第六章生物反应器中的传质过程
生物反应器的原理及深度研究
生物反应器的原理及深度研究生物反应器是一种重要的生物工程设备，常用于生物转化过程的控制和优化。
它利用微生物代谢产生的有机物质来加速物质转换的速度。
因此，在医药、食品、饮料、化工等行业，生物反应器被广泛应用。
本文将着重探讨生物反应器的原理和深度研究。
一、生物反应器的原理生物反应器是一种在控制条件下，根据微生物代谢活动进行转化的设备。
其基本原理是充分利用微生物的生长特性，通过调节物理化学条件来促进微生物的生长和代谢活动。
生物反应器包括生物反应器系统、传感器和控制器。
在生物反应器中，微生物将底物转化成终产物，同时释放出能量、水、气体等产物。
常见的微生物有细菌、酵母、真菌等。
在反应器中，微生物需要充分的生长环境，包括适宜的温度、PH值、营养液等因素。
此外，反应器还需要能够控制进料的流量、浓度、速度等因素的外部控制系统。
生物反应器的主要优点是控制精度高、反应速度快、转化效率高、产品品质好、操作简单等，因此成为了制造高附加值的生物材料和生物制品的首选设备。
二、生物反应器的深度研究生物反应器的深度研究主要包括反应器设计、传质过程和反应动力学等方面。
1. 反应器设计反应器设计是确定反应器放大的重要环节，包括反应器的尺寸、形状、材料、进出料口、控制系统等方面。
反应器的尺寸应根据反应所需的体积和微生物生长的物理环境来确定。
反应器选材需要考虑反应温度、环境影响、反应物质料等因素。
此外，反应器的进出料口和控制系统也需要根据反应条件和控制要求来设计。
2. 传质过程传质过程是生物反应器中重要的传输过程，主要涉及底物的传输和毒素的消除。
传质过程的要求是准确、快速地传输物料，同时不影响反应和微生物生长。
传质的最佳方案应根据底物和微生物特性进行优化。
3. 反应动力学反应动力学是描述反应过程的一般化学动力学原理，反应过程的关键特性是理解反应过程中物质转化速率和环境影响的变化规律。
反应动力学可以根据反应过程的反应物质和微生物的代谢特性进行模拟，建立模型来描述反应速率和微生物代谢过程中的关键参数，进而优化反应条件，提高反应效率。
生物反应工程教学大纲
十堰职业技术学院生物化工专业生物反应工程课程教学大纲(60-70学时）马俊林编一、《生物反应工程》课程的性质和任务《生物反应工程》是一门以生物学、化学工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动力学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，因此，它在生物工业中起着举足轻重的作用，生物反应工程是工业生物技术的核心。
根据生物体的不同，生物反应过程可分为酶促反应过程，细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等）和废水的生物处理过程。
生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。
生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。
二、《生物反应工程》课程的基本要求通过本课的学习，要求学生了解生物反应工程研究的目的，生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。
理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和生物反应器中的传质过程。
掌握微生物反应过程的质量和能量衡算；动植物细胞的生长模型与培养条件。
熟练掌握微生物反应器的操作和生物反应器的特征、操作及设计。
三、讲课内容1、绪论教学内容：生物反应工程研究的目的；生物反应工程学的形成与沿革；生物反应工程的研究内容与方法；生物反应动力学；生物反应器；生物反应过程的放大与缩小。
教学要求：熟练掌握生物反应工程的概念，生物反应工程的研究内容与方法；理解生物反应工程研究的目的；了解生物反应工程学科的形成与沿革，生物反应过程的放大与缩小。
教学重点：生物反应动力学和生物反应器。
教学建议：教学中注意和化学反应动力学及化学反应器进行比较。
2、酶促反应动力学教学内容：酶促反应动力学的特点；酶的基本概念；酶的稳定性及应用特点；酶和细胞的固定化技术；酶促反应的特征。
