第七章生物反应器中的传质过程PPT推荐.ppt

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液体与细胞之间界面的阻力液体与细胞之间界面的阻力1/k1/k66;

细胞之间介质的阻力细胞之间介质的阻力1/k1/k77;

细胞内部传质的阻力细胞内部传质的阻力1/k1/k88若总阻力计为若总阻力计为R，则，则，式中式中Ri为为i阶段的分阻力。

阶段的分阻力。

稳态时，各阶段的氧传递速率稳态时，各阶段的氧传递速率N为一定，则为一定，则式中式中为各阶段的溶解氧浓度差。

为各阶段的溶解氧浓度差。

氧的传递模型氧的传递模型停滞膜模型（双膜理论停滞膜模型（双膜理论two-filmtheory）：

气膜和液膜在任何流体动力学条件下，均呈滞流状态。

界面上不存在氧传递阻力。

在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，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。

氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力。

PCPiCi液相主流气液膜膜气相主流传氧方向气液界面附近氧传递的双膜理论模型气液界面附近氧传递的双膜理论模型N：

传氧速率：

传氧速率（kmol/m2.h）kg：

气膜传质系数：

气膜传质系数kmol/（m2.h.atm）kL：

液膜传质系数：

液膜传质系数（m/h）P*为与液相主流中溶氧浓度为与液相主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强相平衡的氧的分压强（atm）C*为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的浓度为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的浓度（kmol/m3）KG：

以氧的分压差为总推动力的总传质系数：

以氧的分压差为总推动力的总传质系数kmol/（m2.h.atm）KL：

以氧的浓度差为总推动力的总传质系数：

以氧的浓度差为总推动力的总传质系数（m/h）氧气氧气HH值很大，因此值很大，因此kLKL亨利定律：

亨利定律：

C*=P/H或或P*=HCH为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体溶于溶剂的难易。

溶于溶剂的难易。

a单位体积反应液中气液比表面积单位体积反应液中气液比表面积Na单位体积反应液中氧的传质速率单位体积反应液中氧的传质速率mol/m3s；

kLa体积传质系数体积传质系数s-1细胞膜内的传质过程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：

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）被动传递（又称单纯扩散）主动传递（又称主动运输）主动传递（又称主动运输）促进传递（又称促进扩散）促进传递（又称促进扩散）一种溶解物从浓度一种溶解物从浓度C1一边转送到浓度一边转送到浓度C2一一边时，有以下规则：

边时，有以下规则：

自由能的变化自由能的变化G为：

为：

式中，式中，RRGG和和TT分别为气体常数和绝对温度分别为气体常数和绝对温度Cu2+7.3kLa的测定方法及其影响因素的测定方法及其影响因素7.3.1kLa的测定方法的测定方法n亚硫酸盐法亚硫酸盐法2Na2SO3+O22Na2SO4Na2SO3+I2+H2ONa2SO4+2HII2+2Na2S2O3Na2S4O6+2NaIt：

两次取样时间间隔：

两次取样时间间隔V0：

取样分析液体积：

取样分析液体积将测得得反应液中残留的将测得得反应液中残留的Na2SO3浓度与取样时间作图，浓度与取样时间作图，由由Na2SO3消耗曲线的斜率求出消耗曲线的斜率求出优点优点:

不需专用的仪器，适用于摇瓶及小型试验设备中不需专用的仪器，适用于摇瓶及小型试验设备中kkLLaa的测定。

的测定。

缺点：

测定的是亚硫酸钠溶液的体积溶氧系数缺点：

测定的是亚硫酸钠溶液的体积溶氧系数kkLLaa，而不，而不是真实的发酵液中的是真实的发酵液中的kkLLaa。

n动态法动态法先提高发酵液中溶氧浓度，使其远高先提高发酵液中溶氧浓度，使其远高于临界溶氧浓度处，稳定后停止通气而继于临界溶氧浓度处，稳定后停止通气而继续搅拌，此时溶氧浓度直线下降，待溶氧续搅拌，此时溶氧浓度直线下降，待溶氧浓度降至浓度降至Ccrit之前，恢复供气，发酵液中溶之前，恢复供气，发酵液中溶氧即开始上升。

