系數(shù)（m/h）或（kmol/m2h)×(m3/kmol)

P--------氣相主流中氧的分壓(atm)

Pi-------氣液界面上的氧分壓(atm)

C--------液相主流中氧的濃度（kmol/m3）

Ci-------氣液界面上氧的平衡濃度（kmol/m3）亨利定律：與溶解濃度相平衡的理想氣體的分壓與該氣體所溶解的分子濃度成正比：P=HC*P*=HCH-----------亨利常數(shù)，它表示氣體溶解于液體的難易程度，H越大表征該氣體越難溶。氧是很難溶于水的氣體，所以H很大。因此KL≈kL。說(shuō)明此過(guò)程液膜阻力是主要控制因素。N=KL(C*-C)≈kL(C*-C)在式子兩邊各乘以單位體積培養(yǎng)液中氣液兩相的總的接觸面積a(m2/m3)則得：Nv=KLa(C*-C)=kLa(C*-C)Nv---------體積溶氧速率（kmol/m3·h）KLa或kLa------以(C*-C)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)，簡(jiǎn)稱體積溶氧系數(shù)（1/h）a---------單位體積培養(yǎng)液中氣液兩相的總接觸面積（m2/m3）由于Nv每立方米液體每小時(shí)的溶氧量，是可以實(shí)際測(cè)量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。3.影響傳氧速率的因素?cái)嚢瑁ū缺砻娣e、氣液接觸時(shí)間）空氣流速空氣分布管氧分壓（（C*-C）或（P-P*），）發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度（H/D=2~3

）罐容（發(fā)酵罐體積大的氧利用率高）發(fā)酵液的性質(zhì)（黏度、表面張力、離子濃度）溫度（溫度增高能提高kLa

）泡沫和消泡劑二.溶氧系數(shù)及其測(cè)定

1.溶氧系數(shù)常見(jiàn)的形式kLa-----以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)(1/h)kGa-----以氧分壓差為推動(dòng)力的溶氧系數(shù)（mol/ml·h·atm)kd------亞硫酸鹽氧化值（mol/ml·min·atm)Kv------與kd相同，但單位表示不同(kmol/m3·h·atm)上述四種表示形式中，除kLa是以濃度差為推動(dòng)力外，其他三種表示形式都是以壓力差為推動(dòng)力。2.體積氧傳遞系數(shù)KLa的測(cè)定

亞硫酸鹽氧化法動(dòng)態(tài)法氧衡算法取樣極譜法排氣法2.1亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法的原理和實(shí)驗(yàn)程序用Cu2+為催化劑，溶解在水中的O2能立即將水中的SO32-氧化成為SO42-，使溶液中溶氧的濃度為零，即C=0在亞硫酸鹽氧化法中規(guī)定C*=0.21mmol/L。（1）原理利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時(shí)被氧迅速氧化的特性來(lái)估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效果。

當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.018～0.47mol/L，溫度20～45℃之間時(shí)，與氧反應(yīng)的速度幾乎不變，用碘量法測(cè)定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化量來(lái)求得氧的溶解量。反應(yīng)原理：剩余的亞硫酸根與過(guò)量的碘反應(yīng)：再用Na2S2O3滴定剩余的碘：剩余的亞硫酸根與過(guò)量的碘反應(yīng)（2）.操作

①將一定溫度（20～45℃）的自來(lái)水加入實(shí)驗(yàn)罐，加入化學(xué)純的Na2SO3晶體，使亞硫酸根約為1M，再加化學(xué)純的CuSO4晶體，使Cu2+濃度約為10-9M，待完全溶解后，開(kāi)閥通氣，空氣閥一開(kāi)就接近預(yù)定流量。當(dāng)氣泡從噴管中冒出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí),氧化時(shí)間控制在5～20min.（3）計(jì)算方法:N：體積溶氧系數(shù)C：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時(shí)間間隔P：發(fā)酵罐的罐壓S：取樣量NV：體積溶氧速率N：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時(shí)間間隔P：發(fā)酵罐的罐壓（P=1atm）V：硫代硫酸鈉取樣量由：Nv=kLa(C*-C)所以:優(yōu)點(diǎn)：氧溶解和亞硫酸鹽濃度無(wú)關(guān)，反應(yīng)速度快，不需要特殊儀器缺點(diǎn)：影響因素多，工作容積只能在4～80L以內(nèi)測(cè)定才比較可靠2