生物反应器过程中的传质和代谢机制研究
生物反应器过程中的传质和代谢机制研究生物反应器是利用微生物进行大规模生产的设备，是微生物工程领域的核心技术之一。
在生物反应器中，微生物通过代谢将原料转化为目标产物，而其中传质是影响代谢的重要因素之一。
一、传质机制传质是指物质在不同相之间的扩散、对流和反应等过程。
在生物反应器中，传质的主要方式是气相传质、液相传质和固体传质。
其中，液相传质是微生物生长、代谢和反应的主要过程之一。
液相传质可以分为对流传质和扩散传质两种方式。
对流传质是指溶液中存在浓度梯度时，溶液中的物质随着溶液的流动而传播扩散，这种传质方式常常被称为强化传质。
扩散传质则是指分子自发地从高浓度处向低浓度处运动，是液相传质的主要方式。
此外，流体的流动状态也会影响传质过程。
例如，液体的运动方式会改变流体内部的分子间距离和相对速度，从而影响传质效率。
二、代谢机制在生物反应器中，微生物通过代谢将原料转化为目标产物。
微生物的代谢过程可以分为两种类型：有氧代谢和无氧代谢。
有氧代谢指微生物在有氧条件下进行代谢反应。
在此过程中，微生物需要充分利用氧气进行呼吸，产生大量ATP能量来支持细胞活动。
有氧代谢产生的主要产物为水和二氧化碳。
此外，微生物在有氧代谢过程中，还会利用某些底物产生有用的物质。
例如，酵母在有氧条件下利用葡萄糖进行代谢反应，可以产生二氧化碳和酒精。
无氧代谢是指微生物在没有氧气的情况下进行代谢反应。
此时，微生物需要寻找其他的供能途径来提供充足的能量来支持细胞活动。
无氧代谢所产生的产物与有氧代谢有所不同，主要产物为酸、气体或者其他有机物质。
例如，某些厌氧细菌可以利用硫化氢或者二氧化碳来进行代谢反应。
在生物反应器中，通过确定合适的菌株和培养条件，可以充分控制微生物的代谢过程，从而最大化目标产物的生产。
三、总结生物反应器中的传质和代谢机制是微生物工程的基础，在工业生产中具有重要意义。
探究生物反应器中传质和代谢机制的研究，可以帮助我们更好地理解微生物在反应器中的生长和代谢过程，优化生产过程，提高产量和质量，实现可持续发展。
生物反应器
生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。
生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。
本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。
一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。
是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。
反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。
二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。
三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。
传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。
反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。
生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。
其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。
四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。
其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。
生化反应工程试题库
