第一章-第四节-生物反应器质量传递.pptx

生物反应器设备第一章 生物反应器的设计基础第四节 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递?生物反应的底物传递到生物反应中心的过程固-液传递过程液-液传递过程气-液传递过程浓度梯度驱动物理扩散过程 是质量传递通量是质量传递系数 是阻力界面两侧的基质浓度生物反应器的质量传递生物反应过程的特点生物反应速率生物反应浓度生物反应过程的质量传递液-液传递过程不是生物反应速率的限制因素液-液传递过程不是生物反应速率的限制因素固体和液体在水溶液中的溶解度很大溶质分子在水溶液中扩散速度很快气-液传递过程是很多生物反应速率的限制因素生物反应器的质量传递气-液传递过程氧气传递过程二氧化碳传递过程通风生物反应器通入氧气排除二氧化碳光生物反应器排除氧气通入二氧化碳生物反应器的质量传递氧在液体中的溶解与微生物的耗氧常温常压下，纯水中氧的溶解度为0.2mmol氧气/L，在发酵液中的溶解度则更低。常温常压下，纯水中二氧化碳的溶解度为6.0mmol二氧化碳/L，在发酵液中的溶解度则更高。耗氧速率：单位体积发酵液每小时的耗氧量，一般为25~100mmol氧气/（L·h）。最高可达300mmol氧气/（L·h）。耗氧速率和比耗氧速率的概念?耗氧速率：单位体积发酵液每小时的耗氧量(mmol/L.h)比耗氧速率（比呼吸速率或呼吸强度）：单位菌体浓度的耗氧速率(mmol/g.h)影响耗氧速率的因素耗氧速率因微生物的种类、代谢途径和菌体浓度等变化同一种类的微生物，耗氧速率受温度、发酵液成分和浓度等的影响微生物生长和产物形成阶段的耗氧速率有时并不一致比生长速率m与溶氧浓度c的关系?比生长速率与氧浓度的关系可用Monod方程式表示c≈0，m∝cc≥Ccri，m=mmax有些情况下，高浓度的溶解氧对某些微生物的酶促反应反而有抑制作用，还会使比生长速率有所下降临界溶氧浓度ccri与微生物所要求的最低溶氧浓度不同细菌、酵母菌和真菌在培养基中充分散开并在20～30℃培养时，其ccri的平均值大致在0.1～1.0mg/L范围内正常发酵过程必须满足c≥ccri，氧传递速率耗氧速率氧传质速率方程氧传质的双膜理论在气液之间存在着界面，界面的两旁具有两层稳定的薄膜，气膜内的气体分子和液膜中的液体分子都处于滞(层)流状态在气液界面上，气液两相的浓度互相平衡，即界面上不存在氧传递的阻力气、液两相主流中，氧的浓度基本上均匀，也就无任何传质阻力所有的阻力仅存在于两层滞流膜中，气膜的浓度降就等于气相平均浓度(氧分压p*)与界面相平均浓度(氧分压pi)之差(p*-pi)，液膜的浓度降就等于界面相平衡浓度Ci与液相平均浓度C之差(Ci-C) 氧传质速率方程?考虑两层膜的氧气传质过程 表示气膜传质系数表示液膜传质系数表示气相的氧分压表示两层膜界面的氧分压表示两层膜界面的溶氧浓度表示液相的溶氧浓度 氧传质速率方程?考虑整体的氧气传质过程 表示总体气相传质系数表示总体液液传质系数表示气相的氧分压表示气相的饱和溶氧浓度值表示液相的氧分压表示液相的溶氧浓度 氧传质速率方程?亨利定律 或者 表示气体分压表示气体溶解浓度代表气体溶解亨利常数Kg、KL与kg、kL关系 同理 氧传质速率方程? 对于溶解度小的气体H值很大， 对于溶解度小的气体H值很大， 氧传质速率方程?氧难溶于水，具有大的亨利常数H，故传质过程液膜阻力是主要控制因素 ，所以有：考虑单位体积的培养液氧传质截面a，两边同乘以比表面积a，获得单位体积培养液的样传质的速率方程双膜理论的局限性双膜理论中假设有膜的存在，并以分子扩散为依据管壁内外流动的液体在固定的壁面两侧确实存在着两层以滞流流动着的膜通气搅拌中在剧烈的骚动着的气液两相界面上，传质并不是单纯的分子扩散双膜理论以微生物只能利用溶解于液体中的氧为依据处于气液界面处的微生物能直接利用空气中的氧微粒的存在扰乱了静止的液膜，从而减少了液膜阻力生物反应器的质量传递氧气在发酵液的传递速率公式： Nv = kLα(c*-c)kL——液相传质系数，m/sα——单位体积发酵液的气液界面面积，m2/m3c* ——与气相氧分压p平衡的液相氧气浓度，mol/m3c ——液相氧气浓度， mol/m3加快氧传递速率的思路氧的传递推动力(c*-c) 体积溶氧传递系数kLα 生物反应器的质量传递加快溶氧速率传递增加氧的传递推动力(c*-c) 增加氧气的饱和浓度c*。亨利定律 c*=pg/Hpg 氧气的分压，H 亨利常数增加氧气分压的方法通入纯氧或富氧空气提高生物反应器内压力生物反应器的质量传递加快溶氧传递速率增加体积溶氧传递系数kLα kLa与机械搅拌反应器设备操作参数间的关系kLα ＝ x (Pg/VL)y (vg)z Pg——通气情况下的搅拌功率，W VL ——发酵罐的装液量，m3 vg ——气体表面速率，m/s x、 y 、