、動(dòng)態(tài)法動(dòng)態(tài)法測(cè)量KLa是利用溶氧電極進(jìn)行的，測(cè)量的是真實(shí)發(fā)酵液的KLa值。原理：利用非穩(wěn)態(tài)時(shí)，溶氧濃度的變化速率等于溶入的氧濃度和耗氧濃度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）-QO2X重排列上式：C=-1/KLa（dc/dt+QO2X）+C將非穩(wěn)態(tài)時(shí)溶氧濃度C對(duì)（dc/dt+QO2X）作圖，可得一直線，此直線的斜率值即為-1/KLa。采用的方法是：A：停止通氣，使發(fā)酵罐中的溶氧濃度下降。B：恢復(fù)通氣（在溶氧濃度降到臨界溶氧濃度之前恢復(fù)通氣）。3、氧衡算法

原理：通過(guò)氧的衡算，直接測(cè)定溶氧速率。在培養(yǎng)過(guò)程中，供氧和耗氧速率平衡時(shí)，液相氧的濃度不變。OTR——氧的傳遞速率,mol/(m3.s)；Q1、Q0——分別為進(jìn)、出空氣流量,m3/s；p1、p0——分別為進(jìn)、出口空氣壓力,Pa；y1、y2——分別為進(jìn)、出口空氣氧的分子分?jǐn)?shù)；T1、T0——分別為進(jìn)、出口空氣溫度,K；R——為通用氣體常數(shù),8.314J/(mol.K)；V——為培養(yǎng)液體積，m3.4、取樣極譜法

原理：當(dāng)電壓為0.6~1.0V時(shí)，其擴(kuò)散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。操作：將從發(fā)酵罐中取出的樣品置入極譜儀的電池中，并記下隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中的氧濃度CL的數(shù)值KLa=Qo2X/C*-CL=斜率/C*-CLC*

驅(qū)出溶解氧，開(kāi)始通氣后，在被測(cè)定的發(fā)酵罐中用氮?dú)舛〞r(shí)取樣，用極譜儀測(cè)出溶氧濃度dc/dt=KLa(C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa×t+常數(shù)KLa＝－2.303×斜率5、排氣法C*建立KLa與設(shè)備參數(shù)及操作變數(shù)之間關(guān)系式的重要性在于生物反應(yīng)器的比擬放大。三.kLa與設(shè)備參數(shù)及操作變數(shù)之間的關(guān)系影響生物反應(yīng)器傳氧系數(shù)大小的因素有操作變數(shù)、培養(yǎng)液物性及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等三部分。其中操作變數(shù)包括溫度、壓力、通風(fēng)量和攪拌功率等四個(gè)因素；培養(yǎng)液物性包括黏度、密度、表面張力、氧在液相中擴(kuò)散系數(shù)和溶解度等五個(gè)因素，取決于培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)液濃度、發(fā)酵類型和操作條件（即溫度、壓力）等因素。而反應(yīng)器結(jié)構(gòu)方面包括的因素更多，如生化反應(yīng)器型式、機(jī)械攪拌型式或液體循環(huán)裝置型式、反應(yīng)器各部分尺寸比例及空氣分布裝置等。Richard公式：kLa=k’(Pg/V)0.4·Vs0.5·n0.5Pg/V---------單位體積發(fā)酵液所輸入的攪拌功率（kw/m3）Vs-----------反應(yīng)器內(nèi)空截面空氣流速（m/h)n------------攪拌轉(zhuǎn)速（r/h）k’-----------設(shè)備的形狀系數(shù)從式中可知，增加攪拌器轉(zhuǎn)速n以提高輸入功率Pg，增加通氣量以提高Vs都可以增加kLa值。但當(dāng)通氣量超出一定范圍時(shí)，Pg將隨之下降，甚至導(dǎo)致kLa下降。此時(shí)必須相應(yīng)提高n才能維持kLa的上升趨勢(shì)。但隨n的增加，攪拌器槳葉尖端剪切速率相應(yīng)增加，因而對(duì)培養(yǎng)物生理活性的危害也相應(yīng)增加。此關(guān)系式只適用于牛頓型流體，不適用于非牛頓流體。1、機(jī)械攪拌罐KLa=f(d,n,ωg，DL，μL，ρL,σ,g)σ——液體表面張力，N/m；ωg——?dú)怏w流速，m/s。2、氣升環(huán)流式罐