试题库结构章节 试题分布名词解释 数学表达式 简答题图形题推导题判断题 计算题合计第一章 0 0 9 0 0 0 0 9 第二章 0 0 11 0 0 0 2 13 第三章 1 3 9 3 11 4 2 33 第四章 1 11 6 7 1 11 14 51 第五章 3 1 7 8 2 0 13 34 第六章 6 0 6 2 0 0 0 14 第七章 2 2 2 2 0 0 13 21 第八章 0 0 36 0 0 0 2 38 合计 13 17 86 22 14 15 46 213一、名词解释[03章酶促反应动力学]酶的固定化技术：[04章微生物反应动力学]有效电子转移：[05章微生物反应器操作]流加式操作：连续式操作：分批式操作：[06章生物反应器中的传质过程]粘度：牛顿型流体：非牛顿型流体塑性流体假塑性流体胀塑性流体[07章生物反应器]返混：停留时间：二、写出下列动力学变量（参数）的数学表达式[03章酶促反应动力学]1. Da准数：2. 外扩散效率因子：3. 内扩散效率因子：[04章微生物反应动力学]1. 菌体得率：2. 产物得率：3. 菌体得率常数：4. 产物得率常数：5. 生长比速：6. 产物生成比速：7. 基质消耗比速：8. 生长速率：9. 产物生成速率：10. 基质消耗速率：11. 呼吸商：[05章微生物反应器操作]1. 稀释率：[07章生物反应器]1. 停留时间：2. 转化率：三、简答题：[01章绪论]1．什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2．生物反应工程研究的主要内容是什么？3．生物反应工程的研究方法有哪些？4．解释生物反应工程在生物技术中的作用。
5. 为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6. 何为系统生物学？7. 简述生化反应工程的发展史。
8. 如何理解加强“工程思维能力”的重要性。
9. 为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？[02章生物反应工程的生物学与工程学基础]1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。
生物反应器的原理
生物反应器的原理生物反应器是一种用于进行生物化学反应的设备，它可以提供理想的环境条件，以支持生物体的生长、代谢和产物合成。
生物反应器的原理涉及多种方面，包括传质、反应、能量转换等。
一、传质生物反应器中的传质是指底物和产物在反应器内部的传输过程。
传质过程包括传质阻力和传质速率两个方面。
传质阻力是指底物和产物在反应过程中的扩散阻力、溶解性以及质量转移的阻力。
传质阻力对于反应速率、底物利用率以及产物浓度均有重要影响，因此在设计和控制生物反应器时需要考虑传质过程。
传质速率是指底物和产物在反应器内部的传输速率，它受到反应器内部气体和液体流动的影响。
传质速率受到多种因素的影响，包括搅拌速度、反应器内部结构、底物浓度、温度等。
二、反应生物反应器的反应过程是指生物体在特定环境条件下进行代谢活动和产物合成的过程。
反应过程可以分为两个步骤，即生物体的生长和代谢。
生物体的生长是指在适宜的环境条件下，生物体通过吸收底物和营养物质进行新陈代谢并增加体积和数量的过程。
生物体的生长过程涉及到细胞生长、分裂、增殖等多种生物学过程。
生物体的代谢是指生物体通过酶、酶类和代谢途径进行的化学转化过程。
代谢过程中产生的底物和产物可以进一步作为反应物或产物参与反应。
三、能量转换生物反应器中的能量转换是指生物体在反应过程中能量的转化和利用。
能量转换包括吸热反应和放热反应两个方面。
吸热反应是指生物体在代谢过程中吸收能量的过程。
生物体通过吸收外界的热能来提供代谢活动所需的能量，进而促进生物体的生长和代谢。
放热反应是指生物体在代谢过程中释放能量的过程。
生物体在进行代谢活动时会放出热能，这些热能可以被利用来提供反应过程中的热能需求，例如保持反应器内部的恒温。
四、控制策略生物反应器的控制策略主要包括控制温度、pH值、溶氧量等。
这些参数对于反应速率、底物利用率和产物合成等都具有重要的影响。
温度的控制可以影响生物体的生长速率和产物合成速率。
不同的生物体对于温度的要求不同，因此在设计反应器时需要根据具体的生物体选取适当的温度范围，并通过控制加热或制冷来实现对温度的控制。
生物反应器中传质与反应的耦合研究
生物反应器中传质与反应的耦合研究生物反应器作为一种常见的生物技术设备，具有广泛的应用价值。
其中，传质与反应是生物反应器中非常重要的耦合过程，对于反应过程的控制和优化具有重要意义。
