第四章第四章 通气与搅拌通气与搅拌第四章第四章通气与搅拌通气与搅拌第一节第一节搅拌器的形式和轴功率计算搅拌器的形式和轴功率计算第二节第二节通气发酵罐中溶氧速率与通气搅拌的关系通气发酵罐中溶氧速率与通气搅拌的关系？n流体特性对搅拌或发酵的影响流体特性对搅拌或发酵的影响n计算搅拌功率的意义计算搅拌功率的意义n计算搅拌功率的思路计算搅拌功率的思路n搅拌功率与溶氧系数之间有何关系搅拌功率与溶氧系数之间有何关系本章学习要点本章学习要点1、了解发酵过程氧气的供需平衡；理解体积溶氧系数了解发酵过程氧气的供需平衡；理解体积溶氧系数KLa的概念及氧传递方程式。的概念及氧传递方程式。2、掌握发酵罐搅拌功率的设计计算原理及其设计应用掌握发酵罐搅拌功率的设计计算原理及其设计应用。3、了解发酵过程氧的传递机理和发酵罐放大方法了解发酵过程氧的传递机理和发酵罐放大方法。掌握。掌握机机械搅拌发酵罐通风和搅拌的比拟放大原理和方法。械搅拌发酵罐通风和搅拌的比拟放大原理和方法。4、了解微生物对氧气的需要；发酵过程氧传递机理；提高、了解微生物对氧气的需要；发酵过程氧传递机理；提高发酵溶氧的工艺；提高发酵溶氧措施。发酵溶氧的工艺；提高发酵溶氧措施。概述概述一、搅拌的作用一、搅拌的作用（1）混合均匀，（混合均匀，（2）打碎气泡）打碎气泡，有助溶氧。，有助溶氧。发酵过程可以分为有氧发酵和无氧发酵。对于酒类和活性污发酵过程可以分为有氧发酵和无氧发酵。对于酒类和活性污泥处理等无氧发酵过程，对搅拌强度要求非常低。泥处理等无氧发酵过程，对搅拌强度要求非常低。在在厌氧厌氧发酵中，为了保持微生物与反应基质的发酵中，为了保持微生物与反应基质的均匀混合均匀混合，需，需要搅拌，但这只需要很小的搅拌功率，如乙醇，乳酸的发酵，要搅拌，但这只需要很小的搅拌功率，如乙醇，乳酸的发酵，搅拌轴需要（搅拌轴需要（4060rpm）就可以。）就可以。而对有氧发酵过程而对有氧发酵过程，搅拌条件的影响非常敏感。搅拌条件的影响非常敏感。对于对于好氧好氧培养系统而言，情况不一样，除了培养系统而言，情况不一样，除了均匀混合均匀混合的需要之的需要之外，更重要的是必须有外，更重要的是必须有溶解氧溶解氧参加微生物的代谢反应。而氧在参加微生物的代谢反应。而氧在水中的溶解度很低，实际培养液与水相比，饱和溶氧浓度更低水中的溶解度很低，实际培养液与水相比，饱和溶氧浓度更低了，所以机械搅拌的更重要功能在于了，所以机械搅拌的更重要功能在于:a）打碎通入空气的气泡）打碎通入空气的气泡；b）增加气液接触面积）增加气液接触面积；c）减少气液膜厚度；）减少气液膜厚度；d)阻挡气泡使慢些排出，以提高溶氧效率阻挡气泡使慢些排出，以提高溶氧效率二、供氧与耗氧二、供氧与耗氧供氧：空气中的氧气首先要溶解在溶液中，这个阶段叫供氧。供氧：空气中的氧气首先要溶解在溶液中，这个阶段叫供氧。耗氧：微生物利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动。耗氧：微生物利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动。供给足够的溶解氧满足微生物的需要是生物反应器的重要任供给足够的溶解氧满足微生物的需要是生物反应器的重要任务之一。务之一。n氧是难溶性气体，在常温常压下，纯水中的溶解度只有氧是难溶性气体，在常温常压下，纯水中的溶解度只有12mmolO2/L。n温度越高，氧在溶液中的溶解度越低。温度越高，氧在溶液中的溶解度越低。n培养基浓度越高，氧在溶液中的溶解度越低。培养基浓度越高，氧在溶液中的溶解度越低。三三、氧与其它条件的关系氧与其它条件的关系纯氧在水、盐或酸中的溶解度（常温常压）纯氧在水、盐或酸中的溶解度（常温常压）本章的内容是讨论有关溶氧和搅拌之间的问题，目的是做到本章的内容是讨论有关溶氧和搅拌之间的问题，目的是做到既满足细胞对氧的需求，又能尽量降低能量消耗。既满足细胞对氧的需求，又能尽量降低能量消耗。发酵过程中的搅拌作用会涉及到气体分散、固液悬浮、传热和发酵过程中的搅拌作用会涉及到气体分散、固液悬浮、传热和混匀等。实际工业应用的发酵罐全容积通常在混匀等。实际工业应用的发酵罐全容积通常在50400m3之之间间,其长径比一般为其长径比一般为(25) 1 。发酵罐的设计一般首先考虑空槽气速的影响。空槽气速根据微发酵罐的设计一般首先考虑空槽气速的影响。空槽气速根据微生物的耗氧量来折算生物的耗氧量来折算,一般在一般在0. 0050 . 05m/ s 之间之间,最大不最大不超过超过0.10. 12m/ s。考虑气体分布的要求考虑气体分布的要求,采用较大的高径比有利于气体分散采用较大的高径比有利于气体分散;其次要考虑传热的要求其次要考虑传热的要求,发酵过程产生的热量一般由罐内多组发酵过程产生的热量一般由罐内多组直立冷却排管导出直立冷却排管导出,直立排管同时起部分挡板作用。采用较大直立排管同时起部分挡板作用。采用较大的高径比有利于增大换热面积。的高径比有利于增大换热面积。但在考虑混匀要求时但在考虑混匀要求时,较大的高径比却不利于物料上下混匀较大的高径比却不利于物料上下混匀,因因而实际应用过程常采用多层叶轮来满足要求。而实际应用过程常采用多层叶轮来满足要求。发酵罐设计最关键的是搅拌器的选型。发酵罐设计最关键的是搅拌器的选型。对目前所有应用在发酵罐中的搅拌器均存在一个问题对目前所有应用在发酵罐中的搅拌器均存在一个问题,即通气即通气操作与不通气操作功率消耗存在很大变化操作与不通气操作功率消耗存在很大变化,通气操作时功率消通气操作时功率消耗明显下降。因而按不通气操作设计就会造成一次性投资及正耗明显下降。因而按不通气操作设计就会造成一次性投资及正常运行成本增加常运行成本增加,额外还造成电网的功率因子降低。而按通气额外还造成电网的功率因子降低。而按通气功率设计有时会造成电机过载。功率设计有时会造成电机过载。目前目前,研究开发在两种操作工况下功率变化小的搅拌器是搅拌研究开发在两种操作工况下功率变化小的搅拌器是搅拌技术需要解决的一个问题。技术需要解决的一个问题。第一节第一节搅拌器得形式和轴功率计算搅拌器得形式和轴功率计算一、搅拌器（桨）型式一、搅拌器（桨）型式二、搅拌器轴功率计算二、搅拌器轴功率计算三、非牛顿型流体对搅拌功率计算的影响三、非牛顿型流体对搅拌功率计算的影响合适的搅拌器：剪切速率、混合均匀、液体循环量。合适的搅拌器：剪切速率、混合均匀、液体循环量。反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为轴向推进和径向推反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为轴向推进和径向推进两种型式，前者如螺旋桨式，后者如涡轮式。进两种型式，前者如螺旋桨式，后者如涡轮式。（一）径向流搅拌器（一）径向流搅拌器一、搅拌器（桨）型式一、搅拌器（桨）型式 涡轮搅拌：涡轮搅拌：（圆盘）平直叶、弯叶、箭叶涡轮搅拌。（圆盘）平直叶、弯叶、箭叶涡轮搅拌。这三这三种涡轮搅拌器产生的流型相似。圆盘平直叶、弯叶、箭叶涡种涡轮搅拌器产生的流型相似。圆盘平直叶、弯叶、箭叶涡轮搅拌器与没有圆盘的搅拌器相比，二者搅拌特性相似，但轮搅拌器与没有圆盘的搅拌器相比，二者搅拌特性相似，但圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙中上升，保证气泡更好的分散。另外没有圆盘的搅拌器受扭中上升，保证气泡更好的分散。另外没有圆盘的搅拌器受扭力大，轴瓷易坏。力大，轴瓷易坏。在传统的发酵罐中在传统的发酵罐中, ,经常使用的是经常使用的是Rushton Rushton 涡轮。涡轮。Rushton Rushton 涡涡轮是最典型的径向流搅拌器轮是最典型的径向流搅拌器, ,其结构比较简单其结构比较简单, ,通常是一个圆盘通常是一个圆盘上面带有六个直叶叶片上面带有六个直叶叶片, ,也称为六直叶圆盘涡轮。设置圆盘的也称为六直叶圆盘涡轮。设置圆盘的目的是为了防止气体未经分散直接从轴周围溢出液面。由于发目的是为了防止气体未经分散直接从轴周围溢出液面。由于发酵工业的发展初期酵工业的发展初期, ,发酵罐的规模较小发酵罐的规模较小,Rushton,Rushton涡轮在许多条涡轮在许多条件下能够满足工艺的需要件下能够满足工艺的需要, ,同时其结构非常简单同时其结构非常简单, ,容易加工制造容易加工制造, ,所以其应用还是比较广泛的。所以其应用还是比较广泛的。但是随着发酵工业规模的扩大但是随着发酵工业规模的扩大, ,越来越多的事实证明越来越多的事实证明: :这种结构这种结构并不是适用于气液分散的最优结构。并不是适用于气液分散的最优结构。Vant Riet ,Smith Vant Riet ,Smith 和和Nienow Nienow 等发现等发现, ,当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于低当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于低粘流体时粘流体时, ,在每片桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡在每片桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡, ,漩涡内漩涡内负压较大负压较大, ,从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡, ,形成气体充形成气体充填的空穴填的空穴, ,称为气穴。称为气穴。气穴的存在使得搅拌器在充气时的旋转阻力减小气穴的存在使得搅拌器在充气时的旋转阻力减小, ,因而造成搅因而造成搅拌功率降低拌功率降低, ,约为不通气时的约为不通气时的40%40%左右。功率的变化使得在装左右。功率的变化使得在装置设计上会存在一些问题置设计上会存在一些问题, ,如果按不充气的功率设计如果按不充气的功率设计, ,会造成会造成资源浪费的问题资源浪费的问题; ;如果按充气时的功率设计如果按充气时的功率设计, ,一旦停止通气一旦停止通气, ,功功率会迅速上升率会迅速上升, ,容易烧毁电机。气穴的存在还会影响到搅拌槽容易烧毁电机。气穴的存在还会影响到搅拌槽内的气液传质能力。因为内的气液传质能力。因为, ,气体并不是直接被搅拌器剪碎而得气体并不是直接被搅拌器剪碎而得到分散的。气泡的分散首先是在桨叶的背面形成较为稳定的到分散的。气泡的分散首先是在桨叶的背面形成较为稳定的气穴气穴, ,而后气穴在尾部破裂而后气穴在尾部破裂, ,这些小气泡在离心力作用下被甩这些小气泡在离心力作用下被甩出出, ,并随液体的流动分散至槽内其它区域。并随液体的流动分散至槽内其它区域。气穴理论所揭示的气液分散机理对开发新型搅拌器有重大意气穴理论所揭示的气液分散机理对开发新型搅拌器有重大意义。气穴使得义。气穴使得Rushton Rushton 涡轮的泵送能力降低。在高气速下涡轮的泵送能力降低。在高气速下, ,有有时整个搅拌器被气穴包围时整个搅拌器被气穴包围, ,搅拌器近似空转搅拌器近似空转,效率很低。效率很低。为了改进为了改进Rushton涡轮搅拌器的缺点涡轮搅拌器的缺点,Smith等提出采用弯曲等提出采用弯曲叶片的概念叶片的概念,并解释了弯曲叶片相对于直叶叶片所具有的优点。并解释了弯曲叶片相对于直叶叶片所具有的优点。弯曲叶片可使其背面的漩涡减小弯曲叶片可使其背面的漩涡减小,抑制叶片后方气穴的形成。抑制叶片后方气穴的形成。这种结构使该搅拌器具有如下优点这种结构使该搅拌器具有如下优点:载气能力提高载气能力提高;改善了分散改善了分散和传质能力和传质能力;由于通气而造成的搅拌功率下降的程度减小。根由于通气而造成的搅拌功率下降的程度减小。根据这些研究成果据这些研究成果,各混合设备公司推出了采用弯曲叶片的搅拌各混合设备公司推出了采用弯曲叶片的搅拌器器,其中有其中有Chemineer公司的公司的CD-6,Lightnin公司的公司的R130搅拌器搅拌器,Philadelphia公司的公司的Smithturbine(6DS90)。此类搅拌器的叶片采用的是半管的结构。此类搅拌器的叶片采用的是半管的结构。在湍流条件下在湍流条件下,其功率准数一般在其功率准数一般在2.83.2之间之间,比比Rushton涡涡轮要小得多。