第六章生物反应器中的传质过程课件.ppt
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- 第六 生物反应器 中的 传质 过程 课件
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1、第六章 生物反应器中的传质过程.生物反应器是生物技术开发中的关键性设备,生物技术成果大多需要生物反应器才能转变为产品。工业生物过程的成功,很大程度上依赖于生物反应器的效 率。塔式反应器用于单细胞蛋白生产,原因之一是它在低能耗下,具有较高的氧传递效率。.进行生物反应器设计必须明确目的反应的变化规律和速率变化。前者可从生物学(包括微生物学、生物化学、生物能量学等)中获得满意的结果;后者涉及了各 种速率过程,如生物反应动力学(酶促反应动力学、发酵动力学等)、传质(包括反应液的流变学特性等)与传热的速率等。.为便于理解生物反应器设计理论,本章介绍流变学方面的基本知识;好氧生物 反应器中氧的传递与微生物
2、呼吸;体积溶氧系数及相关因素;溶氧方程及溶氧速率的调节等。.61 生物反应体系的流变特性 生物工业中经常遇到空气、水、发酵液和滤液等气体或液体,尽管种类多,但它们的流动与输送都遵循共同的基本规律。以发酵过程为例,由于微生物的生命活动,分解并利用营养成分,积累代谢产物,引起了发酵液的物理性质,如黏度、表面张力和离子强度等的变化。.另外,发酵液黏度的改变会影响液体的湍动性、界面张力或液膜阻力等。图61是黏度对不同过程影响的示意图。由图61可知,了解发酵液流变学特性的变化(特别是黏度变化),对掌握生物反应过程传质与混合特点,进而改进发酵过程控制工艺条件及生物反应器设计都有重要意义。.6.1.1 流体
3、的流变学特性流体的流变学特性发酵液的流变学特性是指液体在外加剪切力,作用下发酵液的流变学特性是指液体在外加剪切力,作用下所产生的流变特性,简称流变特性。当给定的流体所产生的流变特性,简称流变特性。当给定的流体在外加剪切力的作用下,一定产生相应的剪切速率在外加剪切力的作用下,一定产生相应的剪切速率r(即速度梯度或切变率,单位为即速度梯度或切变率,单位为Pa),两者之间的关两者之间的关系为该流体在给定温度和压力下的系为该流体在给定温度和压力下的流变特性:流变特性:(61)式称为流变性方程,其图解形式叫做流变图。生物式称为流变性方程,其图解形式叫做流变图。生物反应醪液多属与时间反应醪液多属与时间无关
4、的黏性流体范围无关的黏性流体范围(表表61)。.有多种经验方程来描述非牛顿型流体的流变特性,其中最简单的形式是指数律方程。.612 发酵液的流变学特性 发酵液中的主要成分是菌体,因此,发酵发酵液中的主要成分是菌体,因此,发酵液流变学特性受菌体的大小和形状的液流变学特性受菌体的大小和形状的 影影响。一些稀薄的细菌发酵液,以水解糖响。一些稀薄的细菌发酵液,以水解糖或糖蜜为原料培养酵母的醪液,为噬菌或糖蜜为原料培养酵母的醪液,为噬菌体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状菌菌(霉菌或放线菌霉菌或放线菌)悬浮液不同于细菌和酵悬浮液不同于细菌和酵母母菌悬浮液,菌丝呈丝状或团状
5、。菌悬浮液,菌丝呈丝状或团状。.丝状菌的菌丝一般有一个以上的分枝,这些菌丝长为50一500um,直径为910um。反应器中,这些菌丝体纠缠在一起,使悬浮液黏度达数Pas。团状菌丝体是以稳定的球状积聚在一起而生长,其直径可达几毫米。无论是丝状或团状,流变学特性都是非牛顿型流体。表62给出了一些发酵液的流变特性。.丝状菌发酵中,高黏度发酵液的表观黏度明显随剪切速率的不同而变化。同一反应器中,离搅拌器远近位置的不同,流动特性明显不同。搅拌桨附近,由于剪切速率较大,发酵液黏度较低;反应器壁面附近,由于剪切速率小,发酵液黏度较高,且流动速率较小。.一般丝状菌(霉菌、放线菌)的发酵液呈假塑型流体、胀塑型流