本文将在此基础上对生物反应器中传质与反应的耦合研究展开讨论。
1. 传质与反应的基本概念生物反应过程通常包括生物反应、代谢产物转移和营养物质供应三个阶段。
其中，传质是指物质在不同物质之间的传递过程，包括质量传递和能量传递两个方面。
反应是指化学物质在特定条件下发生化学变化的过程。
传质与反应在生物反应器中是紧密耦合的。
传质过程决定了物质在反应中的扩散速率和分布，进而影响反应速率和反应效果。
反过来，反应过程也会对传质起到反馈作用，使传递过程发生变化。
2. 生物反应器中传质与反应的耦合特点传质与反应在生物反应器中的耦合特点主要包括以下几个方面：（1）物质的浓度和流动速度决定了传质的速率和顺序，直接影响反应速率和质量转移。
（2）微生物体系的生长和代谢需要某些营养物质，而生成的代谢产物也会影响传质过程。
（3）反应的温度和pH值等条件都会影响反应过程和传质过程，从而影响反应效果。
（4）在反应器中，物质之间的相互作用会产生复杂的动力学效应，对传质和反应同时产生影响。
3. 生物反应器中传质与反应的实验设计在研究生物反应器中传质和反应的耦合过程时，需要进行实验设计。
一般可从以下几个方面入手：（1）优化反应器的设计：反应器设计时，应该尽可能地降低传质阻力，保证传质通畅。
同时，反应器的设计应该符合微生物生长和代谢的需要，以保证反应效果。
（2）优化营养物质供应：微生物生长和代谢需要各种营养物质，为了保证反应器中微生物的正常生长和代谢，需要优化营养物质的供应方式。
（3）优化反应器的操作条件：反应器操作时需要控制反应器的温度、pH、溶解氧等条件，以保证微生物代谢的正常进行。
（4）建立传质与反应的模型：建立物质传递和反应动力学模型，进行理论模拟和数值模拟，预测反应过程和传质过程的变化规律，为反应器的控制和优化提供依据。
生物反应器中传质过程
通风培养液中氧的物料衡算：
dC
*
kLa
(C
C
)
Q
X
O
2
dt
1 dC
*
C Q
X
C
O
2
kLadt
当停止通风，有：
由
dC
QO2 X
dt
dC
QO2 X
dt
对C作图，
从所得直线的斜率求出kLa值，并由截距得到C*
用溶氧电极测定整个过程的
酵母等），属牛顿流体
细胞形态
丝状菌悬浮液菌呈丝状或团状
胞外产物
如多糖发酵体系
常见培养液的流变学特性
产物
微生物
发酵液流变特性
制霉菌素
青霉素
青霉素
青霉素
链霉素
新生霉素
卡那霉素
曲古霉素
曲古霉素
非洛霉素
诺尔斯氏链霉菌
产黄青霉菌
产黄青霉菌
产黄青霉菌
灰色链霉菌
雪白链霉菌
卡那霉素菌
卡那霉素链霉菌
卡那霉素链霉菌
L
增加搅拌转速N
增大通气量Q
提高C*，通入纯氧，或在可能的条件下提高罐内操作
压力
重复地放出一部分发酵液，补充新鲜来菌的等体积培
养基，这样可以降低发酵液粘度，使kLa大幅度回升。
选择适当的氧载体，能够明显地提高反应器的kLa。
常用正十二烷
7.4 发酵系统中耗氧
与供氧的动态关系
微生物反应过程中氧比消耗速率和溶解氧浓度间的关
系可以通过试验来测定。从数据可以看出，当[DO]在某一
传质分离过程_绪论
●采用生产装置的闭路循环技术；
●处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除 对环境的危害； ●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三废”治理技术。
闭路循环系统： 将过程所产生的废物最大限度地回收和循环 使用。
原 料 产品 1 废 物 1 废 物 1
2
2
2
排除
1—单元过程；2—处理
实现分离与再循环系统使废物最小化的方 法： ●废物直接再循环
超滤（UF）：
目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大 分子分级。
进料
胶体大分子
溶剂、水
推动力：压力差（100～1000kPa）
传递机理：筛分
反渗透（RO）：
目的：溶剂脱溶质，含小分子溶质溶液浓缩。
进料
溶质、盐 溶剂、水
推动力：压力差（1000～10000kPa） 传递机理：扩散模型
渗析（D）：
先修课程：
物理化学、化工热力学、化工原理
同时进行的课程：
化工工艺学、化工过程分析与模拟
教材：
刘家祺 主编.传质分离过程.高等教育出版社,2005.