英国轮要小得多。英国ICI公司将半管的结构作了进一步改进公司将半管的结构作了进一步改进,推推出了专利搅拌器出了专利搅拌器,叶片采取了深度凹陷的结构。叶片采取了深度凹陷的结构。1998年年,Bakker提出了采用弯曲非对称叶片的想法提出了采用弯曲非对称叶片的想法,并据此开发并据此开发了最新一代的气液混合搅拌器了最新一代的气液混合搅拌器BT-6(BakkerTurbine),并申并申请了专利请了专利(USP5791780)。BT-6搅拌器的特点是采用了上下不搅拌器的特点是采用了上下不对称的结构设计对称的结构设计,上面的叶片略长于下部的叶片。该设计使得上上面的叶片略长于下部的叶片。该设计使得上升的气体被上面的长叶片盖住升的气体被上面的长叶片盖住,避免了气体过早地从叶轮区域直避免了气体过早地从叶轮区域直接上升而逃逸接上升而逃逸,而是使更多的气体通过叶轮区域在径向被分散。而是使更多的气体通过叶轮区域在径向被分散。叶片曲线采用抛物线设计叶片曲线采用抛物线设计,既保留了弯曲叶片的优点既保留了弯曲叶片的优点,还能明显还能明显减少叶片后方的气穴减少叶片后方的气穴,其功率准数一般在其功率准数一般在2.3左右。实验证明该左右。实验证明该搅拌器的综合性能均优于前述的各种径向流气液分散搅拌器。搅拌器的综合性能均优于前述的各种径向流气液分散搅拌器。1圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘的作用：圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡圆盘的作用：圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙中上升，保证气泡更好的分散。从轴向叶片空隙中上升，保证气泡更好的分散。径向流为主。径向流为主。很大的循环输送量和输出功率，剪切速率高。很大的循环输送量和输出功率，剪切速率高。2圆盘弯叶涡轮搅拌器圆盘弯叶涡轮搅拌器输出功率和剪切速率较低。输出功率和剪切速率较低。3圆盘箭叶涡轮搅拌器圆盘箭叶涡轮搅拌器输出功率和剪切速率低。输出功率和剪切速率低。混合效果好。混合效果好。4新型凹叶圆盘涡轮搅拌器新型凹叶圆盘涡轮搅拌器新型圆盘弯叶涡轮新型圆盘弯叶涡轮新型圆盘箭叶涡轮新型圆盘箭叶涡轮1、螺旋桨式搅拌器、螺旋桨式搅拌器螺旋桨式搅拌器在罐内将液体向下或向上推进，形成轴向螺旋桨式搅拌器在罐内将液体向下或向上推进，形成轴向的螺旋流动，其混合效果尚好，但产生的剪率较低，对气的螺旋流动，其混合效果尚好，但产生的剪率较低，对气泡的分散效果不好。一般用在靠压差循环的培养罐内，以泡的分散效果不好。一般用在靠压差循环的培养罐内，以提高其循环速度。提高其循环速度。2、新型轴流式搅拌桨、新型轴流式搅拌桨（二）轴向流搅拌器（二）轴向流搅拌器径向流搅拌器对气体分散的能力比较强径向流搅拌器对气体分散的能力比较强,但是其作用范围较小。但是其作用范围较小。随着发酵规模的不断扩大随着发酵规模的不断扩大,其缺陷也越发明显。尤其是对于要其缺陷也越发明显。尤其是对于要求整槽混匀好求整槽混匀好,剪切性能温和的过程剪切性能温和的过程,径向流搅拌器往往无能为径向流搅拌器往往无能为力。因而在发酵反应器中力。因而在发酵反应器中,轴向流搅拌器的开发应用迅速轴向流搅拌器的开发应用迅速发展起来。轴向流搅拌器的发展是在近代流体力学的理论基发展起来。轴向流搅拌器的发展是在近代流体力学的理论基础上础上,基于边界层分离、机翼理论和船用螺旋桨理论等而出现基于边界层分离、机翼理论和船用螺旋桨理论等而出现的一种新型搅拌器。应用于发酵的轴向流搅拌器叶片一般为的一种新型搅拌器。应用于发酵的轴向流搅拌器叶片一般为46片宽叶片宽叶,其投影覆盖率可达其投影覆盖率可达90%。它不同于传统的推进式。它不同于传统的推进式叶轮叶轮,也不同于中低粘度混合的轴向流搅拌器也不同于中低粘度混合的轴向流搅拌器,如如LINGHT2NINA310搅拌器。这些搅拌器一般只用搅拌器。这些搅拌器一般只用3个叶片个叶片,叶片叶片宽度较窄宽度较窄,投影覆盖率只有投影覆盖率只有22%左右。因而对气体的控制能力左右。因而对气体的控制能力差差,容易造成液泛。容易造成液泛。国内外轴流式搅拌器的应用已经很多国内外轴流式搅拌器的应用已经很多,较典型的有较典型的有ProChem公司的公司的Maxflo。在在800L罐曲霉的培养下罐曲霉的培养下,使用该轴流桨比传统的使用该轴流桨比传统的Rushton涡轮涡轮传质系数提高传质系数提高40%,功耗降低功耗降低50%。还有美国。还有美国Lightnin公司公司的的A315搅拌器。搅拌器。A315特别适合于气液传质过程特别适合于气液传质过程,在直径大于在直径大于1m的实验装置中的实验装置中,同样的输入功率下同样的输入功率下,A315桨的持气量比桨的持气量比Rushton涡轮高涡轮高80%,气体分散量提高气体分散量提高4倍倍,同时产量提高同时产量提高1050%,其剪切力仅为其剪切力仅为Rushton涡轮的涡轮的25%,较适合于对剪切较适合于对剪切敏感的微生物发酵过程等。敏感的微生物发酵过程等。国内在轴流式搅拌器的研究开发方面已取得许多进展。北京化国内在轴流式搅拌器的研究开发方面已取得许多进展。北京化工大学开发了工大学开发了CBY系列搅拌器系列搅拌器,并对各种工况下的流动场并对各种工况下的流动场,功耗功耗,以及搅拌器的受力等进行了系统的研究以及搅拌器的受力等进行了系统的研究,而且已经将其成功的推而且已经将其成功的推广应用广应用,取得了较好的经济效益。华东理工大学开发了翼形桨取得了较好的经济效益。华东理工大学开发了翼形桨,并提出采用组合桨。如在青霉素发酵中采用下为并提出采用组合桨。如在青霉素发酵中采用下为Rushton涡轮涡轮,上为翼形桨的组合。用这种组合代替多层涡轮桨可使主体混合上为翼形桨的组合。用这种组合代替多层涡轮桨可使主体混合速率提高约速率提高约40%。无锡轻工大学开发了适用于中低粘物系的。无锡轻工大学开发了适用于中低粘物系的LA搅拌器和适用高粘物系的搅拌器和适用高粘物系的MT搅拌器。江苏石油化工学院搅拌器。江苏石油化工学院开发了开发了JH轴流式搅拌器。浙江长城减速机有限公司的轴流式搅拌器。浙江长城减速机有限公司的KSX型型大宽叶旋桨式搅拌器在发酵中得到很好的应用大宽叶旋桨式搅拌器在发酵中得到很好的应用,这种搅拌器的叶这种搅拌器的叶片为大面积、带倾角的曲面形状片为大面积、带倾角的曲面形状,具有较高的投影覆盖率具有较高的投影覆盖率,其综其综合性能优异合性能优异,可替代国外的同类产品可替代国外的同类产品,如如LIGHTNIN公司的公司的A315搅拌器。搅拌器。组合式搅拌器组合式搅拌器从上面的分析可以看出从上面的分析可以看出,径流式搅拌器的优势是气体分散能力强径流式搅拌器的优势是气体分散能力强,但是其功耗较大但是其功耗较大,作用范围小作用范围小;而轴向流搅拌器的轴向混合性能而轴向流搅拌器的轴向混合性能较好较好,功耗低功耗低,作用范围大作用范围大,但是其对气体的控制能力弱。根据气但是其对气体的控制能力弱。根据气液混合的扩散机理液混合的扩散机理,气液混合是通过主体对流扩散、涡流扩散和气液混合是通过主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散来实现的。大尺度的宏观循环流动称为主体流动分子扩散来实现的。大尺度的宏观循环流动称为主体流动,由漩由漩涡运动造成的局部范围内的扩散称为涡流扩散。其中涡运动造成的局部范围内的扩散称为涡流扩散。其中,机械搅拌机械搅拌作用能够强化的过程有主体对流扩散和涡流扩散。如果将径向作用能够强化的过程有主体对流扩散和涡流扩散。如果将径向流搅拌器和轴向流搅拌器组合使用流搅拌器和轴向流搅拌器组合使用,利用径向流搅拌器利用径向流搅拌器控制气体的分散控制气体的分散,通过主体对流扩散和涡轮扩散实现较小范围的通过主体对流扩散和涡轮扩散实现较小范围的充分的气液混合充分的气液混合,然后再依靠轴向流搅拌器的主体对流作用使全然后再依靠轴向流搅拌器的主体对流作用使全部液体周期性依次与气体混合部液体周期性依次与气体混合,实现较大范围的气液混合。实现较大范围的气液混合。针对发酵罐规模的不断扩大针对发酵罐规模的不断扩大,充分利用两种搅拌器的优势充分利用两种搅拌器的优势,取长补取长补短短,采用多级多种组合方式是今后大型发酵罐设计的发展方向。采用多级多种组合方式是今后大型发酵罐设计的发展方向。对于组合形式对于组合形式,根据发酵罐一般是下部通气的特点根据发酵罐一般是下部通气的特点,下层搅拌器选下层搅拌器选择径向流搅拌器择径向流搅拌器,上层搅拌器采用轴向流搅拌器。与单纯采用径上层搅拌器采用轴向流搅拌器。与单纯采用径向流搅拌器相比向流搅拌器相比,该组合形式可以提高传质系数该组合形式可以提高传质系数,减少功率消耗减少功率消耗,对对于剪切敏感的细菌发酵过程还能够减少剪切作用于剪切敏感的细菌发酵过程还能够减少剪切作用,增加收率。福增加收率。福建某抗菌素厂建某抗菌素厂50m3发酵罐发酵罐,直径直径3100m,高度高度6400mm,原设计院原设计院设计功率为设计功率为95kW,搅拌器为三层箭叶式圆盘涡轮搅拌器搅拌器为三层箭叶式圆盘涡轮搅拌器,直径直径1000mm,转速转速130r/min。根据我方经验并计算。根据我方经验并计算,搅拌在不通气搅拌在不通气情况下超载。与厂方协商情况下超载。与厂方协商,对搅拌进行设计改进对搅拌进行设计改进,三层搅拌器改为三层搅拌器改为上面使用两层上面使用两层KSX大宽叶旋桨式搅拌器大宽叶旋桨式搅拌器,直径直径1050mm,底层采用底层采用HDY型半弯管圆盘涡轮型半弯管圆盘涡轮,直径直径1000mm,实际使用功率实际使用功率55kW(电电机功率机功率),现使用良好现使用良好,完全达到工艺要求。完全达到工艺要求。温州某厂谷氨酸发酵罐温州某厂谷氨酸发酵罐,该发酵罐直径该发酵罐直径4600mm,高度高度12300mm,体积约体积约200m3。根据设计院要求。根据设计院要求,该装置须配备该装置须配备了了200kW的电机的电机,搅拌器为三层后弯叶式圆盘涡轮搅拌器搅拌器为三层后弯叶式圆盘涡轮搅拌器,直径直径1200mm,转速转速120r/min。三层径流式搅拌器并不是。三层径流式搅拌器并不是最优设计。经厂方同意最优设计。经厂方同意,搅拌器底层采用径流式的搅拌器底层采用径流式的HDY型型半弯管圆盘涡轮半弯管圆盘涡轮,直径直径1200mm;上面两层采用轴流式的上面两层采用轴流式的KSX大宽叶旋桨式搅拌器大宽叶旋桨式搅拌器,直径直径1200mm。经投产运行。经投产运行,其其状况非常好状况非常好,实际消耗功率仅实际消耗功率仅100kW左右左右,与其与其100m3发酵发酵罐的功耗相当罐的功耗相当,节能效果非常显著节能效果非常显著,且产酸率高于且产酸率高于100m3罐。罐。搅拌器在罐内造成的液体流动形式对气、固、液体的混合，搅拌器在罐内造成的液体流动形式对气、固、液体的混合，氧气的溶解以及热量的传递有重大的影响。氧气的溶解以及热量的传递有重大的影响。 液流型式不仅决定搅拌器本身，还受罐内其它附件的影响，液流型式不仅决定搅拌器本身，还受罐内其它附件的影响，如挡板、拉力筒以及安装位置。如挡板、拉力筒以及安装位置。搅拌器安装的相对位置对搅拌效果影响也很大。例如下组搅搅拌器安装的相对位置对搅拌效果影响也很大。例如下组搅拌器距罐底太远，则罐液不能上升，造成局部缺氧。搅拌器拌器距罐底太远，则罐液不能上升，造成局部缺氧。搅拌器相距太远，部分发酵液搅拌不均匀，相距太近，功率降低。相距太远，部分发酵液搅拌不均匀，相距太近，功率降低。（三）搅拌器的流型（三）搅拌器的流型1 罐中轴装垂直螺旋桨搅拌器在无挡板时的搅拌流型罐中轴装垂直螺旋桨搅拌器在无挡板时的搅拌流型罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的漩涡。成凹陷的漩涡。如果在罐内壁安装垂直挡板多块，液体的螺旋状流受挡板折如果在罐内壁安装垂直挡板多块，液体的螺旋状流受挡板折流，被返流向轴心，使漩涡消失。流，被返流向轴心，使漩涡消失。消除漩涡所必需的最小挡板数为全挡板条件。消除漩涡所必需的最小挡板数为全挡板条件。冷却排管可代替挡板。冷却排管可代替挡板。2 径向流涡轮搅拌器的搅拌流型（有挡板）径向流涡轮搅拌器的搅拌流型（有挡板）（平直叶、弯叶、箭叶）涡轮搅拌器的搅拌流型基本相似。