6、体等非牛顿型流体特性,并且发酵液的流动特性还随时间变化。例如,链霉素发酵中,前24h发酵液为胀塑型流体,48h及96h呈牛顿型流体特性,120h呈假塑型流体的特性。.微小颗粒(如菌体)悬浮液的黏度是多种因素的函数,除依赖菌体颗粒的浓度外,还受颗粒的形状、大小、颗粒的变形度、表面特性等因素影响。在霉菌或放线菌等的发酵中,发酵液的流动特性常出现大幅度变化。例如,青霉素发酵液的屈服应力与刚性系数都随发酵时间的增加而增大。发酵后期与前期相比,刚性系数可增加近百倍,表观黏度明显增加。.丝状菌发酵中,菌体相互间易形成网状结构,在一定的剪切速率下,团状结构的菌团可被打碎成小片,虽然这些小碎片可再聚集起来,但
7、在高剪切速率下,絮集起来的菌团又将被打碎,使发酵液呈牛顿型流体特性。总之,流体特性因素都会对生化反应器内的质量与热量的传递、混合特性及菌体生长等产生影响,这给工艺过程控制与设备放大带来困难。.62 生物反应器中的传递过程 生物工业中的不同生产工段,都包含有物质传递过程,如上游操作中的原料预处理,生化反应器的操作与控制,下游操作中的产品回收。根据Weisz的观点:“西勒准数为l,且无任何扩散限制时,细胞和其他成分的生物催化反应以最大反应速率而进行”。但事实上,又总达不到,这说明了传递过程的重要性。.生物反应系统中,反应物(基质)从反应液主体到生物催化剂(微生物细胞、固定化酶或细胞等)表面的传递过
8、程对生物反应过程影响很大,特别是基质的传质速率低于生物催化剂的反应速率时,生物催化剂的催化效率将受到基质传递速率的限制。因而,在一些发酵过程,如SCP和多糖发酵中,产物的生成速率可通过提高限制性基质的传递速率来加以改善。.即在1m3培养基中每小时需要的氧是溶解量的750倍。若中止供氧,几秒钟内菌体 将会把溶解氧耗尽,因此,在生物反应过程中有效而经济地供氧是极为重要的。微生物对氧的利用率首先取决于发酵液中氧的溶解度和氧传递速率。.有时采取提高生物催化剂有时采取提高生物催化剂(如微生物细胞如微生物细胞)浓度的高密度培养方法提高生产效率,浓度的高密度培养方法提高生产效率,然而,高密度的细胞将使溶解氧
9、迅速耗然而,高密度的细胞将使溶解氧迅速耗尽,使氧的消耗速度超过氧的传递速度。尽,使氧的消耗速度超过氧的传递速度。此时,从气相到液相的氧的传递速度成此时,从气相到液相的氧的传递速度成为生物反应的限制性因素,为提高微生为生物反应的限制性因素,为提高微生物的反应速度,就必须提高氧的传递速物的反应速度,就必须提高氧的传递速度。度。.发酵过程中,有的微生物以菌丝团(或絮状物)的形式生长繁殖,这时,基质必须通过扩散进入菌丝团内,基质的扩散与利用是同步进行的。当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的,且反应速度与基质浓度呈正比时,产物的生成速度和菌体的生成速度都将低于悬浮单一细胞的相应速度。为克服发酵过程中的
10、扩散限制,可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。.一般二氧化碳的生成与生物反应的活性有关,一般二氧化碳的生成与生物反应的活性有关,生物反应过程中,常会有大量二生物反应过程中,常会有大量二氧化碳溶解氧化碳溶解在发酵液中,气液两相中的二氧化碳会以不在发酵液中,气液两相中的二氧化碳会以不同形式同形式(CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-)进行进行转变,导致反应液的转变,导致反应液的pH发生变化。发生变化。.双液相生物反应系统中一个典型例子是由双液相生物反应系统中一个典型例子是由碳氢化合物生产碳氢化合物生产SCP。如何提高双液相如何提高双液相反应系统中基质的传递速度也是非常重反应系统中基质的传递速度