参考书：
邓修，吴俊生.化工分离工程. 科学出版社，2000.
陈洪纺 刘家祺.化工分离过程。化学工业出版社, 1995.
刘家祺 主编. 分离过程。化学工业出版社, 2002.
第7章 分离过程的节能优化与集成
第1章 绪论
1.1 概述 1.2 分离因子 1.3 分离过程的集成化 1.4 过程开发及方法 1.5 分离方法的选择
第1章 绪论
基本要求： 1)了解分离操作在化工生产中的重要性; 2)熟悉分离过程的分类; 3)掌握分离因子的概念及意义; 4)了解分离方法的选择;
生物反应器中的生物传热技术探究
生物反应器中的生物传热技术探究随着工业的快速发展和科技的不断进步，人类对生命科学的研究也日益深入。
在许多生产过程中，通过利用生物制造的物质能够大幅度提高生产效率。
然而，生物过程和传统的化学工业生产过程不同，其反应过程受到生物体内环境的影响，包括温度、pH 值、营养物质等。
而传统化学工艺热量传递通常于一定压力下进行，其传热方式通常为通过换热器将蒸汽或其他流体送入反应器外侧，将反应器内部的物质进行升温、保温或冷却。
因此，为了更好地控制生物反应器中的温度、反应速率，生物反应器中的传热技术得到了广泛的关注和研究。
一、生物反应器中生物传热技术的概述在生物反应器中，生物体进行代谢过程所产生的热量，需要通过反应器的壁面传递出去，否则会引起反应器内部的温度变化，导致代谢活动受到影响，甚至会引发生物体的死亡。
为了更好地控制反应器温度，生物反应器中的传热技术成为一个研究的热点。
其中，常用的传热方式包括对换传热、辐射传热、导热传热等。
二、对换传热技术在生物反应器中的应用对换传热是生物反应器中应用最广泛的传热方式。
其原理是通过反应器的壁面和外部的流体进行热量交换，从而达到升温、保温或者冷却的目的。
对于传热过程的控制，通常是通过调节外部的流体流速、流量和温度来实现。
但对于一些在反应器内部生长较慢的微生物，其与反应器壁间的对流传质过程比较困难，在这种情况下，对换传热技术相对较差。
三、辐射传热技术在生物反应器中的应用辐射传热是一种基于辐射传热原理进行传热的技术，它的传热方式与对换传热技术不同，而主要是指反应器内生物体和反应器壁面之间的热量传递。
这种传热方式对于生物反应器中一些生长慢或集中在反应器壁面附近的微生物较为适用。
较好的情况下，还可以设计反应器内部的辐射反射面，从而增加反应物的吸收和辐射传热的能力。
四、导热传热技术在生物反应器中的应用导热传热是指通过反应器壳体内的传热设备，如径向翅片式散热器、管壳式换热器、内套管式反应器等当中导热传输的方式，在生物反应器中，通常应用于一些粘度较高的液体反应物，能够恰当提高反应速率。
生物反应器传质和反应的动力学模型
生物反应器传质和反应的动力学模型生物反应器是一种用于进行生物学反应的设备，其应用范围广泛，如生物发酵、废水处理、生物降解、生物制药等。
传质和反应是其中重要的过程。
为了更好地控制和优化反应器的设计和操作，需要建立传质和反应的动力学模型。
一、传质动力学传质是指物质分子、离子或粒子在液体或气体中的扩散，对于生物反应器中物质的输送和分布具有重要作用。
传质的速率可以用Fick定律进行描述，即流量Q等于扩散系数D、质量浓度梯度ΔC、传质面积A的乘积。
即Q=DΔC A。
传质速率的快慢取决于扩散系数D，而D又受到多种因素的影响，包括流体性质、温度、压力、空气中的气体浓度、颗粒尺寸、折射率等。
生物反应器中还存在由麻醉剂、剧毒性物质、大分子物质等导致传质受到抑制的现象，需要进行相应的研究。
二、反应动力学反应动力学是指反应速率随反应物浓度变化的规律。
其中最常见的是麦克斯韦-泰勒方程和伯诺利方程。
麦克斯韦-泰勒方程描述的是一阶反应动力学模型，即反应速率与反应物浓度之间呈线性关系。
在生物反应器中，通过常数k1来描述反应速率和反应物的关系，即速率常数k1就是反应速率和反应物的浓度之比。
一阶反应动力学模型也通常称为亚偶联反应。
伯诺利方程描述的是二阶反应动力学模型，即反应速率与两种反应物浓度之积的关系。
在生物反应器中，使用反应常数k2来表示反应速率和两个反应物浓度之积的关系。
二阶反应动力学模型在生物反应器中应用较少，但有时会作为一种备选的模型。
三、生物反应器中的传质和反应动力学模型传质和反应是生物反应器中的重要过程，它们的模型参数决定了生物反应器的结构和运行效率。
因此，相应的研究和模型建立成为生物工程领域的热点。
在生物反应器中，还存在很多复杂的问题，如生物质转化、生物膜反应等，因此，需要建立多种反应模型，包括传质-反应模型、生物膜反应模型等。
在这些模型中，生物反应器的传质和反应是生物反应器的核心，对其性能和可靠性有重要影响。
因此，需要进行细致的研究，打造精益高效的传质和反应动力学模型，这对于生物反应器的开发和生产的成功至关重要。
第6章 生物反应器
第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。
6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。
一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。