（平直叶、弯叶、箭叶）涡轮搅拌器的搅拌流型基本相似。流体在涡轮平面的上下两侧造成向上和向下的翻腾。流体在涡轮平面的上下两侧造成向上和向下的翻腾。3 轴向流搅拌器的搅拌流型轴向流搅拌器的搅拌流型在罐内与垂直的搅拌器同轴线安装套筒，可以大大加强循环在罐内与垂直的搅拌器同轴线安装套筒，可以大大加强循环输送效果，并能将液体表面的泡沫从套管上部入口抽吸到液输送效果，并能将液体表面的泡沫从套管上部入口抽吸到液体之中，具有自消泡的能力。加套筒后，把液体分成筒内和体之中，具有自消泡的能力。加套筒后，把液体分成筒内和筒外，造成压差筒外，造成压差(搅拌形成的），加速液体的流动，所以这种搅拌形成的），加速液体的流动，所以这种套管一开始叫套管一开始叫pressure cycle tube 二、搅拌器轴功率计算二、搅拌器轴功率计算生化反应器的搅拌功率，不仅是选择电动机的依据生化反应器的搅拌功率，不仅是选择电动机的依据（1.151.2倍）倍），而且也是确定溶氧的主要指标，而且也是确定溶氧的主要指标，同时又是比拟放大和设计的基本依据。同时又是比拟放大和设计的基本依据。模型：单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率模型：单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率Po 1 搅拌轴功率的计算搅拌轴功率的计算为什么要计算搅拌轴功率？为什么要计算搅拌轴功率？对耗氧的培养过程，对耗氧的培养过程，Kla很重要。很重要。Kla = f（设备参数，操作变数，物性参数）（设备参数，操作变数，物性参数）设备参数：反应器设备参数：反应器H、D ，搅拌器，搅拌器H、D等，操作变数：等，操作变数：N、Q、T、P等，物性参数：料液组成、粘度、表面张力等。等，物性参数：料液组成、粘度、表面张力等。搅拌器输入功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服搅拌器输入功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服介质的阻力所需的功率。不包括机械传动的摩擦所消耗的功介质的阻力所需的功率。不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率。率，因此它不是电动机的轴功率。 P0与很多因素有关，与操作变数（与很多因素有关，与操作变数（N、Q），流体物性（），流体物性（、p），罐的几何尺寸，附件等因素有关。），罐的几何尺寸，附件等因素有关。P0=f（15个变数）个变数） RushtonRushton等对在牛顿流体中的搅拌功率作了分析，其等对在牛顿流体中的搅拌功率作了分析，其大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度及粘度大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度及粘度有关，通过因次分析，得到几个无因此数群，它们有关，通过因次分析，得到几个无因此数群，它们之间有以下关系：之间有以下关系：P P搅拌功率搅拌功率W WN N 转速转速1/s1/sD Di i搅拌器直径搅拌器直径m m液体密度液体密度kg/mkg/m3 3g g重力加速度重力加速度9.81m/s9.81m/s2 2三个无因次数群分别称为功率准数三个无因次数群分别称为功率准数N NP P、雷诺准数、雷诺准数N NReRe和弗鲁特准数和弗鲁特准数N NFrFr, ,即即用因次分析法找出三者之间的关系用因次分析法找出三者之间的关系式中：式中：K K同一几何构形搅拌器的总形状因子同一几何构形搅拌器的总形状因子 注：注：K K、X X、Y Y由试验求得由试验求得a a）当）当ReRe1010时，液体处于滞流状态，时，液体处于滞流状态，x=-1,x=-1,则则b b）当）当Re10Re104 4时，液体处于湍流状态，时，液体处于湍流状态，x=0,Nx=0,NP P保持不保持不变，对六平叶涡轮，变，对六平叶涡轮，N NP P6.06.0，对六弯叶涡轮，对六弯叶涡轮，N NP P 4.74.7，对六箭叶涡轮，对六箭叶涡轮，N NP P=3.7=3.7。且。且c c）当）当1010ReRe10104 4时，液体处于过渡流状态，时，液体处于过渡流状态，K K与与x x均随均随ReRe变化。变化。在全挡板条件下，液面的中心部不生成旋涡，此时重力影响在全挡板条件下，液面的中心部不生成旋涡，此时重力影响可以忽略不计，前式中可以忽略不计，前式中y=0，搅拌功率只与，搅拌功率只与Re有关。有关。大的培养罐，因液层较深，只有一只涡轮搅拌效果不好，大的培养罐，因液层较深，只有一只涡轮搅拌效果不好，所以一般在同一搅拌轴上安装尺寸相同的多只涡轮。所以一般在同一搅拌轴上安装尺寸相同的多只涡轮。搅拌器的只数搅拌器的只数n，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么Po，nnPo注意涡轮间距，如果两只涡轮间距为零，则实际上合为一注意涡轮间距，如果两只涡轮间距为零，则实际上合为一只涡轮。应使两只涡轮形成的液流互不干扰。只涡轮。应使两只涡轮形成的液流互不干扰。对非牛顿液体两个涡轮间的距离可采取对非牛顿液体两个涡轮间的距离可采取2D，对牛顿液体可对牛顿液体可采取采取2.53.0D；静液面至上涡轮的距离可采取静液面至上涡轮的距离可采取0.52D；下涡；下涡轮至罐底的距离轮至罐底的距离C可取可取0.51.0D。2 多只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率多只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率计算计算搅拌器的只数搅拌器的只数n，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么Po，nnPo影响因素：通气使得液体重度下降，涡轮周围气液接触影响因素：通气使得液体重度下降，涡轮周围气液接触状况。状况。在培养液中通入空气，搅拌功率消耗会显著下降（密度在培养液中通入空气，搅拌功率消耗会显著下降（密度和粘度下降），日本大山等提出用通气准数来描述通气的影和粘度下降），日本大山等提出用通气准数来描述通气的影响：响： Pg/P = f(NA)3通气液体机械搅拌功率通气液体机械搅拌功率Pg计算计算罐截面上表观气速罐截面上表观气速搅拌器叶尖速度搅拌器叶尖速度=NA通气准数通气准数Qg空气流量空气流量m3/sMichelMichel等通过试验，得出与工作变数间存在如下经等通过试验，得出与工作变数间存在如下经验式：验式：C C随搅拌器不同而异的常数，通用的涡轮搅拌器随搅拌器不同而异的常数，通用的涡轮搅拌器C=0.156C=0.156福田秀雄等福田秀雄等10010040000L40000L的系列设备里，对上式进的系列设备里，对上式进行了修正：行了修正：上述修正后的经验公式适用于较大的如上述修正后的经验公式适用于较大的如40m3发酵罐。发酵罐。例题：书上P43=（2.8*0.6*0.6*1020）/1.9610-3 =5.25105104所以所以 Np= 4.8第一步：第一步：第二步：第二步：第三步：第三步： 研究培养基的流变特性是因为它直接影响动量、热量和质研究培养基的流变特性是因为它直接影响动量、热量和质量等的有效传递，继而影响到各种发酵条件，如溶氧速率、气量等的有效传递，继而影响到各种发酵条件，如溶氧速率、气体交换、发酵温度、营养物的补充、体交换、发酵温度、营养物的补充、pH值的调节等等。培养值的调节等等。培养液是一多相体系，由液相、固相（包括菌体细胞和不溶性培养液是一多相体系，由液相、固相（包括菌体细胞和不溶性培养基组分）和气相（通气培养时）构成。基组分）和气相（通气培养时）构成。 一般细菌或酵母的培养液黏度较低，流变性比较好，在深一般细菌或酵母的培养液黏度较低，流变性比较好，在深层培养中的动量、热量和质量传递较为容易。层培养中的动量、热量和质量传递较为容易。三、非牛顿流体中的搅拌功率三、非牛顿流体中的搅拌功率 而利用放线菌和丝状真菌生产抗生素、酶、有机酸等而利用放线菌和丝状真菌生产抗生素、酶、有机酸等发酵产品，特别是现在常采用丰富培养基，培养基中含有发酵产品，特别是现在常采用丰富培养基，培养基中含有大量的菌丝体和未被利用的不溶性培养基成分，致使培养大量的菌丝体和未被利用的不溶性培养基成分，致使培养液十分黏稠，表现为非牛顿流变特性。液十分黏稠，表现为非牛顿流变特性。 此外，细菌、酵母的高浓度细胞培养液则会使黏度大此外，细菌、酵母的高浓度细胞培养液则会使黏度大大增加。这些黏性的非牛顿流体的流变性差，导致动量、大增加。这些黏性的非牛顿流体的流变性差，导致动量、热量和质量传递困难，容易发生因混合不充分，气液相间热量和质量传递困难，容易发生因混合不充分，气液相间的质量传递以及热量传递不良，最终影响代谢产物的生产。的质量传递以及热量传递不良，最终影响代谢产物的生产。 所以有必要了解培养液的流变特性。所以有必要了解培养液的流变特性。 牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体牛顿型流体：服从牛顿黏性定律的流体。牛顿型流体：服从牛顿黏性定律的流体。其主要特征其主要特征就是其黏度就是其黏度只是只是温度温度的函数，与流变状态无的函数，与流变状态无关，关，因此是一常数（如气体、低分子的液体或溶液）。因此是一常数（如气体、低分子的液体或溶液）。即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，并且即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，并且在同一搅拌转速下，在发酵罐的全培养液中的任何局部的在同一搅拌转速下，在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏度相同。黏度相同。非非牛牛顿顿型型流流体体：不不服服从从牛牛顿顿黏黏性性定定律律，其其黏黏度度不不是是常常数数，它它不不仅仅是是温温度度的的函函数数，而而且且随随流流动动状状态态而而异异，因因此此没没有有固固定定的的黏度值。黏度值。根根据据非非牛牛顿顿型型流流体体的的剪剪应应力力与与切切变变率率之之间间的的关关系系，可可分分为为几几种类型种类型：拟塑性（拟塑性（pseudoplastic）流体）流体凯松流体（凯松流体（Cassonbody）涨塑性（涨塑性（dilatant）流体）流体平汉（平汉（dingham）塑性流体）塑性流体非牛顿型流体非牛顿型流体稠度系数稠度系数流性指数流性指数表观粘度表观粘度 在食品、造纸、高分子材料、环境工程和涂料等行业经在食品、造纸、高分子材料、环境工程和涂料等行业经常碰到的流体的剪应力不服从牛顿粘性定律，这类流体称为常碰到的流体的剪应力不服从牛顿粘性定律，这类流体称为非牛顿型流体。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度的关系不非牛顿型流体。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度的关系不是简单的线性关系。是简单的线性关系。 表观粘度与牛顿粘性定律中的粘度有本质的区别，对于表观粘度与牛顿粘性定律中的粘度有本质的区别，对于一定温度、压力下的某种流体来说，它不是常数，其大小还一定温度、压力下的某种流体来说，它不是常数，其大小还与流体流动的速度梯度有关。与流体流动的速度梯度有关。非牛顿型流体非牛顿型流体稠度系数稠度系数流性指数流性指数表观粘度表观粘度牛顿流体与非牛顿流体的剪切图牛顿流体与非牛顿流体的剪切图1.塑性流体：如纸浆、泥浆、牙膏、肥皂等流动时，剪应力需塑性流体：如纸浆、泥浆、牙膏、肥皂等流动时，剪应力需要超过一个初始剪应力时，才能产生剪切速率。在图中是一条要超过一个初始剪应力时，才能产生剪切速率。在图中是一条过初始剪应力的直线。过初始剪应力的直线。2.涨塑性流体：流性指数涨塑性流体：流性指数n1，表观粘度是图中曲线的斜率。