工作原理：借空氣噴嘴的作用而使空氣氣泡分割細(xì)碎，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內(nèi)的發(fā)酵液輕，加上壓縮空氣的噴流動(dòng)能，因此使上升管的液體上升，罐內(nèi)液體下降而進(jìn)入上升管，形成反復(fù)的循環(huán)，供給發(fā)酵液所耗的溶解氣量。KLa=f[(Ug)r,(UL)r,Dr,T,HL,μ，ρ,σ,d,g]

(Ug)r——升液管空截面氣流速度（m/s）；(UL)r——升液管空截面液流速度（m/s

）；Dr——升液管直徑（m）；T——反應(yīng)器外直徑（m）；HL——反應(yīng)器內(nèi)液面高（m）；μ——液體黏度（N.s/m2）；ρ——液體密度(kg/m3)；σ——界面表面張力(N/m)；d——O2在液相中的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；g——重力加速度（m/s2）。氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器

多層空氣分布板的氣升環(huán)流發(fā)酵罐氣升環(huán)流式反應(yīng)器具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐

1一發(fā)酵罐2一通氣管

3一發(fā)酵液進(jìn)口

4一空氣分布器5一空氣進(jìn)口6一循環(huán)泵

7一發(fā)酵液出口8一熱交換器9一噴嘴

10一發(fā)酵液出口12一排氣管實(shí)驗(yàn)用氣升式玻璃發(fā)酵罐

BIOTECH實(shí)驗(yàn)用氣升式發(fā)酵罐體積達(dá)3000m3，液柱高達(dá)55m，發(fā)酵液2100m3。英國(guó)伯明翰ICI公司的壓力循環(huán)發(fā)酵罐

典型的氣升環(huán)流發(fā)酵罐(一)有效體積高達(dá)8000—20000m3

廢水處理反應(yīng)器

典型的氣升環(huán)流發(fā)酵罐(二)四.Kla和溶氧速率的調(diào)控

（1）增加攪拌器轉(zhuǎn)速N，以提高Pg，可以有效的提高KLa。（2）加大通氣量Q，以提高Vs。（3）為提高Nv，除了提高kLa之外，提高C*也是可行的方法之一。在空氣中通入純氧，或在可能時(shí)提高罐內(nèi)操作壓力，均可使C*增高，從而提高了氧的傳遞推動(dòng)力。（4）高徑比調(diào)節(jié)。（5）絲狀真菌的繁殖導(dǎo)致發(fā)酵液粘度的急劇上升和kLa的急劇下降。（6）向發(fā)酵液中添加少量的水不溶另一液相。傳氧效率單位溶解氧功耗kLa值的大小是評(píng)價(jià)生化反應(yīng)器的重要指標(biāo)，但不是唯一指標(biāo)。一個(gè)性能良好的反應(yīng)器不僅應(yīng)具有較高的溶氧系數(shù)kLa值，而且其能量消耗是最低的。作為評(píng)價(jià)通氣生化反應(yīng)器的另一個(gè)重要指標(biāo)是單位溶解氧功耗，即溶解1kg或1kmolO2所需要的功率，它反映該反應(yīng)器傳氧效率的高低。1、增加生物反應(yīng)器的高度能加快氧傳遞速率是因?yàn)椋˙）A．減小了反應(yīng)器中飽和氧濃度B．增加反應(yīng)器中氧分壓C．減小氣體的停頓D．加快氣體傳輸2、較高的溫度如何影響氧的傳遞（A）A.增加kLa但是C0＊降低B.kLa降低但是C0＊增加C.kLa和C0＊增加D．kLa和C0＊降低3、可以增加通氣體系的氧傳遞速率的方式有（ＣＤＥ）Ａ增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)Ｂ升高體系溫度Ｃ增加攪拌轉(zhuǎn)速Ｄ增加通氣量Ｅ對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)稀釋4、提高通氣量可提高（Ｄ）