11、也是非常重要的课题。另外,在双液相生化反应系要的课题。另外,在双液相生化反应系统加入氧载体统加入氧载体(oxygenvector)一类具一类具有很高溶解氧能力的有机物,也是一种有很高溶解氧能力的有机物,也是一种改善氧传递速度的有效方法。改善氧传递速度的有效方法。.固态发酵固态发酵(solid state fermentation)中,通中,通风的作用除为微生物提供足够的氧外,风的作用除为微生物提供足够的氧外,还带走发酵热还带走发酵热(fermentationheat)和部分和部分二氧化碳。同时,通风还带走了大量水二氧化碳。同时,通风还带走了大量水分,使湿度成为决定固态发酵成功与否分,使湿度成为
12、决定固态发酵成功与否的关键因素之一。的关键因素之一。.621 氧传递理论概述氧传递理论概述 好氧发酵中氧的传递途径如图好氧发酵中氧的传递途径如图62。氧传递。氧传递阻力包括气膜阻力阻力包括气膜阻力lk1、气液界面气液界面 阻力阻力lk2。、。、液膜阻力液膜阻力1k3。、。、反应液阻力反应液阻力1k4、细胞外液膜阻力细胞外液膜阻力1k5、液体与细胞之液体与细胞之间界面的阻力间界面的阻力lk6,、,、细胞之间介质的阻细胞之间介质的阻力力1k7,和细胞内部传质的阻力和细胞内部传质的阻力1k8(包包括氧传递到细胞呼吸酶处的阻力括氧传递到细胞呼吸酶处的阻力)等。等。.若总阻力计为若总阻力计为R,则,则,
13、式中,式中,Ri为为i阶段的分阻力。阶段的分阻力。稳态时,各阶段的氧传递速率稳态时,各阶段的氧传递速率N为一定,则为一定,则.微生物反应中的传质过程很复杂。几十年来,微生物反应中的传质过程很复杂。几十年来,在提出的一些传质基本理论中,被广泛用来在提出的一些传质基本理论中,被广泛用来解释传质机制和作为设计计算的主要依据是解释传质机制和作为设计计算的主要依据是停滞膜模型。该模型的基本论点是:停滞膜模型。该模型的基本论点是:(1)在气液两个流体相间存在界面,界面两旁在气液两个流体相间存在界面,界面两旁具有两层稳定的薄膜,即气膜和液膜,这两具有两层稳定的薄膜,即气膜和液膜,这两层稳定的薄膜在任何流体动
14、力学条件下,均层稳定的薄膜在任何流体动力学条件下,均呈滞流状态;呈滞流状态;.(2)在气液界面上,两相的浓度总是相互平衡在气液界面上,两相的浓度总是相互平衡(空气中空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态),即界面上不存在氧传递阻力。即界面上不存在氧传递阻力。(3)在两膜以外的气液两相的主流中,由于流体充分在两膜以外的气液两相的主流中,由于流体充分流动,氧的浓度基本上是均匀的,也就是无任何传流动,氧的浓度基本上是均匀的,也就是无任何传质阻力,因此,氧由气相主体到液相主体所遇到阻质阻力,因此,氧由气相主体到液相主体所遇到阻力仅存在于两层滞流膜
15、中。力仅存在于两层滞流膜中。.气液界面附近氧分压与浓度的变化如图气液界面附近氧分压与浓度的变化如图63所示。所示。.对于氧的传递速率,以液相浓度为基准可得下式对于氧的传递速率,以液相浓度为基准可得下式.各传质阻力的大小取决于气体的溶解度。如果气各传质阻力的大小取决于气体的溶解度。如果气体在液相中的溶解度高,如氨气溶于水中时,体在液相中的溶解度高,如氨气溶于水中时,液相的传质阻力相对于气相的可忽略不计;反液相的传质阻力相对于气相的可忽略不计;反之,对溶解度小的气体,总传质系数之,对溶解度小的气体,总传质系数KL接近液接近液膜传质系数膜传质系数kL,此时,总传质过程为液相中的此时,总传质过程为液相