表观粘度是图中曲线的斜率。表观粘度随速度梯度的增加而增大。在图中是一条过原点的向表观粘度随速度梯度的增加而增大。在图中是一条过原点的向上弯的曲线。这类流体比较少，如：含高浓度粉末的悬浊液属上弯的曲线。这类流体比较少，如：含高浓度粉末的悬浊液属于这一类。于这一类。3.拟塑性流体：与涨塑性流体相反，流性指数拟塑性流体：与涨塑性流体相反，流性指数n1，表观粘度表观粘度随速度梯度的增加而减小。在图中是一条过原点的向下弯的曲随速度梯度的增加而减小。在图中是一条过原点的向下弯的曲线。多数非牛顿型流体属于这一类。主要有高分子溶液、油脂、线。多数非牛顿型流体属于这一类。主要有高分子溶液、油脂、涂料、淀粉溶液等。涂料、淀粉溶液等。 非牛顿型流体与牛顿型流体的流动特性有本质区别，因此，非牛顿型流体与牛顿型流体的流动特性有本质区别，因此，在流体阻力、传热、传质等方面也会表现出明显的差异。在流体阻力、传热、传质等方面也会表现出明显的差异。在发酵过程中，培养液在发酵过程中，培养液流动模型参数流动模型参数会随着细胞浓度、形态的会随着细胞浓度、形态的变化，培养基物质的消耗，代谢产物的积累以及补料等发生明变化，培养基物质的消耗，代谢产物的积累以及补料等发生明显的变化，表现出时变性。下图是金色链霉菌发酵液的稠度系显的变化，表现出时变性。下图是金色链霉菌发酵液的稠度系数数K、流变特性指数、流变特性指数n随发酵时间变化的曲线。此外，发酵液随发酵时间变化的曲线。此外，发酵液的的流变特性类型流变特性类型也可发生变化。也可发生变化。n非牛顿流体搅拌功率计算与牛顿型流体的计算基本一致。非牛顿流体搅拌功率计算与牛顿型流体的计算基本一致。n计算计算Re=，从已作的非牛顿型从已作的非牛顿型Np-Re曲线上查曲线上查Np，计算计算Po，计算，计算Pg。n但非牛顿流体的粘度与搅拌转数但非牛顿流体的粘度与搅拌转数N有关，所以要先已知有关，所以要先已知a与与N的关系，然后才能计算不同的关系，然后才能计算不同N下的下的Re。在在发发酵酵罐罐中中的的非非牛牛顿顿流流体体的的平平均均切切变变率率与与搅搅拌拌转转速成正比：速成正比： 平均切变率（平均切变率（s-1s-1）；）； N N搅拌器转速（搅拌器转速（s-1s-1）；）； K K无因次常数。无因次常数。对于不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的对于不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器，比例常数搅拌器，比例常数k k值在值在10101313之间，对两层之间，对两层的涡式搅拌器可取的涡式搅拌器可取11.511.5。 1.搅拌的目的是搅拌的目的是和和。2.反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为和和。3.挡板的作用是挡板的作用是。4.相比于平直叶涡轮，弯叶涡轮在相同的搅拌功率下，相比于平直叶涡轮，弯叶涡轮在相同的搅拌功率下，搅拌效果搅拌效果。5. 在相同的转速下，搅拌器与单位体积在相同的转速下，搅拌器与单位体积 不通气中的搅不通气中的搅拌功率比通气中的搅拌功率拌功率比通气中的搅拌功率。6.搅拌功率准数是指搅拌功率准数是指。自测题自测题二、名词解释二、名词解释1.雷诺准数雷诺准数2.搅拌功率准数搅拌功率准数 3. 牛顿液体牛顿液体三、判断题三、判断题1 、非牛顿型流体发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，并、非牛顿型流体发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，并且在同一搅拌转速下，在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏且在同一搅拌转速下，在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏度相同。度相同。2、服从牛顿黏性定律的流体称牛顿型流体，其主要特征就是其、服从牛顿黏性定律的流体称牛顿型流体，其主要特征就是其黏度黏度只是温度的函数，与流变状态无关，因此是一常数（如只是温度的函数，与流变状态无关，因此是一常数（如气体、低分子的液体或溶液）。气体、低分子的液体或溶液）。3、机械搅拌可通过将大气泡分散成小气泡，阻止气泡的凝并，、机械搅拌可通过将大气泡分散成小气泡，阻止气泡的凝并，增大增大而增大氧的传递速率而增大氧的传递速率（ ）4、发酵工业中的绝大多数反应器属于均相反应器。、发酵工业中的绝大多数反应器属于均相反应器。（ ）5、自吸式充气发酵罐无机械搅拌装置，利用通入培养液的、自吸式充气发酵罐无机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动液体运动，产生混合效果。空气泡上升时带动液体运动，产生混合效果。（ ）6、机械搅拌可通过造成液体湍动，减少湍流液膜厚度，减、机械搅拌可通过造成液体湍动，减少湍流液膜厚度，减小传质阻力。小传质阻力。（ ）7、通风准数、通风准数Na表示的是反应器中空气流量与搅拌液体的线表示的是反应器中空气流量与搅拌液体的线速度之比。速度之比。四、简答题四、简答题1.机械搅拌发酵罐中，搅拌器的搅拌作用是什么？搅拌转速机械搅拌发酵罐中，搅拌器的搅拌作用是什么？搅拌转速的高低对不同种类微生物的生长、代谢有何影响？的高低对不同种类微生物的生长、代谢有何影响？2.机械搅拌发酵罐的基本结构包括哪些部件？机械搅拌发酵罐的基本结构包括哪些部件？ 3.如何计算在通气情况下非牛顿液体中的搅拌功率？如何计算在通气情况下非牛顿液体中的搅拌功率？第三节第三节通气发酵罐中溶氧速率与通气发酵罐中溶氧速率与通气及搅拌的关系通气及搅拌的关系一、工业发酵对氧的需求一、工业发酵对氧的需求二、双膜理论二、双膜理论三、测量体积溶氧系数三、测量体积溶氧系数kLa的方法的方法四、四、kLa与设备参数及操作变数之间的关系与设备参数及操作变数之间的关系五、发酵罐中的五、发酵罐中的kLa及其调节及其调节六、传氧效率六、传氧效率 一、工业发酵对氧的需求一、工业发酵对氧的需求兼性厌氧微生物如酵母菌和乳酸菌，在无氧条件下通过酵解兼性厌氧微生物如酵母菌和乳酸菌，在无氧条件下通过酵解来获得能量，而对于绝对厌氧微生物，氧则是一种有害物质。来获得能量，而对于绝对厌氧微生物，氧则是一种有害物质。如乙醇、乳酸、丙酮、丁醇。如乙醇、乳酸、丙酮、丁醇。许多细胞需要有分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的许多细胞需要有分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，最后与氢离子结合成水。在呼吸的电子传递过程电子受体，最后与氢离子结合成水。在呼吸的电子传递过程中，释放大量能量，供细胞的维持生长和合成反应使用。此中，释放大量能量，供细胞的维持生长和合成反应使用。此外，氧还直接参与一些生物反应，对于这些细胞，供氧不足外，氧还直接参与一些生物反应，对于这些细胞，供氧不足就会抑制细胞的生长代谢就会抑制细胞的生长代谢。1 微生物对氧的利用微生物对氧的利用当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧更多，例如用当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧更多，例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培养微生物时，每消耗碳源中甲醇、石蜡或碳水化合物培养微生物时，每消耗碳源中一个碳原子所需要的氧分别为一个碳原子所需要的氧分别为1.34、1.0和和0.4分子。分子。平衡方程式： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O CH3OH + 3/2 O 2 CO2 + 2H2O CnH2n+2 + (3n+1)/2O2 nCO2 +(n+1) H2O2比生长速率与氧浓度的关系比生长速率与氧浓度的关系在好气性培养中，溶解氧浓度低时，氧是在好气性培养中，溶解氧浓度低时，氧是限制性基质限制性基质，微生物，微生物的比生长速率与氧的关系是：的比生长速率与氧的关系是：C CCrCrQ QO2O2C CL L当氧浓度达到一定值时，即达临界氧浓当氧浓度达到一定值时，即达临界氧浓度（度（C临临）时，比生长速率不再增加。）时，比生长速率不再增加。各种微生物的临界氧浓度（各种微生物的临界氧浓度（C临临）时不同的。）时不同的。在发酵生产中，为了不使微生物的生长和代谢在发酵生产中，为了不使微生物的生长和代谢受到氧浓度的影响，保持发酵过程正常进行，受到氧浓度的影响，保持发酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维持在临界氧浓度之上。必须使溶解氧浓度维持在临界氧浓度之上。双膜理论要点：双膜理论要点：(1)相相界界面面两两侧侧流流体体的的对对流流传传质质阻阻力力全全部部集集中中在在界界面面两两侧侧的的两两个个停停滞滞膜膜内内，膜内传质方式为分子扩散。膜内传质方式为分子扩散。(2)相相界界面面上上没没有有传传质质阻阻力力，即即可可认认为为所所需需的的传传质质推推动动力力为为零零，或或气气液液两两相相在相界面处达到平衡。在相界面处达到平衡。(3)两两相相主主体体中中不不存存在在浓浓度梯度。度梯度。气膜气膜液膜液膜pA pAi 传质方向传质方向 CAi气相主体气相主体 液相主体液相主体 CAlG lLl双膜理论双膜理论组成组成GH距离距离 二、双膜理论二、双膜理论 传氧速率方程传氧速率方程 1氧的传递途径及传质阻力氧的传递途径及传质阻力在深层培养中进行通气供氧时，氧气从气泡传递至细胞内，在深层培养中进行通气供氧时，氧气从气泡传递至细胞内，需要克服一系列阻力。需要克服一系列阻力。 1 1 气相主体到气液界面的气膜传递阻力；气相主体到气液界面的气膜传递阻力；2 2 气液界面的传递阻力；气液界面的传递阻力；3 3 从气液界面通过液膜的传递阻力；从气液界面通过液膜的传递阻力；4 4 液相主体的传递阻力；液相主体的传递阻力；5 5 细胞或细胞团表面的传递阻力；细胞或细胞团表面的传递阻力；6 6 液体与细胞（团）之间界面阻力；液体与细胞（团）之间界面阻力；7 7 细胞团内的传递阻力；细胞团内的传递阻力；8 8 细胞壁的阻力；细胞壁的阻力；9 9 反应阻力。反应阻力。供氧方面供氧方面的阻力的阻力耗氧方面耗氧方面的阻力的阻力 在深层培养中进行通气供氧时，氧气从气泡传递至细胞内，在深层培养中进行通气供氧时，氧气从气泡传递至细胞内，需要克服一系列阻力，这些阻力对相对大小取决于需要克服一系列阻力，这些阻力对相对大小取决于流体力学流体力学特性、温度、细胞的活性和浓度、液体的组成、界面特性以特性、温度、细胞的活性和浓度、液体的组成、界面特性以及其他诸种因素。及其他诸种因素。这些阻力包括供氧方面的阻力（这些阻力包括供氧方面的阻力（14），），和耗氧方面的阻力（和耗氧方面的阻力（59）。当细胞以游离状态存在于液体）。当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力中时，阻力7消失；当细胞吸附在气液界面上时，阻力消失；当细胞吸附在气液界面上时，阻力4、5、6、7消失。消失。 1/kG气相主体到气液界面的气膜传递阻力；气相主体到气液界面的气膜传递阻力；1/k1气液界面的传递阻力；气液界面的传递阻力；1/kL从气液界面通过液膜的传递阻力；从气液界面通过液膜的传递阻力；1/kLB液相主体的传递阻力；液相主体的传递阻力；1/kLC细胞或细胞团表面的传递阻力；细胞或细胞团表面的传递阻力；1/kIS液体与细胞（团）之间界面阻力；液体与细胞（团）之间界面阻力；1/kA细胞团内的传递阻力；细胞团内的传递阻力；1/kW细胞壁的阻力；细胞壁的阻力；1/kR反应阻力。反应阻力。氧从空气泡到达细胞的总传递阻力，为上述各阻力之和，即氧从空气泡到达细胞的总传递阻力，为上述各阻力之和，即n由由于于氧氧是是难难溶溶于于水水的的气气体体，所所以以在在供供氧氧方方面面液液膜膜是是一一个个控控制制过过程程，即即1/kL是是比比较较显显著著的的。