AC*B軸功率C培養(yǎng)基黏度D溶氧濃度5、在什么情況下液體培養(yǎng)的好氧微生物生長(zhǎng)只受到氧的影響（Ａ）A溶解氧小于臨界濃度B溶解氧濃度大于臨界濃度C溶解氧濃度大于氧的飽和濃度D溶解氧濃度處于臨界濃度和飽和濃度之間6、攝氧率：耗氧速率單位時(shí)間單位體積內(nèi)的耗氧量(mmol/L.h)7、簡(jiǎn)述雙膜理論的基本前提答：（1）氣泡和液體之間存在界面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處于層流狀態(tài)，氧分子只能借濃度差以擴(kuò)散方式透過(guò)雙膜。（２）氣體和液體主流空間中任一點(diǎn)的氧分子濃度相同。（３）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡關(guān)系。（４）傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)間而變。8、依據(jù)氣液傳遞速率方程，論述影響供氧的因素。答：Nv=kLa(C*-C)即影響KLa和(c*-c)的因素?cái)嚢杩諝饬魉倏諝夥植脊苎醴謮喊l(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度罐容發(fā)酵液的性質(zhì)（黏度、表面張力、離子濃度）溫度（溫度增高能提高kLa

）泡沫和消泡劑9.體積溶氧傳遞系數(shù)：液膜傳質(zhì)系數(shù)與單位體積培養(yǎng)液中氣液兩相的總的接觸面積a的乘積?；蛞?C*-C)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)。或ｋＬａ是發(fā)酵罐傳氧速率大小的表示。10.簡(jiǎn)述攪拌對(duì)氣液傳遞速率的影響。答：形成小氣泡，增大比表面積液體渦流運(yùn)動(dòng)，增加氣液接觸時(shí)間料液湍流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)傳質(zhì)使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)11.試述用動(dòng)態(tài)法測(cè)定發(fā)酵體系KLa的原理和方法答：動(dòng)態(tài)法測(cè)量Kla是利用溶氧電極進(jìn)行的，測(cè)量的是真實(shí)發(fā)酵液的Kla值。原理：利用非穩(wěn)態(tài)時(shí)，溶氧濃度的變化速率等于溶入的氧濃度和耗氧濃度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）-QO2X重排列上式：C=-1/Kla（dc/dt+QO2X）+C將非穩(wěn)態(tài)時(shí)溶氧濃度C對(duì)（dc/dt+QO2X）作圖，可得一直線，此直線的斜率值即為-1/Kla。采用的方法是：A：停止通氣，使發(fā)酵罐中的溶氧濃度下降。B：恢復(fù)通氣（在溶氧濃度降到臨界溶氧濃度之前恢復(fù)通氣）。12.概述亞硫酸鈉氧化法測(cè)定Kla的原理

