6 多相系统中的化学反应与传递现象多相反应按相态分为气-液、气-固、液-固、气-液-固，按是否使用催化剂分为催化反应、非催化反应，根据化学反应进行的部位分为在两相界面处发生反应、在一个相内发生反应、在两个相内同时发生反应。
本章主要讨论气固催化反应，着重阐明传递现象对化学反应过程的影响。
6.1 多相催化反应过程步骤 6.1.1 固体催化剂的宏观结构及性质绝大多数固体催化剂颗粒为多孔结构，即颗粒内部都是由许许多多形状不规则互相连通的孔道所组成。
颗粒内部存在着巨大的内表面，而化学反应就是在这些表面上发生的。
1．比表面积g S ：单位质量催化剂所具有的表面积，衡量催化剂表面大小，单位：[]kg m/2。
由BET 法或者色谱法测定。
比表面与孔道的大小有关，孔道越细，比表面越大。
2．孔容g V ：单位质量催化剂所具有的孔的容积，单位：[]kg m /3。
∵孔道粗细不一，∴常用孔径分布来描述，有时用平均孔半径a r 表示，而孔径分布常用孔容分布计算得到。
WV V g 孔=一般用平均孔半径<r a >表示催化剂孔的大小：⎰>=<Vga g a dV r V r 01。
3．孔隙率：1<⋅====P g PpP V W V V V ρρε孔孔固体颗粒体积孔的体积4．颗粒密度： pP V W==颗粒体积颗粒质量ρ；真密度： 孔固体体积颗粒质量V V Wp t -==ρ； 堆积密度： BB V W==床层体积颗粒质量ρ。
5．床层空隙率：PB B PB P B B V V V V V ρρε-=-=-==11床层体积颗粒之间的空隙体积6．颗粒直径的三种表示方法：对于固体颗粒，由于其形状不规则，因此其颗粒直径有三种表示方法：①体积相当直径V d ：31P 6⎪⎭⎫ ⎝⎛=πV d VP V ——粒子的体积，3S P 61S d V V π== ②面积相当直径a d ：πpa a d =，p a ——粒子的外表面积③比表面积相当直径S d ：ppS a V d 6=7．形状系数a ψ ：Vp s a a a ⎪⎭⎫⎝⎛=ψ 因为在体积相同的几何体中，圆球的外表面积最小，故1≤a ψ，Ψa 又称为圆球度，即接近球形的程度，1=a ψ为球形。
第六章生物反应器结构与设计计算由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。
在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。
采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。
按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应器可分为酶反应器和细胞生物反应器。
根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。
自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。
为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生产。
一个良好的生物反应器应满足下列要求：1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。
第一节机械搅拌式生物反应器机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。
它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。
一、机械搅拌式生物反应器的结构机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。
下面做简要的介绍。
1．罐体罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。
为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。
教学基本内容：氧传递基本理论－双膜理论；体积溶氧系数k L a的三种测定方法；设备参数及操作变数对体积溶氧系数k L a的影响；发酵液流变学性质对体积溶氧系数k L a的影响；提高体积溶氧系数k L a和体积溶氧速率N V的措施。
6.1 双膜理论6.2 k L a的测定方法6.3 k L a与设备参数及操作变数之间关系6.4 发酵液的流变学性质对k L a的影响6.5 提高k L a和N V的措施授课重点：1. 双膜理论。
2. 设备参数及操作变数对体积溶氧系数k L a的影响。
3. 发酵液的流变学性质对k L a的影响。
4. 提高体积溶氧系数k L a和体积溶氧速率N V的措施。
难点：1. 双膜理论2 流变学理论本章主要教学要求：1. 理解双膜理论。
2. 掌握影响k L a的影响因素，包括设备参数和操作变数，及发酵液流变学性质。
3. 熟悉提高体积溶氧系数k L a和体积溶氧速率N V的主要措施。
微生物只能利用溶解于水中的氧，不能利用气态的氧。
而氧是难溶气体，在1atm 下、20ºC 时，氧在纯水中的溶解度为0.21mmol/L ，在发酵液中溶解度更低，每升发酵液中菌体数一般为108~109个，耗氧量非常大，如果终止供氧，几秒钟后发酵液中溶氧将降为零。
因此，氧常常成为发酵过程的限制性基质，解决好氧传递总是成为发酵过程的关键问题。
工业生产中，将除菌后的空气通入发酵液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气泡接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。
氧的溶解实质上是气体吸收过程，是由气相向液相传递的过程。
因此这一过程可用气体吸收的基本理论，即双膜理论加以阐明。
6.1双膜理论这是一个放大的气泡，在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。
气膜内的气体分子与液膜内的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，氧的分子只能以扩散方式，即靠浓度并差推动而穿过双膜进入液相主流。
