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1、生化反應器的傳遞過程<生化過程反應與傳質機理>專題八流變特性:指流體混合時的流動特性。生化反應器中生物介質(發(fā)酵液)的流變特性將影響其混合的程度、傳質和傳熱的速率。6.1生物介質的流變特性生物介質是由液相和固相(細胞及不溶性組分)構成的多相體系，對細菌或酵母發(fā)酵液，一般說來粘度較低，流動性好，熱量質量傳遞速率較快而用特殊的培養(yǎng)技術得到的高濃度細胞發(fā)酵液，因粘度的增加而造成熱量、質量傳遞困難。如多種抗生素、有機酸等發(fā)酵產品生產中，由于發(fā)酵液中有大量菌絲體或菌球的存在，使其粘度增加，呈現非牛頓流動特性。這些流體流動性差，易使混合不充分，傳熱和傳質產生困難。一、流變模型流變模型:能反映流體流動特性的
2、模型。流體的流動特性常用剪應力與速度梯度的關系來表示和區(qū)分。剪應力:單位流體面積上的剪切力或內摩擦力(F／A)速度梯度：(1)牛頓型流體：剪應力與速度梯度成正比的流體?為流體的粘度，為切變率。流動服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓流體，具有確定的粘度值，氣體、低分子的液體常為牛頓型流體。（２）非牛頓流體：不滿足牛頓粘性定律的流體為，其剪應力與切變率之比不是常數，因而沒有確定的粘度值。賓漢塑性流體擬塑性流體漲塑性流體凱松流體表觀粘度是指剪應力與切變率之比。賓漢(Bingham)塑性流體:它的流動特性可用下式表示：屈服應力剛度系數特點：當剪應力小于屈服應力時，流體不發(fā)生流動，當剪應力超過屈服應力時流體
3、才發(fā)生流動。如黑曲霉、產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．擬（假）塑性流體：流動特性可用下式表示流動特性指數０1漲塑性流體n值越大，流體的非牛頓特性越明顯，淀粉、玉米粉、糖溶液、部分中藥提取液屬于這種流動特性，發(fā)酵液中較少見。凱松(Casson)流體：流體模型為凱松粘度屬于此類流體有血液、熔化的巧克力等。屈服應力
4、流體的流變特性的通式--冪定律方程很多發(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小，漲塑性流體的表觀粘度則隨切變率的增大而增大。剪應力與切變率的關系二、影響生物介質流變特性的因素生物介質流變特性主要取決于固相（細胞等）的濃度和其形態(tài)，對發(fā)酵液而言，其組成復雜，但大部分是水，溶解于水的各種營養(yǎng)成分、細胞的代謝產物、大量細胞和構成發(fā)酵介質的不溶性固相物質，發(fā)酵介質中液相部分粘度很低，但隨著細胞濃度的增加，發(fā)酵介質的粘度也增大。細胞的濃度、形態(tài)、多糖和胞外蛋白質的代謝產物等都會影響發(fā)酵介質的流動特性右圖是酵母培養(yǎng)液的粘度與細胞濃度的關系，隨著細胞濃度的提高，發(fā)酵
5、介質的粘度也相應增大。當發(fā)酵介質中細胞濃度較低，且其形態(tài)為球形時，通常為牛頓型流體。此時流體的粘度可用Einstein式進行計算：發(fā)酵液粘度液相粘度顆粒的體積分率細胞濃度的體積分率大于40%，Vand提出下述關系式：當發(fā)酵介質的粘度與細胞濃度的關系明確時，可通過測定發(fā)酵介質的粘度來確定細胞的濃度。細胞的形態(tài)影響：對具有擬塑性的高分子溶液和絲狀菌懸浮液，當切變率低時，由于分枝的鏈狀分子或菌絲體互相牽制，表觀粘度較高。隨切變率的增大，表觀粘度下降，這是由于菌絲體被拉直、甚至發(fā)生分裂。胞外產物影響發(fā)酵介質流變特性：對于一些多糖發(fā)酵體系，隨著多糖濃度的增加，發(fā)酵介質表觀粘度大大增加。在細胞反應過程中，
6、大都采用深層培養(yǎng)的方法大量生產細胞及有用的代謝產物。對需氧的細胞反應，常需要向培養(yǎng)基中供氧，以滿足細胞生長代謝的需要。對大規(guī)模生產的細胞反應器，則需要通入無菌壓縮空氣并同時進行攪拌的方式，以滿足供氧的需要。6.2氧的傳質反應模型對于需氧的細胞反應，氧氣首先要從氣相通過擴散進入液相，然后在液相中擴散進入細胞的內部進行呼吸反應。下圖為氧從氣泡傳遞到細胞內部的示意圖。氧在傳遞過程中有以下傳遞阻力：①氧從氣相主體擴散到氣一液界面的阻力R1；②通過氣一液界面的阻力R2；③通過氣泡外側的滯流液膜，到達液相主體的阻力R3；④液相主體中的傳遞阻力R4；⑤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
7、R5；⑥通過液體與細胞團之間界面的阻力R6；⑦細胞團內在細胞與細胞之間的介質中的擴散阻力R7；⑧進入細胞的阻力R8。①～④項屬供氧方面的阻力；⑤～⑧項為耗氧方面的阻力。當單個細胞以游離狀態(tài)懸浮于液體中時第⑦項阻力可忽略。下圖表示了氧在三相過程中的濃度(C0)分布，并表示了各步驟的傳質系數和膜的厚度。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kG和液膜傳質系數kL及固一液界面
