第6章-生化反应器的传递过程

生物反应工程习题精解第六章生化反应器的传递过程第6章生化反应器的传递过程一、基本内容：1、生化反应器内的质量传递过程主要包括有气－液传递（如氧气的传递）、液－固传递（固定化酶的内外扩散）、和气－液－固三相传递（成团细胞培养过程）。其中气－液传递，即氧的传递是细胞培养过程中最为重要的物质传递。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(*)LOTRkCCα=−。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22,max(*)OXLOCkCKCα=−+qC。C4、从氧的传质速率方程可以看出影响的因素有：氧在培养基中的溶解度；氧的体积传质系数。前者可以通过通入富氧或增加反应器压力的方式实现，后者可以通过改变培养基物性（粘度、表面张力等）、操作条件（搅拌、通气量等）、反应器结构等方面来改变。5、由于氧体积传质系数在反应器设计中具有重要的影响，因此对于获得准确的传质系数Lkα必须通过实验来测定。主要的测定方法有：亚硫酸钠氧化法、葡萄糖氧化酶法、动态法和稳态法等多种。二、习题精解6.1在一间歇操作的实验反应器中进行微生物反应，并用亚硫酸钠氧化法测定其，细胞在指数生长期内的倍增时间为30min，Y。试求：*0.1/()LaLkCmolLh⋅=⋅2/0.6XO=（1）在指数生长期内，细胞的比生长速率为多少？（2）当发酵液中溶氧浓度接近于耗尽时，细胞浓度CX值为多大？（3）在低的氧溶解度下，μ成为CL的函数22*max/1()LLaLLXXOOLCkCCCYKµ−=+C式中=0.05mmol/L；C＝0.21mmol/L。2OK*L并且认为当CL≥*0.9LC时为生长限制，当CL≤*0.1LC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？57生物反应工程习题精解第六章生化反应器的传递过程解：（1）、1max386.15.0693.02ln−===htdµ（2）、当发酵液中溶氧浓度接近耗尽时，OTR＝)/(1.0hLmolCkLL⋅=×∗α∵OTR=xOxOxxcYYr22/max/µ=∴LmolYCkCOxLLx/0432.0368.16.01.0max/*2=×=××=µα（3）22maxmax0.9*1.3860.90.210.1*0.050.90.210.00550.1*1.3860.10.210.9*0.050.10.210.1317LXXOXLXXOXCCCkCCCKCCmCCCkCCCKCCmµαµα≥××=××××++×≤××=××××++×22X/OX/O当存在生长限制时，，此时＝Y0.6＝mol/L。当存在传质限制时，，此时＝Y0.6＝mol/L。因此，同0.00550.1317XmCm时存在有二者限制时为mol/Lmol/L。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Lkα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：0.264.2*0.02*60*4.2*0.001/()/()//*/()/LXLXmmgkCgLhgLhCgLgLkCgLhCgLαα⋅⋅⋅在水中氧的溶解度为mol/L，即/L。当达到最大菌体浓度时，即达到最大氧消耗速率。对于三角瓶OTR＝＝＝0.005，0.005此时的细胞最大浓度为＝＝0.01870.27同样，对于CSTR，OTR＝＝0.025，0.025此时的细胞最大浓度为＝＝0.0.27/gL0933。6.3将5L培养基放在一反应器中。当通入空气后，培养基体积增加到6L。通过测量培养基中气泡直径为5mm，若假定气泡直径都相同，试计算该反应器内具有的传质比表面积大小。解：由题意可得11610.256mmmmα−−==×==×LGGBL当通人气体后，反应液体积由5L变为6L，则V6L，V1L。6V因此，＝。dV58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。解：由题意可得：22443535991500.71050Re7.7101013.71500.710502.210/3/3(/)(/)1.172.5710MLLndKKPKndWDdHdDdHdPPWρµρ∗××===×=××××≠≠===×P，液体处于湍流状态。N，由图可查此时＝＝＝3.7＝由于，。需要引入校正系数。1f=3f6.5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。解：由题意可得33960.1170.0351500.7/0.621.850.4041.0410GagagQNndPPNPW∗===×=−×==×由于反应器中通人气体，需要引入通气准数59