1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。
3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。
4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。
5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。
6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。
生物反应器中的传质过程控制
生物反应器中的传质过程控制生物反应器是一种有机现象与生物学体系的结合。
人们通过生物反应器的设计，实现了许多生物工艺的发展。
生物反应器作为化工生产中的重要设备，已经成为生物工艺技术发展的重要组成部分。
其中，传质过程是实现合理控制反应器内生物反应过程的关键因素之一。
传质过程的基本原理传质过程是指物质在反应器中移动（例如传输、扩散和对流）的过程。
生物反应器中的一些物理和化学传质过程，例如气体中的气体扩散，液体中的扩散和对流传质，以及降低反应器物料在反应器中的扩散速度等，这些都会影响到反应器中生物反应的效果。
在生物反应器中，传质过程的速率由其处理参数（例如温度、压力、物料浓度等）和物料性质（例如粘度、密度、形状等）决定。
当传质限制是反应器中的关键发展因素时，挑选合适的传质方法和控制调整反应器的参数以实现传质过程控制就显得至关重要。
反应器内传质过程的类型生物反应器中的传质过程可以分为三种类型：气体传质、液体传质和固体传质。
气体传质通常存在于膜生物反应器和喷雾生物反应器中，而液体传质则通常是通过外部池适用于大规模应用。
固体传质则是最为普遍的传质方式之一，在许多生物反应器中都能看到。
要想控制在化工生产中的气体传质过程，最好是直接将气体吹入反应器内并保持一定的混合，如果可以将气体直接注入反应器底部的位置，这样会更好，因为这会促进气体的好氧反应和充分混合。
在液体传质和固体传质中，应优化某些参数以加速物质的传递，并保证物质传输的顺利进行。
传质速率的确定反应器内传质速率曲线是一份很重要的文献，在生物反应器中某之参数的影响下，传质速率曲线对于反应器的整个设计程序非常关键。
传质速率随着反应器内参数的变化而变化，例如反应器内的温度、压力、物质浓缩度、氧含量等，而这些参数的优化需要在复杂的传质速率和反应器性能之间取得平衡。
当这些参数被影响时，传质速率曲线会发生相应的移动。
确定反应器内传质速率曲线的方法通常是通过实验和模型化方法进行。
对流传质及相间传质理论
对流传质机制
总结词
对流传质的机制主要包括分子扩散和对流扩散两种方式。
详细描述
分子扩散是指流体中分子在浓度梯度作用下，从高浓度区域 向低浓度区域的迁移过程，是物质传递的基本方式之一。对 流扩散则是在流体流动过程中，由于流体的宏观运动导致的 物质迁移现象。
对流传质过程影响因素
总结词
对流传质过程的影响因素主要包括流体流速、温度、浓度差、流体物理性质和壁 面性质等。
对流传质与相间传质的关系
对流传质与相间传质的联系
相间传质是物质传递的一种方式，对流传质则是相间传质的一种特殊形式。
对流传质与相间传质都涉及到物质从一相传递到另一相的过程，即传递的 主体是两相之间的界面。
在对流传质过程中，流体的流动会对传递过程产生影响，流体的流动状态 和流动特性将对传递Hale Waihona Puke 率产生影响。强化实验与模拟研究
通过强化实验和模拟研究，深入探索对流传质及相间传质的内在机制， 为理论发展提供有力支撑。
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相间传质过程影响因素
相界面特性
01
相界面上的物理化学性质（如表面张力、界面张力、吸附作用
等）对相间传质有重要影响。
流动特性
02
流体的流动特性（如流速、流向、流动模式等）对相间传质有
重要影响。
传递参数
03
扩散系数、流体物性等传递参数对相间传质有重要影响。这些
参数的变化将影响物质传递的快慢和方向。
03
对流传质与相间传质的区别
对流传质主要关注的是流体流动对传递过程的影响，而相间传质则更注重两相之间 的传递机理和传递过程。
对流传质通常发生在流体流动的过程中，而相间传质可以在静止或流动状态下发生。
第6章 生化反应器的传递过程
2、氧从气相主体传递到细胞内部需要八步，其中重要的步骤在于气－液两相间 的液膜阻力。通过双膜理论模型，可推导氧的气液传质速率方程为
OTR = kLα (C * −C) 。
3、当细胞培养处于稳态、符合 Monod 方程时，细胞对氧的消耗速率与传质速率
相等，即 qO2 ,max
C KO2 + C
CX
= kLα (C * −C) 。
kLa (CL*
− CL )
=
1 YX / O2
CX µmax
CL KO2 + CL
式中 KO2 =0.05mmol/L； CL* ＝0.21mmol/L。
并且认为当 CL ≥ 0.9CL* 时为生长限制，当 CL ≤ 0.1CL* 时为传质限制，试根据上式 确定生长与传质同时存在限制时 CX 值的范围是多少？