使使气气泡泡和和液液体体充充分分混混合合而而产产生生的的湍湍动可以减小这一阻力。动可以减小这一阻力。在在耗氧耗氧方面，液相主体和细胞壁上氧的浓度相差很小，也就是方面，液相主体和细胞壁上氧的浓度相差很小，也就是说氧通过细胞周围液膜的阻力是很小的，但此液膜阻力是随细说氧通过细胞周围液膜的阻力是很小的，但此液膜阻力是随细胞外径的增加而增大的。减少了膜厚，因此也减少了阻力。胞外径的增加而增大的。减少了膜厚，因此也减少了阻力。n通常需氧方面的阻力主要来自于菌丝细胞团和细胞壁的阻力，通常需氧方面的阻力主要来自于菌丝细胞团和细胞壁的阻力，即即1/kA和和1/kW，搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。这方面的阻力。nono2 2氧的传递通量氧的传递通量 mol/mol/（m m3 3ss） ；p pi i各阶段的推动力（分压差）（各阶段的推动力（分压差）（PaPa）1/k1/ki i各阶段的传递阻力（各阶段的传递阻力（Ns/molNs/mol）。）。氧在进行传递过程中，需要损失推动力以克服上述阻力。传氧在进行传递过程中，需要损失推动力以克服上述阻力。传递过程的总推动力就是气相与细胞内的氧分压差和浓度差。递过程的总推动力就是气相与细胞内的氧分压差和浓度差。当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时通过单位面积的传递速率为率相等，这时通过单位面积的传递速率为 如上所述，氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中，气液界如上所述，氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中，气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化情况见图。面附近的氧分压或溶解氧浓度变化情况见图。当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相等，即等，即2气液相间的氧传递和氧传质方程式气液相间的氧传递和氧传质方程式P：气相主体氧分压（：气相主体氧分压（Pa）；）；Pi：气液界面氧分压（：气液界面氧分压（Pa）；）；Ci：气液界面氧浓度（：气液界面氧浓度（mol/m3）；）；CL：液相主体氧浓度（：液相主体氧浓度（mol/m3）；）；p*：与：与CL平衡的气相氧分压（平衡的气相氧分压（Pa）；）；C*：与：与p平衡的液相氧浓度（平衡的液相氧浓度（mol/m3）；）；KG：以氧分压为推动力的总传递系数：以氧分压为推动力的总传递系数mol/（m2sPa）；KL：以氧浓度为推动力的总传递系数（：以氧浓度为推动力的总传递系数（m/s）；）；引入总传质系数和采用总推动力，上述传递速率方程可表引入总传质系数和采用总推动力，上述传递速率方程可表示为示为在一定的压力下，氧的溶解度与氧的分压有关，氧的分压高，在一定的压力下，氧的溶解度与氧的分压有关，氧的分压高，则氧的溶解度大。氧的溶解度可以下式表示则氧的溶解度大。氧的溶解度可以下式表示即亨利定律式中即亨利定律式中H亨利常数（亨利常数（PaL/mmol）。）。两边乘以两边乘以，则有则有气液比表面积（气液比表面积（m2/m3）NV(OTR)体积溶氧速率体积溶氧速率molO2/m3.sKL体积溶氧系数体积溶氧系数1/hOTR单位体积培养液中的氧传递速率单位体积培养液中的氧传递速率mol/m3s）；比表面积（比表面积（m2/m3）。）。稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率即稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率即氧的传质方程式为氧的传质方程式为通常通常KL和和合并作为一个项目处理，称为合并作为一个项目处理，称为体积传递系数（体积传递系数（s-1）。）。以上公式同样适用于其他气体的传递，例如，二氧化碳从液相以上公式同样适用于其他气体的传递，例如，二氧化碳从液相到气相的传递。到气相的传递。溶氧系数常见的形式溶氧系数常见的形式k kL La a-以浓度差为推动力的体积溶氧系数以浓度差为推动力的体积溶氧系数(1/h)(1/h)k kG Ga a-以氧分压差为推动力的溶氧系数（以氧分压差为推动力的溶氧系数（mol/)mol/)k kd d-亚硫酸盐氧化值（亚硫酸盐氧化值（mol/)mol/)K Kv v-与与k kd d相同，但单位表示不同相同，但单位表示不同 (kmol/m(kmol/m3 3.h.atm).h.atm) 上述四种表示形式中，除上述四种表示形式中，除k kL La a是以是以浓度差浓度差为推动力外，其他三种表示形为推动力外，其他三种表示形式都是以式都是以压力差压力差为推动力。为推动力。如果溶氧速度小于微生物的耗氧速度，则发酵液中的氧逐渐如果溶氧速度小于微生物的耗氧速度，则发酵液中的氧逐渐耗尽，当溶液中氧的浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生耗尽，当溶液中氧的浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物的生成。因此传氧与耗氧要保持平物的生长发育和代谢产物的生成。因此传氧与耗氧要保持平衡，即：衡，即： Nv= kLa(C*-C) = qo2 . X 或者或者kLa = qo2 . X / (C*-C) 氧的供需平衡氧的供需平衡供氧和耗氧的平衡建立往往是暂时的。供氧和耗氧的平衡建立往往是暂时的。kLa可称为可称为“通气效率通气效率”，用以衡量发酵罐的通气状况，高值，用以衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件缺乏。表示通气条件富裕，低值表示通气条件缺乏。一般地，在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度的变化可一般地，在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度的变化可用下式表示：用下式表示：比耗氧速率比耗氧速率生物量生物量用用Cu2+为催化剂，溶解在水中的为催化剂，溶解在水中的O2能立即将水中的能立即将水中的SO32-氧化氧化成为成为SO42-，其氧化反应的速度在很大范围与，其氧化反应的速度在很大范围与SO32-的浓度无关。的浓度无关。反应式如下：反应式如下：2Na2SO3+O22Na2SO41 亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法三、体积溶氧系数的测定三、体积溶氧系数的测定亚硫酸盐氧化法的原理亚硫酸盐氧化法的原理剩余的剩余的Na2SO3过量的碘作用：过量的碘作用：Na2SO3+I2+H2ONa2SO4+2HI剩余的剩余的I2用标定的用标定的Na2S2O3溶液滴定：溶液滴定：Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaI标准标准Na2S2O3用量决定于溶解氧的量。用量决定于溶解氧的量。每每1mol溶氧可氧化溶氧可氧化2molNa2SO3，就剩余，就剩余2molI2，也就消耗掉，也就消耗掉4molNa2S2O3，因此，每滴定消耗，因此，每滴定消耗1molNa2S2O3必有必有1/4mol溶氧。溶氧。在反应器中含有在反应器中含有Cu2+或或Co2+为催化剂的亚硫酸钠溶液，进行通气为催化剂的亚硫酸钠溶液，进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠的速度非常快，反应速度在搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠的速度非常快，反应速度在很大范围内（）与很大范围内（）与Na2SO3的浓度无关，氧一溶解，马上就反应。的浓度无关，氧一溶解，马上就反应。氧的溶入速度氧的溶入速度(氧的传递速度氧的传递速度)决定反应速度。决定反应速度。 供氧速率供氧速率kL(C*CL)耗氧速率耗氧速率=与亚硫酸反应的氧浓度降低速率与亚硫酸反应的氧浓度降低速率CL=0故故kL.C*与氧反应的亚硫酸钠的浓度的降低速率。与氧反应的亚硫酸钠的浓度的降低速率。V：实际搅拌通气样与空白样各加：实际搅拌通气样与空白样各加等量、适量等量、适量I2液后滴定用标准液后滴定用标准Na2S2O3体积之差（体积之差（ml）N：Na2S2O3的标定浓度（的标定浓度（mol/L）m：样液的体积（：样液的体积（ml）t：两次取样的间隔，即氧化时间：两次取样的间隔，即氧化时间（min）若操作时：若操作时：P=1atm(绝对绝对)，则：，则：实验程序：实验程序：将一定温度的自来水加入试验设备内，开始搅拌，加入化学将一定温度的自来水加入试验设备内，开始搅拌，加入化学纯的纯的Na2SO3晶体使晶体使SO32-的浓度在的浓度在1.0N左右，再加化学纯的左右，再加化学纯的CuSO4，Cu2+约为约为10-3mol/L，等完全溶解后开阀通气，气阀，等完全溶解后开阀通气，气阀一开始就接近预定流量，并在几秒内调到所需的空气流量。一开始就接近预定流量，并在几秒内调到所需的空气流量。当气泡冒出的同时就立即记时，作为氧化时间的开始。氧化当气泡冒出的同时就立即记时，作为氧化时间的开始。氧化时间可以持续时间可以持续420min，到时停止通气搅拌，准确记录氧化，到时停止通气搅拌，准确记录氧化时间。实验前后各用吸管取时间。实验前后各用吸管取5100ml样液（根据试验设备大样液（根据试验设备大小而定，但前后取样体积相等），立即各移入新吸取的过量小而定，但前后取样体积相等），立即各移入新吸取的过量标准碘液，然后用标定好的标准碘液，然后用标定好的Na2S2O3，以淀粉为指示剂，滴，以淀粉为指示剂，滴定至终点。定至终点。将用亚硫酸盐氧化测得的将用亚硫酸盐氧化测得的Nv值代入到值代入到Nv=kLa(C*-C)，即可算出，即可算出kLa在亚硫酸盐氧化法中，由于水中的在亚硫酸盐氧化法中，由于水中的SO32-在在Cu2+的催化下瞬间把的催化下瞬间把溶氧还原掉了，所以在搅拌充分的条件下整个实验过程中溶液溶氧还原掉了，所以在搅拌充分的条件下整个实验过程中溶液中的溶氧浓度中的溶氧浓度c=0。另外，在小型设备中可以忽略空气的压力变化。另外，在小型设备中可以忽略空气的压力变化。如：如：0.1MPa(1atm)下，下，25下空气中的氧的分压为下空气中的氧的分压为0.021MPa，氧气溶于纯水的亨利定律常数为氧气溶于纯水的亨利定律常数为4.58104，据此可以算出与之平，据此可以算出与之平衡的纯水中的溶氧浓度衡的纯水中的溶氧浓度C*=0.24mmol/L，但由于亚硫酸盐的存在，但由于亚硫酸盐的存在，C*的实际值低于的实际值低于0.24mmol/L，因此一般规定，因此一般规定C*=0.21mmol/L所以所以kLa=Nv/0.21kd值与值与kL值的换算值的换算文献中常见另一种体积溶氧系数。文献中常见另一种体积溶氧系数。kd是以氧的分是以氧的分压差为传氧的推动力的体积溶氧系数，即压差为传氧的推动力的体积溶氧系数，即Nv=kd(P-P*)对于亚硫酸盐氧化法，因对于亚硫酸盐氧化法，因C=0，与之平衡的气相氧分压，与之平衡的气相氧分压P*=0所以有所以有Nv=kdP，又根据亨利定律，又根据亨利定律Nv=kLa.C*或或Nv=kLa.P/Hkd=kLa/H如如kLa的单位为的单位为h-1，kd为为mol/()C*=0.21mmol/L，P=0.21atm则则kLa=6107kd普通的机械搅拌发酵罐其普通的机械搅拌发酵罐其kLa约约102数量级，数量级，kd为为10-6用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数优点：优点：氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快不需要特殊仪器。不需要特殊仪器。