16、中的传递过程所控制。由于氧是难溶气体,因此,传递过程所控制。由于氧是难溶气体,因此,有有.以上是以微生物只利用溶解于液体中的氧为依据进以上是以微生物只利用溶解于液体中的氧为依据进行讨论的。实际上,液膜中行讨论的。实际上,液膜中 存在的微生物细胞也存在的微生物细胞也可直接利用空气中的氧气,但其数量与发酵液内部可直接利用空气中的氧气,但其数量与发酵液内部的微生物细胞的数量相比甚微,故可不考虑。另外,的微生物细胞的数量相比甚微,故可不考虑。另外,当发酵液混合充分,不发生细胞絮凝现象时,传质当发酵液混合充分,不发生细胞絮凝现象时,传质阻力阻力7(图图62)也不再考虑。也不再考虑。体积传质系数也有用体积
17、传质系数也有用kGamol(hmlPa)、Kdmol(minmlPa)和和Kvkmol(hm3Pa)来表示。来表示。.6.2.2 细胞膜内的传质过程细胞膜内的传质过程 营养物质通过细胞膜的传递形式主要有:被动传递营养物质通过细胞膜的传递形式主要有:被动传递(又称单纯扩散又称单纯扩散)、主动传递、主动传递(又称主动运输又称主动运输)和促和促进传递进传递(又称促进扩散又称促进扩散)。被动传递是营养物通过。被动传递是营养物通过简单扩散传递,即由浓度梯度所产生简单扩散传递,即由浓度梯度所产生(由高浓度向由高浓度向低浓度低浓度),故不需附加能。主动传递是营养物从低,故不需附加能。主动传递是营养物从低浓度
18、向高浓度的扩散浓度向高浓度的扩散(逆浓度梯度逆浓度梯度),需消耗能量,需消耗能量(代谢能代谢能)。促进传递是营养物。促进传递是营养物依靠载体分于依靠载体分于(载体载体蛋白质或渗透酶蛋白质或渗透酶)的作用而穿过细胞膜。的作用而穿过细胞膜。.细胞膜有一磷脂双分子层,其对极性分子细胞膜有一磷脂双分子层,其对极性分子不通透,这一双分子层阻碍离于和内不通透,这一双分子层阻碍离于和内 部部代谢产物从细胞内扩散出来。同样,某代谢产物从细胞内扩散出来。同样,某些分子如葡萄糖、些分子如葡萄糖、Na+、K+等,通过细胞等,通过细胞膜传入,必须有特别的传递系统。一种膜传入,必须有特别的传递系统。一种溶解物从浓度溶解
19、物从浓度c1一边转送到浓度一边转送到浓度c2一边时,一边时,有以下规则:有以下规则:自由能的变化自由能的变化G为为.主动传递中,推动力是靠主动传递中,推动力是靠ATP水解释放的能水解释放的能量来进行的。例如,量来进行的。例如,H+从血浆从血浆(pH74)到哺乳动物胃液到哺乳动物胃液(pH1)的浓度梯度近似的浓度梯度近似为为106,传递,传递10g当量的当量的H+的的0自由能变自由能变化化G3361J(20),这些能量来自这些能量来自ATP的水解。的水解。.促进传递是借助载体分子完成的,被传递的化合促进传递是借助载体分子完成的,被传递的化合物在膜外与载体分子结合后,扩散到膜的另一物在膜外与载体分
20、子结合后,扩散到膜的另一边,在细胞内将载体分子释放出。促进传递的边,在细胞内将载体分子释放出。促进传递的特征之一是其传递速率与酶促反应中的米氏方特征之一是其传递速率与酶促反应中的米氏方程类似。当传递的化合物浓度较低时,传递速程类似。当传递的化合物浓度较低时,传递速率与浓度呈线性关系,而当浓度增至一定程度率与浓度呈线性关系,而当浓度增至一定程度后,传递速率呈饱和状态。载体传递有很大的后,传递速率呈饱和状态。载体传递有很大的选选择性和针对性。择性和针对性。.63 体积传质系数的测定及其影响因素体积传质系数的测定及其影响因素631 体积传质系数的测定体积传质系数的测定6311 亚硫酸盐法测定容积氧传
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