6.2E.coli 菌分别在一带有棉花塞三角瓶和 CSTR 两种装置中进行培养。它们的
kLα 值分别为 0.02 和 0.1s-1，培养基用葡萄糖，在恒温 30℃和常压下进行。可将
培养基当做水来处理。假设每小时消耗 0.27g 氧可得到 1g 干菌体。 试求在上述两种培养器中所能得到的最大菌体浓度。 解：由题意可得： 在水中氧的溶解度为0.26mmol/L，即4.2mg/L。
因此，α＝ 6VG d B VL
=
6 ×1 mm−1 5×6
= 0.2mm−1。
58
生物反应工程习题精解
第六章 生化反应器的传递过程
6.4 今有一发酵罐，内径为 2m,装液高度为 3m，安装一六弯叶涡轮搅拌器，搅拌 器直径为 0.7m，转速为 150r/min，设发酵液密度为 1050kg/m3,粘度为 1N·s/m2, 试求搅拌器所需功率大小。
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(2)在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡(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)， 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 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 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6—3所示。
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扩散限制， 可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。
利用氧电极进行kLa的测量有多种方法，动态法是常用 的方法之一。通风培养液中氧的物料衡算为：
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。
6．1．2 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 液流变学特性受菌体的大小和形状的 影 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 体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状 菌(霉菌或放线菌)悬浮液不同于细菌和酵 母菌悬浮液，菌丝呈丝状或团状。
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6—1 是黏度对不同过程影响的示意图。由图 6—1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 流体的流变学特性
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。
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，常会有大量二氧化碳溶解 在发酵液中，气液两相中的二氧化碳会以不 同 形 式 ( CO2、H2CO3、HCO3-、CO32-) 进 行 转变，导致反应液的pH发生变化。
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 SCP。 如 何 提 高 双 液 相 反应系统中基质的传递速度也是非常重 要的课题。另外，在双液相生化反应系 统加入氧载体(oxygenvector)——一类具 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。
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
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
之，对溶解度小的气体，总传质系数KL接近液 膜传质系数kL，此时，总传质过程为液相中的 传递过程所控制。由于氧是难溶气体，因此，
有
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 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 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 阻力7(图6—2)也不再考虑。
若总阻力计为R，则，
式中，Ri为i阶段的分阻力。 稳态时，各阶段的氧传递速率N为一定，则
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 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：