缺点：缺点： 不能在真实发酵条件下进行测定发酵液的溶氧，因为亚硫不能在真实发酵条件下进行测定发酵液的溶氧，因为亚硫酸盐对微生物的生长有影响，且发酵液的成分、消泡剂、酸盐对微生物的生长有影响，且发酵液的成分、消泡剂、表面张力、黏度、特别是菌体都影响氧的传递。这种方法表面张力、黏度、特别是菌体都影响氧的传递。这种方法测定的结果仅能说明某种发酵罐在该操作条件下的性能，测定的结果仅能说明某种发酵罐在该操作条件下的性能，而不能说明溶氧和微生物耗氧的全过程，而不能说明溶氧和微生物耗氧的全过程，故只能在一定的范围应用。主要用于作为设备溶氧系数的故只能在一定的范围应用。主要用于作为设备溶氧系数的测定。测定。2极谱法极谱法对浸在液体中的阴极和参考阳极加上电压，记录在不同的电对浸在液体中的阴极和参考阳极加上电压，记录在不同的电压下通过的电流，当电解电压为压下通过的电流，当电解电压为0.61.0v时，溶解氧被还原时，溶解氧被还原成成H2O2。酸性时：酸性时：O2+2H+2eH2O2中性或碱性时：中性或碱性时：O2+2H2O+2eH2O2+OH-与阴极接触的液体中的溶解氧发生上述电极反应而被消耗，与阴极接触的液体中的溶解氧发生上述电极反应而被消耗，阴极表面便与液体主体存在氧的浓度差，于是液体主体的溶阴极表面便与液体主体存在氧的浓度差，于是液体主体的溶解氧扩散到阴极表面参加电极反应，使电路中维持一定的电解氧扩散到阴极表面参加电极反应，使电路中维持一定的电流。当氧的扩散过程达到稳定状态时，扩散电流和溶解氧浓流。当氧的扩散过程达到稳定状态时，扩散电流和溶解氧浓度成正比。度成正比。极谱法分为取样极谱法和排气极谱法。但这两种方法都不能极谱法分为取样极谱法和排气极谱法。但这两种方法都不能反应发酵过程中的真实情况。反应发酵过程中的真实情况。溶氧电极不需要外加电源，可以看作是一种电解电池。将一溶氧电极不需要外加电源，可以看作是一种电解电池。将一对具有不同电极电位的电极装入电解质溶液中，一只是银丝对具有不同电极电位的电极装入电解质溶液中，一只是银丝做成的阴极，另一只是铅皮卷成的阳极。这对电极装置在两做成的阴极，另一只是铅皮卷成的阳极。这对电极装置在两端开口的细长套管中，在靠近阴极的底端用一种耐热的、只端开口的细长套管中，在靠近阴极的底端用一种耐热的、只允许溶氧透过而不透过水及离子的塑料薄膜覆盖，形成一个允许溶氧透过而不透过水及离子的塑料薄膜覆盖，形成一个有一定容积的电池，在电池内加入数毫升的电解质溶液有一定容积的电池，在电池内加入数毫升的电解质溶液5mol/LHAc+0.5mol/LNaAc+0.1mol/LPbAc2）3溶氧电极法溶氧电极法 阳极上阳极上PbPb2+2e阴极上阴极上2e+1/2O2+H2O2OH-如果将此电极插入待测的搅拌液体中，在两极间接一电流表，如果将此电极插入待测的搅拌液体中，在两极间接一电流表，此电流的大小正比与测量液体中的溶氧速率。所以电极产生的此电流的大小正比与测量液体中的溶氧速率。所以电极产生的电流强度与测量液体中的溶氧浓度成正比。电流强度与测量液体中的溶氧浓度成正比。将电极放入将电极放入Na2SO3水溶液中，搅拌，此时电流计的指示定为水溶液中，搅拌，此时电流计的指示定为溶氧值溶氧值0%；然后用水冲洗电极，插入水中，通气搅拌，直至电；然后用水冲洗电极，插入水中，通气搅拌，直至电流响应值达到饱和，定为溶氧值流响应值达到饱和，定为溶氧值100%。（1）稳态法）稳态法此法是根据氧供需平衡此法是根据氧供需平衡Nv=r和传氧速率方程和传氧速率方程Nv=kLa(C*-C)计算的。正在发酵的醪液中，一方面以一定的溶氧速率计算的。正在发酵的醪液中，一方面以一定的溶氧速率Nv向液中供氧，另一方面正在生长的微生物也以一定耗氧速向液中供氧，另一方面正在生长的微生物也以一定耗氧速率率r消耗溶氧。消耗溶氧。Nv=kLa(C*-C)r=QO2X溶氧供需速率相等时，溶氧供需速率相等时，r=Q(C进进-C出出)/Vr-微生物的耗氧速率微生物的耗氧速率(mmolO2/L.h);QO2-微生物的比耗氧速率微生物的比耗氧速率(mmolO2/g.h)X-微生物菌体浓度微生物菌体浓度(g/L);Q-通气量通气量(L/h);V-发酵液体积发酵液体积(L);C进进-通入气体中的氧浓度通入气体中的氧浓度(mmolO2/L)C出出-排出气体中的氧浓度排出气体中的氧浓度(mmolO2/L)r=Nv即：即：Q(C进进-C出出)/V=kLa(C*-C)C进进、C出出为常量，若按标准空气计为常量，若按标准空气计C进进=8.7310-3kmolO2/m3C*取决于操作压力，一般地应取液体上部和下部饱和溶氧取决于操作压力，一般地应取液体上部和下部饱和溶氧浓度的平均值。浓度的平均值。C出出用氧分析仪自排出气体测得，用氧分析仪自排出气体测得，C为培养为培养液中的溶氧浓度，用溶氧电极测。这些过程需要有精确的液中的溶氧浓度，用溶氧电极测。这些过程需要有精确的流量计、压力表、流量计、压力表、温度传感器、氧分析仪和膜溶氧电极。温度传感器、氧分析仪和膜溶氧电极。用氧平衡法测用氧平衡法测kLa是一种比较简单的方法，且具有在发酵过是一种比较简单的方法，且具有在发酵过程中测定通气效率。程中测定通气效率。动态法是在不稳态条件下，通过测定醪液中溶解氧随时间的变动态法是在不稳态条件下，通过测定醪液中溶解氧随时间的变化曲线来确定化曲线来确定kLa值的。方法是在发酵的过程中暂时停止通气，值的。方法是在发酵的过程中暂时停止通气，短时间后继续通气，人为地制造一个不稳定状态即发酵液中溶短时间后继续通气，人为地制造一个不稳定状态即发酵液中溶氧处于不平衡状态（氧处于不平衡状态（Nvr）。）。此时，对发酵液作溶氧衡算：此时，对发酵液作溶氧衡算：dC/dt=kLa(C*-C)-QO2X当在某一时刻当在某一时刻t=0时暂时停止通风，则上式变为：时暂时停止通风，则上式变为：dC/dt=-QO2.X（2）动态法动态法在短时间内，由于耗氧速率在短时间内，由于耗氧速率QO2.X不变，对上式积分得不变，对上式积分得(t=0,C=C0)C=-QO2.X.t+C0以以C对对t作图，直线斜率为作图，直线斜率为-QO2.X可知，短时停气期间溶液中氧浓度可知，短时停气期间溶液中氧浓度C随时间随时间t呈直线下降。呈直线下降。以以(dC/dt+QO2X)对对C作图即得一斜作图即得一斜率为率为-1/kLa的直线，的直线，此直线与纵轴的此直线与纵轴的交点即为饱和溶交点即为饱和溶解氧浓度解氧浓度C*。时间时间t1后，恢复通风，溶液中的氧浓度又将逐步上升则：后，恢复通风，溶液中的氧浓度又将逐步上升则：本方法的本方法的主要优点：主要优点： 只需要单一的溶氧电极，可以测得实际发酵系统只需要单一的溶氧电极，可以测得实际发酵系统的的kLa值。溶氧电极的响应时间应尽可能短。值。溶氧电极的响应时间应尽可能短。四、四、KLa与设备参数及操作参数之间的关系式与设备参数及操作参数之间的关系式那么那么KLa的大小是由那些因素决定呢？的大小是由那些因素决定呢？Kla=f(设备参数，操作参数，物料的物性设备参数，操作参数，物料的物性)那么那么KLa和这些参数之间是怎样的关系？和这些参数之间是怎样的关系？建立这种关系的目的又是什么？建立这种关系的目的又是什么？一、比拟放大。一、比拟放大。举例举例(紫杉醇紫杉醇):紫杉醇是一种抗癌药物，紫杉醇是一种抗癌药物，紫杉树、红豆杉树，紫杉树、红豆杉树，内生真菌。内生真菌。一种新的细胞代谢产品的大规模生产要经历这样的过程：一种新的细胞代谢产品的大规模生产要经历这样的过程：1、生物菌种，该微生物能利用某种底物在一定的培养条件下产生物菌种，该微生物能利用某种底物在一定的培养条件下产生产品。生产品。2、摇瓶实验以确定适宜的工艺条件：营养条件、摇瓶实验以确定适宜的工艺条件：营养条件C、N、无机盐种、无机盐种类、温度、类、温度、pH、溶氧，保持怎样的氧化还原电位。、溶氧，保持怎样的氧化还原电位。3、小罐实验，进一步确定工业生产操作条件。、小罐实验，进一步确定工业生产操作条件。4、大罐实验，确定工业生产操作条件。、大罐实验，确定工业生产操作条件。紫杉醇产生菌是好氧的。溶氧速率是影响生产成绩的关键，那紫杉醇产生菌是好氧的。溶氧速率是影响生产成绩的关键，那么在小的实验罐里获得了么在小的实验罐里获得了满意的成绩，就可以用适当的方法测定小罐的满意的成绩，就可以用适当的方法测定小罐的KLa值，然后根值，然后根据据KLa与设备参数以及操作参数之间的准确关系式，在保证小与设备参数以及操作参数之间的准确关系式，在保证小罐和大罐有相同的罐和大罐有相同的KLa值的前提下，设计大的发酵罐，包括设值的前提下，设计大的发酵罐，包括设备的几何尺寸和操作参数。备的几何尺寸和操作参数。这样看来，这样看来，KLa与设备参数以及操作参数之间的关系式非常重与设备参数以及操作参数之间的关系式非常重要，而且这个关系式必须适合宽的设备尺寸范围和大的操作参要，而且这个关系式必须适合宽的设备尺寸范围和大的操作参数范围（既适合小罐，又适合的罐）。数范围（既适合小罐，又适合的罐）。有许多学者研究过有许多学者研究过KLa与设备参数以及操作参数之间的关系，与设备参数以及操作参数之间的关系，并建立了许多这样的关系式。并建立了许多这样的关系式。一个只有在小的尺寸范围内和狭一个只有在小的尺寸范围内和狭窄参数范围内最符合实验结果的关系式并不是最有用的关系式。窄参数范围内最符合实验结果的关系式并不是最有用的关系式。（一）机械搅拌罐（一）机械搅拌罐在建立机械搅拌罐的在建立机械搅拌罐的KLa与设备参数以及操作参数之间的关系与设备参数以及操作参数之间的关系式方面，有很多学者作出了重要贡献：特别是式方面，有很多学者作出了重要贡献：特别是Richards、福、福田秀雄。田秀雄。KLa=f（N，D，Q.），用因次分析的方法归纳处），用因次分析的方法归纳处理。理。KLa=K(Pg/V)0.4Vs0.5N0.5Pg：通气条件下搅拌轴功率，：通气条件下搅拌轴功率，kwV：装液体积，：装液体积，m3Vs：空截面气速，：空截面气速，cm/minN：转数，：转数，r/minRichards把自己的实验数据移绘到坐标上，而且同时还把其把自己的实验数据移绘到坐标上，而且同时还把其它人的实验数据也标绘到同一坐标上，所用的通气搅拌罐从它人的实验数据也标绘到同一坐标上，所用的通气搅拌罐从2.5L到到8500L不等。不等。KLa用亚硫酸用亚硫酸Na氧化法测定。氧化法测定。从图中的数据可以看出，有不少数据偏离直线。从图中的数据可以看出，有不少数据偏离直线。Richards本人本人也认为如果按不同大小的罐的标绘点进行过细的分析，将可也认为如果按不同大小的罐的标绘点进行过细的分析，将可能出现不同斜率或者不同截距的直线。能出现不同斜率或者不同截距的直线。（二）（二） 气升环流式气升环流式气生环流式生化反应器是气生环流式生化反应器是60年代后半期出现的一种高传氧速年代后半期出现的一种高传氧速率，低比能耗费的反应器。它不需要机械搅拌装置，靠通气率，低比能耗费的反应器。它不需要机械搅拌装置，靠通气入升气管底部，造成升液管和降液管内流体的压差而形成剧入升气管底部，造成升液管和降液管内流体的压差而形成剧烈的循环混合。烈的循环混合。 反应器内传质最强烈的区域是在升液管内。反应器内传质最强烈的区域是在升液管内。有关溶氧系数的关系式都是在没有微生物参加的亚硫酸钠这样有关溶氧系数的关系式都是在没有微生物参加的亚硫酸钠这样的牛顿型流体中做实验而获得的，所有的物性参数都作为的牛顿型流体中做实验而获得的，所有的物性参数都作为常量对待，把它归入总的常数项内。常量对待，把它归入总的常数项内。有关的物性参数会发生变化。有关的物性参数会发生变化。下面举三种情况下面举三种情况:1丝状菌培养液的丝状菌培养液的KLa下降多。下降多。2表面活性物质影响表面活性物质影响KLa3菌体耗氧速率的不恒定，需要调节菌体耗氧速率的不恒定，需要调节KLa结论：真实培养液的结论：真实培养液的KLa值要比用关系式计算出的值要比用关系式计算出的KLa值低。值低。五、发酵液中的五、发酵液中的KLa与其调节与其调节提高提高KLa的途径：的途径：NV=KLa（C C），），Kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9（1）增加搅拌转数）增加搅拌转数N，以提高，以提高Pg，可以有效，可以有效提高提高Kla（2）增大通气量）增大通气量Q，以提高，以提高Vs（3）为提高）为提高Nv（传氧有效速率），除了提高（传氧有效速率），除了提高KLa之外，提高之外，提高传质推动力也是可行的，通入纯氧或者提高罐压均可提高传质推动力也是可行的，通入纯氧或者提高罐压均可提高C*。