在这种条件下，并不影响氧即开始上升。

在这种条件下，并不影响微生物生长。

而且由于时间较短。

微生物生长。

通风培养液中氧的物料衡算：

当停止通风，有：

从所得直线的斜率求出从所得直线的斜率求出kkLLaa值，并由截距得到值，并由截距得到CC*对对CC作图，作图，由由用溶氧电极测定整个过程的用溶氧电极测定整个过程的溶解氧浓度溶解氧浓度CC。

在停气阶段，。

在停气阶段，CC的降低与的降低与tt成线性关系，直成线性关系，直线的斜率线的斜率。

恢复通气。

恢复通气后，后，CC逐渐回升，在恢复的过逐渐回升，在恢复的过渡阶段内，渡阶段内，CC对对为一直线，直线斜率为一直线，直线斜率。

由此可计算出。

由此可计算出kkLLaa。

优点：

只需要单一的溶氧电优点：

只需要单一的溶氧电极，可以测得实际发酵系统极，可以测得实际发酵系统中的中的kkLLaa值值n稳态法（氧衡算法）稳态法（氧衡算法）连续操作，稳定状态下，连续操作，稳定状态下，dC/dt=0n葡萄糖氧化法葡萄糖氧化法有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶（有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase）的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定kLakLa的的方法。

利用一定浓度的氢氧化钠溶液滴定一定量反应液方法。

利用一定浓度的氢氧化钠溶液滴定一定量反应液至中性，由氢氧化钠的消耗求出氧的溶解速度至中性，由氢氧化钠的消耗求出氧的溶解速度Na。

tt取样时间间隔；

取样时间间隔；

VV滴定样品量滴定样品量CC为溶氧仪给出的溶解氧浓度值为溶氧仪给出的溶解氧浓度值7.3.2kLa的影响因素的影响因素n操作变量操作变量温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等n反应液的理化性质反应液的理化性质反应液的粘度、表面张力、氧的溶解度、反应反应液的粘度、表面张力、氧的溶解度、反应液的组成成分、反应液的流动状态、发酵类型等液的组成成分、反应液的流动状态、发酵类型等n反应器的结构反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等空气分布器的形式等操作变量操作变量n通风与搅拌通风与搅拌增加搅拌转速增加搅拌转速N，以提高，以提高Pg，可有效提高，可有效提高kLa。

增大通气量增大通气量Q，以提高，以提高S。

在原通气量较低时，提。

在原通气量较低时，提高高Q可以显著提高可以显著提高kLa。

但当。

但当Q原已很高时，进一步提原已很高时，进一步提高高Q，Pg将随之降低，其综合效果将不会使将随之降低，其综合效果将不会使kLa有明显有明显提高，甚至可能降低。

有的调节措施是将两者结合起提高，甚至可能降低。

有的调节措施是将两者结合起来。

来。

n温度与压力温度与压力温度影响氧的溶解度，同时也影响了液体的温度影响氧的溶解度，同时也影响了液体的物性常数。

温度升高，降低液体的粘度与表面张物性常数。

温度升高，降低液体的粘度与表面张力，增加氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶力，增加氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶氧速率。

氧速率。

反应液的理化性质反应液的理化性质n流变学性质流变学性质细胞浓度和形态细胞浓度和形态n其它其它表面活性剂表面活性剂离子强度离子强度反应器结构因素的影响反应器结构因素的影响n搅拌器搅拌器:

搅拌器组数和搅拌器直径的最适距离对溶搅拌器组数和搅拌器直径的最适距离对溶氧有一定的影响氧有一定的影响n挡板挡板：

带有搅拌装置的反应器都应安装适当的挡板，：

带有搅拌装置的反应器都应安装适当的挡板，或以垂直冷却管作为挡板，否则搅拌会使液体形成中或以垂直冷却管作为挡板，否则搅拌会使液体形成中心下降的漩涡。

心下降的漩涡。

n高径比高径比:

当空气流量和单位体积的功率消耗不变时，当空气流量和单位体积的功率消耗不变时，通气效率随高径比的增大而增大。

通气效率随高径比的增大而增大。

n其它其它提高提高kLa和和Na的措施的措施n增加搅拌转速增加搅拌转速Nn增大通气量增大通气量Qn提高提高C*，通入纯