(1)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 层稳定的薄膜在任何流体动力学条件下，均 呈滞流状态；
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 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 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 后，传递速率呈饱和状态。载体传递有很大的 选择性和针对性。
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。
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。
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。
6．1 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。
6．3 体积传质系数的测定及其影响因素
6．3．1 体积传质系数的测定
6．3．1．1 亚硫酸盐法测定容积氧传递系数
氧的体积传质系数kLa的测定方法有多种，亚硫酸盐 法是应用较为广泛的方法之一。正常条件下，亚硫酸 根离子的氧化反应非常快，远大于氧的溶解速度。当 Na2S03溶液的浓度在0．018—0．45mol内，温度在 20～45℃时，反应速度几乎不变，所以，氧一旦溶解 于Na2S03溶液中立即被氧化，反应液中的溶解氧浓度 为零。此时氧的溶解速度(氧传递速度)成为控制氧化 反应速度的决定因素。
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 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Pa)，两者之间的关 系为该流体在给定温度和压力下的流变特性：
(6—1)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无关的黏性流体范围(表6—1)。
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9～10um。 反应器中，这些菌丝体纠缠在一起，使 悬浮液黏度达数Pa·s。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6—2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。
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(如微生物细胞) 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迅速耗 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 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 度。
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Байду номын сангаас，这给工艺过程控制与设备放大带来困难。
体积传质系数也有用kGa[mol／(h·ml·Pa)]、Kd[mol ／(min·ml·Pa)] 和 Kv[kmol／(h·m3·Pa)] 来 表 示 。
6.2.2 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 (又称单纯扩散)、主动传递 (又称主动运输)和促 进传递(又称促进扩散)。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(由高浓度向 低浓度)，故不需附加能。主动传递是营养物从低 浓度向高浓度的扩散(逆浓度梯度)，需消耗能量 (代谢能)。促进传递是营养物依靠载体分于(载体 蛋白质或渗透酶)的作用而穿过细胞膜。
6．2 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。
硫酸盐。
6．3．1．2 动 态 法
虽然亚硫酸盐法简便，使用范围广，但其测定 kLa是在非培养条件下进行的，因此所测kLa值 与 实 际 培 养 体 系 的 kLa 值 存 在 差 异 。 采 用 氧 电 极测量kLa除具有操作简单，受溶液中其他离 子干扰少外，还可在微生物培养状态下快速、 连续地测量所得信息可迅速为发酵过程控制所 参考，因此，在实际培养体系中常使用氧电极 法测定kLa。
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 部 代谢产物从细胞内扩散出来。同样，某 些分子如葡萄糖、Na+、K+等，通过细胞 膜传入，必须有特别的传递系统。一种 溶解物从浓度c1一边转送到浓度c2一边时， 有以下规则：