（4）高径比调节）高径比调节增加高径比增加高径比H/D，另一方面液相中的平均压力增高，传质推，另一方面液相中的平均压力增高，传质推动力（动力（C*-C）增大，从而提高溶氧速率；另一方面在通风）增大，从而提高溶氧速率；另一方面在通风比比Q/V一定的情况下，高径比大，反应器截面积小，空截面一定的情况下，高径比大，反应器截面积小，空截面上的空气线速度上的空气线速度Vs将增大，从而提高溶氧速率。增加将增大，从而提高溶氧速率。增加H/D还还有利于降低单位溶解氧功耗即提高传氧效率。有利于降低单位溶解氧功耗即提高传氧效率。（5）丝状真菌的繁殖导致发酵液粘度的急剧上升和）丝状真菌的繁殖导致发酵液粘度的急剧上升和kLa的急剧的急剧下降。过分地提高转速及通气速率可能导致菌丝体的机械破下降。过分地提高转速及通气速率可能导致菌丝体的机械破坏及液泛。在这种情况下可重复地放出一部分发酵液，补充坏及液泛。在这种情况下可重复地放出一部分发酵液，补充新鲜灭菌的等体积培养基，这样可以使新鲜灭菌的等体积培养基，这样可以使kLa大幅度回升。大幅度回升。（6）向发酵液中添加少量的水不溶另一液相，氧在这一液相）向发酵液中添加少量的水不溶另一液相，氧在这一液相中具有比在水中高得多的溶解度，如正十二烷，氧在其中的中具有比在水中高得多的溶解度，如正十二烷，氧在其中的溶解度为溶解度为35，105Pa压力时为压力时为54.9mg/L，故这类液体称为，故这类液体称为氧载体。氧载体。1.比生长速率与比生长速率与氧浓度的关系氧浓度的关系其中，是菌体的比生长速率，比生长速率，C是溶解氧的浓度是溶解氧的浓度2.耗氧速率与氧耗氧速率与氧浓度的关系浓度的关系其中，其中，r：摄氧率：摄氧率molO2/m3s；X：细胞浓度：细胞浓度kg/m3， qO2，比耗氧速率或呼吸强度。比耗氧速率或呼吸强度。公式总结公式总结3. Nv= kLa(C*-C)= kGa(P-P*)传氧速率传氧速率其中，其中，Nv总传氧系数，总传氧系数，气液比表面积，气液比表面积，C*是在某气压下，气体在溶液中的饱和浓度，是在某气压下，气体在溶液中的饱和浓度，C是溶液中实际气体浓度，是溶液中实际气体浓度，P是气体的分压，是气体的分压，P*是气体在溶液中的分压是气体在溶液中的分压4. Nv= kLa(C*-C) = qo2 . X 或者或者kLa = qo2 . X / (C*-C)供需平衡时，耗氧速供需平衡时，耗氧速率和供氧速率相等率和供氧速率相等5. 供需不平衡时，溶液实际氧的浓供需不平衡时，溶液实际氧的浓度等于供氧速率减去耗氧速率度等于供氧速率减去耗氧速率6.Nv）=kLaC*用亚硫酸钠滴定法测定耗氧公式用亚硫酸钠滴定法测定耗氧公式V-实际搅拌通气样与空白样各加等量、适量实际搅拌通气样与空白样各加等量、适量I2液后滴定用标准液后滴定用标准Na2S2O3体积体积之差，之差，N：Na2S2O3的标定浓度，的标定浓度，m：样液的体积（：样液的体积（ml）；）；t：两次取样的间隔，即氧化时间（：两次取样的间隔，即氧化时间（min）用稳态法测定的体积溶氧系数用稳态法测定的体积溶氧系数Q-通气量(L/h); V-发酵液体积(L); C进-通入气体中的氧浓度(mmolO2/L)，C出-排出气体中的氧浓度(mmolO2/L)；C*为氧在溶液中的饱和浓度，C为溶液中实际氧浓度。7.例：一装料为例：一装料为7L的发酵罐，通气量的发酵罐，通气量1L/min，操作压力为操作压力为0.3Kg/cm2，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的浓度的25%，空气进入时的氧含量为，空气进入时的氧含量为21%，废气排出时，废气排出时的氧含量为的氧含量为19.8%（1atm时氧饱和浓度时氧饱和浓度C*=0.2mmol/L）求此时菌的摄氧率和发酵罐的求此时菌的摄氧率和发酵罐的kL。解：解：r=Q(C进进-C出出)/V=1/7（21%-19.8%）8.7310-31030.3=4.4910-3mmol/L.minC*=0.2*0.3=0.06mmol/LkLa=Q(C进进-C出出)/V*(C*-C)=r/(C*-C)=4.4910-3/(1-25%)*0.06=0.1min-1六、六、 传氧效率传氧效率KLa的大小是评价好氧培养罐的一个重要指标，但不是唯一的大小是评价好氧培养罐的一个重要指标，但不是唯一的指标，不同形式，不同大小的培养罐欲获得相等的的指标，不同形式，不同大小的培养罐欲获得相等的KLa所所消耗的能量可能有很大的差别。消耗的能量可能有很大的差别。因此因此, 把每溶解把每溶解1kg溶氧所消耗的电能定义为传氧效率指标。溶氧所消耗的电能定义为传氧效率指标。也可直接称为也可直接称为1mol单位溶氧功耗。单位溶氧功耗。性能良好的培养罐，性能良好的培养罐，KLa应大，同时消耗的功应小。应大，同时消耗的功应小。规律：一般小罐比大罐的传氧效率高，牛顿流体比非牛顿流规律：一般小罐比大罐的传氧效率高，牛顿流体比非牛顿流体传氧效率高。体传氧效率高。七七、发酵过程中溶氧变化异常原因发酵过程中溶氧变化异常原因 耗氧或供氧出现了异常因素或发生了障碍耗氧或供氧出现了异常因素或发生了障碍 1 1、引起溶氧异常下降的原因：、引起溶氧异常下降的原因：（1 1）污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗）污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗（2 2）菌体代谢发生异常，需氧要求增加）菌体代谢发生异常，需氧要求增加（3 3）某些设备或工艺控制发生故障或变化）某些设备或工艺控制发生故障或变化, ,如搅拌功率消耗变如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢消泡剂加入过多。小或搅拌速度变慢消泡剂加入过多。（4 4）影响供氧的工艺操作如停止搅拌、闷罐等。）影响供氧的工艺操作如停止搅拌、闷罐等。2 2、引起溶氧异常升高的原因、引起溶氧异常升高的原因主要是耗氧出现改变，如菌体代谢异常，耗氧能力下降，污主要是耗氧出现改变，如菌体代谢异常，耗氧能力下降，污染烈性噬菌体。染烈性噬菌体。溶氧监测的作用溶氧监测的作用（1 1）从发酵液中的溶解氧浓度变化，可以了解微生物）从发酵液中的溶解氧浓度变化，可以了解微生物生长代谢是否异常生长代谢是否异常（2 2）工艺控制是否合理）工艺控制是否合理（3 3）设备供氧能力是否充足）设备供氧能力是否充足Nv有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过k kL L、 和和C*C*来调节来调节. .NvC*kL气液间氧传递方程气液间氧传递方程可通过提高可通过提高 、及推动力及推动力 来实现来实现。八、影响传氧速率的因素八、影响传氧速率的因素1 影响推动力的因素影响推动力的因素氧在培养液中的溶解度即氧在培养液中的溶解度即C*C*对传氧速率有很大影响对传氧速率有很大影响。在电解质溶中，氧的溶解度降低，关系如在电解质溶中，氧的溶解度降低，关系如SechenovSechenov公公式所示：式所示：相同温度和压强下氧在水中和电解质溶氧中的相同温度和压强下氧在水中和电解质溶氧中的溶解度溶解度电解质浓度电解质浓度kmol/m3K KSechenovSechenov常数常数（1）培养基成分的影响）培养基成分的影响对于几种电解质的混合液，氧的溶解度与各离子强度对于几种电解质的混合液，氧的溶解度与各离子强度有关有关第第I I种离子的常数种离子的常数第第I I种离子的离子强度种离子的离子强度氧在许多非电解质溶液中的溶解度也有类似规律氧在许多非电解质溶液中的溶解度也有类似规律C Cn n* *氧在非电解质溶液中的溶解度氧在非电解质溶液中的溶解度C CN N非电解质溶液浓度非电解质溶液浓度K Ki i 第第i i种非电解质的常数种非电解质的常数C CNiNi第第i i种非电解质的浓度种非电解质的浓度N培养基由多种有机物料及无机盐组成，其饱培养基由多种有机物料及无机盐组成，其饱和溶氧浓度可由下式计算和溶氧浓度可由下式计算结论：结论：培养液溶质浓度越高，氧的溶解度越培养液溶质浓度越高，氧的溶解度越低，氧传递的推动力越小，但不能无限制的低，氧传递的推动力越小，但不能无限制的使用低浓度的培养基来提高使用低浓度的培养基来提高C*.C*. （2 2）温度）温度 在水中，氧的溶解度随温度的升高而下降，一个大气压在水中，氧的溶解度随温度的升高而下降，一个大气压（1.01101.01105 5 PaPa）下，温度在下，温度在4 43535范围内，与空气平范围内，与空气平衡的纯水中，氧的饱的浓度可由以下经验公式计算衡的纯水中，氧的饱的浓度可由以下经验公式计算 CW*水中与空气平衡的氧浓度（水中与空气平衡的氧浓度（mol/mmol/m3 3）；）； t- t-温度（温度（） （3 3）提高发酵罐罐压）提高发酵罐罐压 增加罐压，溶解氧浓度增加了，其他气体的浓度（如二增加罐压，溶解氧浓度增加了，其他气体的浓度（如二氧化碳）也增加。而且二氧化碳的溶解度比氧的溶解度氧化碳）也增加。而且二氧化碳的溶解度比氧的溶解度大得多，在高的罐压下，不利于液相中二氧化碳的排出。大得多，在高的罐压下，不利于液相中二氧化碳的排出。并且罐压过大，对细胞的渗透压有不利影响。因此增加并且罐压过大，对细胞的渗透压有不利影响。因此增加罐压有一定的限度。罐压有一定的限度。 用纯氧来增加氧分压的方法又称富氧通气用纯氧来增加氧分压的方法又称富氧通气 有几种制备富氧空气的主要方法：有几种制备富氧空气的主要方法： 深冷分离法，可制得纯度深冷分离法，可制得纯度99.6%99.6%99.8%99.8%的氧，再的氧，再按一定比例与空气混合后使用。按一定比例与空气混合后使用。 吸附分离法，是令空气通过装有吸附剂的柱子，吸附分离法，是令空气通过装有吸附剂的柱子，使氮和二氧化碳被吸附。使氮和二氧化碳被吸附。 膜分离法，是利用有机高分子膜制备含氧膜分离法，是利用有机高分子膜制备含氧30%30%的富的富氧空气。氧空气。 这三种方法都使成本提高，不够经济这三种方法都使成本提高，不够经济（4 4）提高空气中的氧分压）提高空气中的氧分压提高空气中的氧分压，可增加氧的饱和度提高空气中的氧分压，可增加氧的饱和度C*C*。设液体中截留的气体体积设液体中截留的气体体积VG与液体体积与液体体积V之比为之比为气体截留率气体截留率H0，H0=VG/V，则，则6H0/dm故故气液比表面积与气体截流率成正比，与气泡平气液比表面积与气体截流率成正比，与气泡平均直径成反比。均直径成反比。2 2 影响气液比表面积影响气液比表面积的因素的因素气液比表面积是指单位体积培养液中气泡的总面积，气液比表面积是指单位体积培养液中气泡的总面积，若气泡的平均直径为若气泡的平均直径为dm，在体积为在体积为V的培养液中共有的培养液中共有n个气泡，则比表面积个气泡，则比表面积K常数常数;、L、L分别为液体表面张力、密度、粘度。分别为液体表面张力、密度、粘度。G气体粘度气体粘度H0气液混合物中气体体积分数气液混合物中气体体积分数H0=H0/(1+H0)对于带有机械搅拌的反应器，气泡的平均直径与对于带有机械搅拌的反应器，气泡的平均直径与单位单位体积液体消耗的通气搅拌功率、流体的物理性质有关体积液体消耗的通气搅拌功率、流体的物理性质有关3影响影响kL的因素的因素1）操作条件对）操作条件对kL的影响的影响搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件都对搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件都对K KL L有很大影响，它们间关系可用下列经验公式表示：有很大影响，它们间关系可用下列经验公式表示：，指数指数K有因此的系数有因此的系数N搅拌转速搅拌转速d搅拌器直径搅拌器直径P0无通风时的搅拌功率无通风时的搅拌功率Qg空气流速空气流速W-空气表观气速空气表观气速kL=K(2+2.8m)(Pg/V)0.56 W 0.7 N0.7理论上分析，机械搅拌从几个方面影响气液之间的质量传递理论上分析，机械搅拌从几个方面影响气液之间的质量传递:a）将大气泡分散成小气泡，阻止气泡的凝并，增大将大气泡分散成小气泡，阻止气泡的凝并，增大；b）造成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；造成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；c）搅拌造成液体湍动，有利于减少湍流液膜厚度，减小传质阻搅拌造成液体湍动，有利于减少湍流液膜厚度，减小传质阻力；力；d）使培养液中的细胞和营养物均匀分散，避免或小缺氧区的形使培养液中的细胞和营养物均匀分散，避免或小缺氧区的形成。