传质与通气分析.ppt

第十一章 传质与通气 重点：微生物的需氧和溶解氧的控制；供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系；微生物的临界氧浓度；氧的传递途径与传质阻力；气体溶解过程的双膜理论；氧传质方程；影响氧传递速率的主要因素；溶氧系数的测定；溶氧系数换算； 难点：气体溶解过程的双膜理论；氧传质方程； 第一节 微生物的需氧和溶解氧的控制 一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 微生物方面来看，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需要的代谢产物，不同菌种及不同菌龄、不同发酵阶段所需的氧是不同的；微生物对氧的需求可用呼吸强度和耗氧速率两种方法来描述，呼吸强度（ ）是菌体的特征参数；而耗氧率（ ）是与有关的工艺参数，两者之间的关系是 二、微生物的临界氧浓度：C临界 这是一个描述微生物生长环境中氧浓度的一个概念，是指微生物进行某种生理活动时，对环境中氧浓度的最低要求，与最适氧浓度概念是相区别的。如对合成产物而言，便称为该产物合成的临界氧浓度。 不同种类的微生物的C临界不同，同种微生物在进行不同生理活动时也不同。 三、溶解氧控制的意义 微生物只能从其生活的液体基质中获得氧，以供其生理活动。发酵液中所含氧的多少就显得很重要。氧是难溶气体，为满足发酵中菌体对氧的需求，必须采用强制供氧措施；另一方面，由于氧有时又可改变菌体的代谢方向，故又需要根据生产需要适时地调节控制供氧，这需要根据具体的发酵工艺而定。 第二节 传质理论 氧从空气经过一系列复杂的途径，最终被传递到菌体内呼吸酶所在的位置上才能被利用。 一、传递途径 1、气泡中氧→气膜→气液界面→发酵液→胞外液膜→细胞膜→细胞内 2.供氧方面的阻力 ：气膜； ：气液界面； ：液膜； ：发酵液；由于氧是难溶气体，所以 即液膜处的阻力是主要阻力来源； 3.耗氧方面的阻力 ：胞外液膜； ：菌丝丛； ：细胞膜； ：胞内传递； ：为耗氧方面的阻力主要来源；另外 受菌体生理及培养基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。 二、气体溶解过程：双膜理论 氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障，在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。 氧气在气膜中的扩散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧分压之差，即P - Pi，在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度与液体中氧浓度之差，即Ci - CL； 两种膜的阻力分别用 和 表示，则单位界面氧的传递速率为： 由于不能直接测定气膜和液膜处氧的分压、氧浓度，上试不能直接用于实际操作。如果将两膜合并起来考虑，用总传质系数和总推动力来考虑上式，则： 根据亨利定律，气体的溶解度与该气体的分压成正比，可得： 为找出总传质系数与上述气膜、液膜的传递系数之间的关系，将②变形，利用亨利定律，将O2浓度换成相对应的分压来表示，得： 再根据①提供的关系： ，对于易溶气体如NH3来讲，H很小， 可以忽略，则 ，此时气体溶解的阻力主要来自于气膜阻力；同理可得： ，对于难溶气体如O2，H很大， ，此时气体溶解的阻力主要来自于 。 三、传质方程 以上只是讨论氧溶解的过程，对于整个发酵工艺控制来讲，作为控制工艺的参数还需要从整个发酵罐对氧的需求来进行调控。 在讨论氧溶解过程时接触到气-液界面，但没有涉及其面积，可以想象，如传质界面积加大，单位时间内溶到发酵液中的氧的量也越大，为了考虑到这方面的因素，在实际应用中，引入内界面面积参数，用a表示，单位为： ； 以上讨论提及，氧是难溶气体，H很大，其 ； 将 两边同乘a，则 体积溶氧速率； 是以 为动力的体积溶氧系数，该式中 、 、 均易测量，据此可以算出 ；另外，要使发酵正常进行，供氧与耗氧至少应相等： ，从此式亦可算出。 需要指出的是：供氧与耗氧的平衡是动态的。 也称为“通气效率”，用来衡量发酵罐的通气状况， 高，表示通气富裕，低则表示贫乏。 另外，从 的构成看， 对于给定的气体而言为定值，因此 的变化受a的影响，所以发酵通气的控制主要