13、提高發(fā)酵液中氧傳遞速率的主要途徑是什么？從提高Kla的角度可采用：A：增加攪拌轉(zhuǎn)數(shù)N，以提高Pg。B：增大通氣量Q，以提高空截面氣速Vs。C：N和Q同時(shí)增加。從提高傳質(zhì)推動(dòng)力角度可采用：E：提高罐壓F：通入純氧簡(jiǎn)答、論述題1.概述亞硫酸鈉氧化法測(cè)定Kla的原理。2.簡(jiǎn)述攪拌對(duì)氣液傳遞速率的影響。3.試述用動(dòng)態(tài)法測(cè)定發(fā)酵體系KLa的原理和方法。4.雙膜理論的基本論點(diǎn)是什么？什么是液膜控制？什么是氣膜控制？5.氧衡算法測(cè)量Kla的原理。6.不通氣和通氣條件下發(fā)酵罐的攪拌器軸功率的計(jì)算方法。7.調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器氧傳遞速率及Kla的途徑有那些？8.非牛頓型流體的攪拌功率如何計(jì)算？9.什么是臨界溶氧濃度？如何測(cè)定？是否所有的好氧培養(yǎng)過(guò)程都必需控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以上？10.提高發(fā)酵液中氧傳遞速率的主要途徑是什么？11.主要有哪幾種測(cè)量Kla的方法，說(shuō)明它們的適用場(chǎng)合。1、什么是溶解氧?溶解氧是指溶解在水里氧的量,通常記作DO,用每升水里氧氣的毫克數(shù)表示在培養(yǎng)基中培養(yǎng)的細(xì)胞一般只能利用溶解氧.2、為什么要在發(fā)酵的過(guò)程中不斷地提供溶解氧?①生成ATP,需要溶解氧②氧,是難溶于水的氣體,在通常的情況下,培養(yǎng)基中的氧并不多,很快用完.350C,溶解度為7.1mg/L,只能維持15—20秒，溶氧隨溫度升高而下降3、如何實(shí)現(xiàn)不斷供氧?

通無(wú)菌空氣(壓縮空氣)

從發(fā)酵罐的底部的通風(fēng)管導(dǎo)入無(wú)菌空氣.4、什么是溶解氧控制,及如何控制?①什么是溶解氧控制?根據(jù)細(xì)胞對(duì)溶解氧的需要量,連續(xù)不斷地進(jìn)行補(bǔ)充,使培養(yǎng)基中的溶解氧的量保持恒定.②耗氧速率:攝氧率γ（OUR;OxygenUtilizationRatio），單位時(shí)間單位體積內(nèi)的耗氧量(mmol/L.h)γ=Qo2X

Qo2－呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）:單位細(xì)胞量（每個(gè)或每克干細(xì)胞）在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量（mmol/h.g干細(xì)胞）

X－細(xì)胞濃度:單位體積中細(xì)胞的量（個(gè)／L或克干細(xì)胞／L）③什么是溶氧速率？定義：?jiǎn)挝惑w積的發(fā)酵液在單位時(shí)間內(nèi)所溶解的氧量（mmol/L.h)．用OTR表示．影響因素：通氣量，氧氣分壓，氣液接觸時(shí)間，氣液接觸面積，培養(yǎng)基的性質(zhì)．如：在西藏，氧氣分壓低．培養(yǎng)基的性質(zhì)，如黏度、氣泡、溫度。臨界溶氧濃度

滿足微生物呼吸的發(fā)酵液中最低溶氧濃度?；蛭⑸锏谋群难跛俾孰S溶氧濃度的增加而升高，當(dāng)溶解氧增加到一定值時(shí)，比耗氧速率不再增加，這時(shí)的溶氧濃度稱為臨界溶氧濃度。

（在臨界溶氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降

）呼吸強(qiáng)度與溶解氧的關(guān)系測(cè)定方法將供氧充分的微生物培養(yǎng)體系停止通風(fēng)，檢測(cè)培養(yǎng)系統(tǒng)的溶氧濃度變化情況，首先是溶氧濃度呈直線下降趨勢(shì)，下降到一定程度后，開(kāi)始呈緩慢下降趨勢(shì)，溶氧濃度曲線拐點(diǎn)處的溶氧濃度值即為該微生物的臨界溶氧濃度。