成。过分剧烈的机械搅拌产生的剪切作用可能损伤细胞，同时产生过分剧烈的机械搅拌产生的剪切作用可能损伤细胞，同时产生大量搅拌热加重反应器负担。大量搅拌热加重反应器负担。因此，增加搅拌转数因此，增加搅拌转数N，以提高，以提高Pg，可以有效，可以有效提高提高Kla 2 2）通气量的影响）通气量的影响 增大通气速率可提高增大通气速率可提高 k kL L，但通气量过大时发生但通气量过大时发生“过过载载”，此时，空气泡随搅拌轴逸出，搅拌器在大量空，此时，空气泡随搅拌轴逸出，搅拌器在大量空气泡中空转，造成气泡中空转，造成k kL L下降。下降。实际上：实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢中间挥发性代谢产物产物带走带走（1）罐内液柱的高度罐内液柱的高度一般罐的高径比为一般罐的高径比为H/D=23为宜。为宜。（2）罐容罐容通常发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用率小。通常发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用率小。是因为大罐气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌和通风是因为大罐气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌和通风均可小些。均可小些。（3）发酵液的性质）发酵液的性质 培养液物理性质的恶改变，如黏度，表面张力，离子浓度培养液物理性质的恶改变，如黏度，表面张力，离子浓度等，都会改变气泡的大小，气泡的稳定性和氧的传递效率等，都会改变气泡的大小，气泡的稳定性和氧的传递效率。（4）有机物质和表面活性剂）有机物质和表面活性剂4. 影响传氧效率的其它因素影响传氧效率的其它因素5. 搅拌器的选择搅拌器的选择（）搅拌器型式（）搅拌器型式 反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为轴向推进和径向推进反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为轴向推进和径向推进两种型式，前者如螺旋桨式，后者如涡轮式。两种型式，前者如螺旋桨式，后者如涡轮式。（二）搅拌流型（二）搅拌流型 液流型式不仅决定搅拌器本身，还受罐内其它附件的影响，液流型式不仅决定搅拌器本身，还受罐内其它附件的影响，如挡板、拉力筒以及安装位置。如挡板、拉力筒以及安装位置。 搅拌器安装的相对位置对搅拌效果影响也很大。例如下组搅拌器安装的相对位置对搅拌效果影响也很大。例如下组搅拌器距罐底太远，则罐液不能上升，造成局部缺氧。搅搅拌器距罐底太远，则罐液不能上升，造成局部缺氧。搅拌器相距太远，部分发酵液搅拌不均匀，相距太近，功率拌器相距太远，部分发酵液搅拌不均匀，相距太近，功率降低。降低。一、名词解释一、名词解释 气液比表面积；双膜理论；临界氧浓度气液比表面积；双膜理论；临界氧浓度; 二、填空题二、填空题1.搅拌的作用是搅拌的作用是和和。2.溶氧和搅拌之间的问题，目的是做到既溶氧和搅拌之间的问题，目的是做到既，又，又。 3. 在有氧发酵中，氧通常是在有氧发酵中，氧通常是。4.对培养液中的细胞进行鼓泡通气时，氧克服阻力被吸对培养液中的细胞进行鼓泡通气时，氧克服阻力被吸收的过程通过收的过程通过理论解释。理论解释。5.在剧烈喘动的溶液中，双膜理论在剧烈喘动的溶液中，双膜理论。6.在氧溶于溶液的过程中最大的阻力在氧溶于溶液的过程中最大的阻力。自测题自测题7.传递过程的总推动力就是传递过程的总推动力就是，这一总推动力消耗在，这一总推动力消耗在从气相到细胞内的各项传递阻力上。从气相到细胞内的各项传递阻力上。8.亨利常数越大，则气体亨利常数越大，则气体。 9.在气体溶解达到稳态时，通过气膜和液膜的传氧速率在气体溶解达到稳态时，通过气膜和液膜的传氧速率。10. Kg是指是指；KL是指是指；KLa：。11. KLa大，则表示大，则表示。12. KLa的测定方法的测定方法 有有；。13. 当溶解氧浓度当溶解氧浓度 临界值，微生物的呼吸强度保持恒定，临界值，微生物的呼吸强度保持恒定，与培养液中溶解氧的浓度无关；当溶解氧浓度与培养液中溶解氧的浓度无关；当溶解氧浓度 临界值，临界值，微生物的呼吸强度受到溶解氧浓度影响，这时细胞的代微生物的呼吸强度受到溶解氧浓度影响，这时细胞的代谢活动会因溶解氧浓度的限制受到影响。谢活动会因溶解氧浓度的限制受到影响。 14.机械搅拌可通过将机械搅拌可通过将，机制增加溶氧。机制增加溶氧。15.亚硫酸盐氧化法测定亚硫酸盐氧化法测定KLa不需专门的仪器设备，适用于不需专门的仪器设备，适用于及及KLa测定。大型反应罐如果使用此法，将耗测定。大型反应罐如果使用此法，将耗用大量的用大量的Na2SO3。16. 用溶氧电机测定溶氧速率有用溶氧电机测定溶氧速率有和和两种方法。两种方法。17.性能良好的培养罐，性能良好的培养罐，KLa，同时消耗的功，同时消耗的功。18.一般小罐比大罐的传氧效率一般小罐比大罐的传氧效率，牛顿流体比非牛顿流，牛顿流体比非牛顿流体传氧效率体传氧效率。三、简答题1.搅拌能提高溶氧效果的机制有哪些？答：将大气泡分散成小气泡，阻止气泡的凝并增大将大气泡分散成小气泡，阻止气泡的凝并增大；b）造成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；造成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；c）搅拌造成液体湍动，有利于减少湍流液膜厚度，减小传质搅拌造成液体湍动，有利于减少湍流液膜厚度，减小传质阻力；阻力；d）使培养液中的细胞和营养物均匀分散，避免或小缺氧区的使培养液中的细胞和营养物均匀分散，避免或小缺氧区的形成。形成。2、kL的测定方法有哪些？答：亚硫酸盐氧化法；极谱法；溶氧电极亚硫酸盐氧化法；极谱法；溶氧电极3、提高kL的途径有哪几种？答：搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件都对搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件都对KL有有很大影响；通气量的影响。很大影响；通气量的影响。4.临界溶氧浓度的概念及意义。答：当氧浓度达到一定值时，即达临界氧浓度（当氧浓度达到一定值时，即达临界氧浓度（C临临）时，）时，比生长速率不再增加。比生长速率不再增加。各种微生物的临界氧浓度（各种微生物的临界氧浓度（C临临）时不同的。在发酵生产中，）时不同的。在发酵生产中，为了不使微生物的生长和代谢受到氧浓度的影响，保持为了不使微生物的生长和代谢受到氧浓度的影响，保持发酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维持在临界氧浓发酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维持在临界氧浓度之上。度之上。5.如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平？答： 气压；温度；溶液浓度；搅拌转速、搅拌功率、通气搅拌转速、搅拌功率、通气速度等操作条件都对速度等操作条件都对KL有很大影响；通气量的影响；容有很大影响；通气量的影响；容积；加入氧载体。积；加入氧载体。6.气升式发酵罐有何特点？气生环流式生化反应器是气生环流式生化反应器是60年代后半期出现的一种高传氧速年代后半期出现的一种高传氧速率，低比能耗费的反应器。它不需要机械搅拌装置，靠通气率，低比能耗费的反应器。它不需要机械搅拌装置，靠通气入升气管底部，造成升液管和降液管内流体的压差而形成剧入升气管底部，造成升液管和降液管内流体的压差而形成剧烈的循环混合。烈的循环混合。 反应器内传质最强烈的区域是在升液管内。反应器内传质最强烈的区域是在升液管内。7.双膜理论的基本论点是什么？什么是液膜控制？什么是气双膜理论的基本论点是什么？什么是液膜控制？什么是气膜控制？膜控制？答：答：(1)在气液两个流体相间存在界面，在界面两侧各有一层稳在气液两个流体相间存在界面，在界面两侧各有一层稳定的薄膜，即气膜与液膜。定的薄膜，即气膜与液膜。(2)界面上不存在传递阻力，那么在两相界面上，两相浓度总是界面上不存在传递阻力，那么在两相界面上，两相浓度总是相互平衡的（气体中氧的浓度与溶解在液体中氧浓度处于平衡相互平衡的（气体中氧的浓度与溶解在液体中氧浓度处于平衡状态）。状态）。(3)传递阻力都集中在气膜和液膜之中。即气膜和液膜以外无传递阻力都集中在气膜和液膜之中。即气膜和液膜以外无传递阻力，气相气体和液相主体中氧气浓度均匀。传递阻力，气相气体和液相主体中氧气浓度均匀。传质阻力绝大部分存在于液膜中，气膜阻力可以忽略，这种情传质阻力绝大部分存在于液膜中，气膜阻力可以忽略，这种情况叫做液膜控制，就是液膜阻力控制整个氧传递过程的速率。况叫做液膜控制，就是液膜阻力控制整个氧传递过程的速率。8.什么是体积溶氧速率？什么是体积溶氧速率？答：答：KLa：是以氧的浓度差（：是以氧的浓度差（C*C）为推动力的体积溶氧系）为推动力的体积溶氧系数。这样数。这样Nv，C*，C均好测量或计算。均好测量或计算。9.亚硫酸盐氧化法测定亚硫酸盐氧化法测定Kla的原理。的原理。答：一般的化学反应，反应速度与反应物的浓度有关，但这个答：一般的化学反应，反应速度与反应物的浓度有关，但这个反应有特殊性，就是该反应进行得很快。在反应器中含有反应有特殊性，就是该反应进行得很快。在反应器中含有Cu2+或或Co2+为催化剂的亚硫酸钠溶液，进行通气搅拌，亚为催化剂的亚硫酸钠溶液，进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠的速度非常快，反应速度在很硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠的速度非常快，反应速度在很大范围内（）与大范围内（）与Na2SO3的浓度无关，氧一溶解，马上就反的浓度无关，氧一溶解，马上就反应。氧的溶入速度应。氧的溶入速度(氧的传递速度氧的传递速度)决定反应速度。决定反应速度。10.动态法测量动态法测量Kla的原理和方法。的原理和方法。答：动态法是在不稳态条件下，通过测定醪液中溶解氧随时答：动态法是在不稳态条件下，通过测定醪液中溶解氧随时间的变化曲线来确定间的变化曲线来确定kLa值的。方法是在发酵的过程中暂时值的。方法是在发酵的过程中暂时停止通气，短时间后继续通气，人为地制造一个不稳定状态停止通气，短时间后继续通气，人为地制造一个不稳定状态即发酵液中溶氧处于不平衡状态（即发酵液中溶氧处于不平衡状态（Nvr）。）。作业作业n1、今有一发酵罐，内径、今有一发酵罐，内径2m，装液高度，装液高度3m，安装一六弯叶涡论，安装一六弯叶涡论式搅拌器，搅拌器直径式搅拌器，搅拌器直径0.7m，转数为，转数为150r/min，设发酵液密度，设发酵液密度为为1050kg/m3，粘度为，粘度为1NS/m2，试求搅拌器所需功率大小。，试求搅拌器所需功率大小。n2、与上题相同条件下，若在发酵罐中通入空气量为、与上题相同条件下，若在发酵罐中通入空气量为6m3/min，（操作状态下），试求通气时所需搅拌功率。（操作状态下），试求通气时所需搅拌功率。