第 七 章 气液质量传递.ppt

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： nO2 = = = = p－pI 1/KG p－p* 1/KG CI－CL 1/KL C*－CL 1/KL p — 气体主体氧分压，Pa ; pI — 气液界面氧分压， Pa CI — 气液界面氧浓度， mol/m3 ; CL — 液相主体氧浓度， mol/m3 p* — 与CL平衡的气相氧分压， Pa ; C*— 与p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, mol/(m2·s·Pa) KL — 以氧浓度为推动力的总传递系数，m/s 在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率可表示为： OTR = KL a ( C* －CL ) OTR — 单位体积培养液中的氧传递速率， mol/(m3·s) a — 比表面积， m2/m3 KL —以氧浓度为推动力的传递系数，m/s G/? = KLa · V · (C* - CL) G ---溶解于液体中的氧量，mmol ? --- 气-液接触时间，h V --- 培养液的体积，L CL --- 液相中氧的浓度，mmol/L C* --- 与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和浓度，mmol/L KL --- 以浓度差表示推动力的传质系数（氧传质系数），m/h a--- 比表面积（即单位体积的液体中所含的气-液接触面积），m2/m3 氧传质方程： G/? = KLa · V · (C* - CL) OTR = KL a ( C* －CL ) 由于“a”不易测得，因此常将 KLa作为一项来处理，称为体积氧传递系数或供氧系数，单位为 h-1 微生物对氧的需求速率，也即使氧不成为发酵的限制因素而必须满足的供氧速率： G/? = QO2·X·V = r ·V OTR = r QO2 ---- 微生物的呼吸强度，mmol O2/g(干菌体)·h X ---- 菌体浓度，g/L V --- 培养液体积，L r --- 培养物的摄氧率，mmolO2/L·h 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，则： KLa (C* - CL) = QO2 · X = r KLa = r C* - CL ◆ 若供氧速率大于需氧速率，即KLa (C* - CL) ＞r，此时发酵液中溶解氧浓度CL会不断增加，趋近于C* 。 ◆ 若需氧速率大于供氧速率，则CL 逐渐下降而趋向于零（尽管此时通气和搅拌可能仍在进行） 由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时（假定C* 在一定条件下也不变）， KLa 越大，发酵液中溶解氧浓度CL也越大；所以可用KLa的大小来衡量发酵设备的通气效率。 KLa = r C* - CL ◆ 实验室用的摇瓶和无搅拌的鼓泡装置，其KLa值约为1～100 h-1； ◆ 带搅拌的发酵罐，其KLa值约为200～1000 h-1。 第三节 发酵液的流变特性 ◆ 微生物发酵液是由三个体系组成的，即液相、固相和气相 液相中有可溶性的营养物、可溶性盐类和微生物代谢产物； 固相包括单个菌丝体或菌丝团（菌丝丛）、不溶性营养物和某些特殊的微生物代谢物； 气相包括通入的无菌空气（包括未溶解的氧）、微生物代谢产生的CO2等气体、某些低分子量易挥发的物质等 ◆ 由于微生物的代谢作用，发酵液中各种物质的组成不断变化，表现为发酵液的理化性质的不断变化，如固形物质的含量、发酵液的黏度、表面张力、离子强度等。 这些变化对三相体系之间的混合、氧的溶解速度、营养物质的转移等均产生影响。 一、流体类型 在切向力作用下平行板内液体速度分布 在两块相互靠近的平行板之间充满液体，下板固定不动，给上板施加一作用力F，使上板以一定的速度?运动。 其中与上板接触的流体层以与上板相同的速度一起运动，与下板接触的流体则保持静止，中间各层因流体的内摩擦产生速度不等的平行运动，在流体层中产生速度 梯度。 剪应力 (shear stress) ——单位流体面积上的切向力；F/A 当剪应力与速度梯度成正比时，可用牛顿黏性定律来表示： ? — 剪应力， N/m2 或 Pa d? /dx = ? — 速度梯度或切变率(shear rate)，s－1 ? — 液体黏度，(kg·s)/m2 ?? = ?（d? /dx）= ? ? ? = ?? / ? 牛顿型与非牛顿型流体剪应力与切变率的关系 1- 牛顿型流体 2-平汉塑性流体 3-拟塑性流体 4-