某些微生物的臨界溶氧濃度

微生物名稱溫度/℃C臨界/(mol/L)大腸桿菌37.80.0082酵母菌34.80.0046米麴霉300.02橄欖型青霉菌300.009黏性賽氏桿菌310.015④如何進(jìn)行溶解氧的控制？γ

＝OTR

，可滿足細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)酵。γ＜

OTR，浪費(fèi)，有時(shí)還會(huì)抑制某些產(chǎn)物的生物合成．γ＞OTR，細(xì)胞所需的氧氣量不足，影響細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖、新陳代謝等．1、可以增加通氣體系的氧傳遞速率的方式有（ＣＤＥ）Ａ增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)Ｂ升高體系溫度Ｃ增加攪拌轉(zhuǎn)速Ｄ增加通氣量Ｅ對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行適當(dāng)稀釋2、攝氧率：耗氧速率單位時(shí)間單位體積內(nèi)的耗氧量(mmol/L.h)3、在什么情況下液體培養(yǎng)的好氧微生物生長(zhǎng)只受到氧的影響（Ａ）A溶解氧小于臨界濃度B溶解氧濃度大于臨界濃度C溶解氧濃度大于氧的飽和濃度D溶解氧濃度處于臨界濃度和飽和濃度之間2、溶氧的控制培養(yǎng)液中氧濃度的任何變化都是供需平衡的結(jié)果。調(diào)節(jié)發(fā)酵液中溶氧含量不外從供、需兩個(gè)方面去考慮。（1）供氧方程提高KLa(c*-cL)（2）需氧方程γ=Qo2X影響此方程的因素：養(yǎng)料的豐富程度溫度的影響（3）溶氧控制方法的比較習(xí)題：1、什么是細(xì)胞的比耗氧速率，什么是攝氧率，二者的關(guān)系如何？

答：耗氧速率:攝氧率γ（OUR;OxygenUtilizationRatio），單位時(shí)間單位體積內(nèi)的耗氧量(mmol/L.h)γ=Qo2X

Qo2－呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）:單位細(xì)胞量（每個(gè)或每克干細(xì)胞）在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量（mmol/h.g干細(xì)胞）

X－細(xì)胞濃度:單位體積中細(xì)胞的量（個(gè)／L或克干細(xì)胞／L）2、什么是臨界溶氧濃度？如何測(cè)定？是否所有的好氧培養(yǎng)過(guò)程都必需控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以上？答：微生物的比耗氧速率隨溶氧濃度的增加而升高，當(dāng)溶解氧增加到一定值時(shí)，比耗氧速率不再增加，這時(shí)的溶氧濃度稱為臨界溶氧濃度。（3分）測(cè)法：將供氧充分的微生物培養(yǎng)體系停止通風(fēng)，檢測(cè)培養(yǎng)系統(tǒng)的溶氧濃度變化情況，首先是溶氧濃度呈直線下降趨勢(shì)，下降到一定程度后，開(kāi)始呈緩慢下降趨勢(shì)，溶氧濃度曲線拐點(diǎn)處的溶氧濃度值即為該微生物的臨界溶氧濃度。（3分）并非所有的好氧培養(yǎng)過(guò)程都需要控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以上，比如以丙酮酸為前體的苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)就應(yīng)控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以下。

3、

什么是氧的滿足度4、雙膜理論的基本論點(diǎn)是什么？6、亞硫酸鹽氧化法測(cè)定Kla的原理。答：亞硫酸鈉氧化法測(cè)定Kla的原理為：利用亞硫酸根在銅或鎂離子等作為催化劑時(shí)被氧迅速氧化的特性，在非培養(yǎng)情況下測(cè)定發(fā)酵罐的氧傳遞系數(shù)，進(jìn)而估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效率。該法在發(fā)酵罐中加入含有銅離子或鎂離子作