生物反应器中的传质过程.ppt

发酵中溶解氧的浓度取决于氧的传递速度与氧的利用速度。对实际好氧发酵系统而言，气相中的氧经过气液界面时，消耗的并不多，绝大多数氧首先经物理吸收到主体溶液后，才为微生物所消耗，所以氧经过主体溶液后，进入到细胞内才能进行生化反应。当反应器内气液两相充分混合，且无液深影响时，对于分批式操作，氧的衡算式为： 6.4.2 发酵系统中的氧衡算——串联模型 式中OAR为氧的吸收速率(oxygen absorptive rate )。 （6-43） 若kLa和Q02为一定值，且X=X0eμt，积分上式得： 积分的初始条件为t = 0时，d[DO]/dt = 0 。 一般，kLa（h-1）值在100以上，μ（h-1）值在2以下，显然kLaμ，这样有eμt-≥1≥（μ/ kLa）。因此，上式可以写为： （6-45） （6-44） 以上讨论是假定kLa和Q02一定，并且认为X=X0 eμt-，在一般情况下，这些假定是不成立的。但在稳定状态下却总是成立的，即： 另外，当[DO]t接近0时，有kLa [DO]*= Q02·x，Q02·X为kLa所控制。分批操作中，必要的kLa是由（Q02）max Xt/([ DO]*－[ DO] cri) 给出。 （6-46） 发酵中，为防止受氧的限制，由上式所获得的[DO]必须大于临界氧浓度[DO]cri。 表6-7 微生物细胞的[DO]cri值 0.01 0.018~0.049 0.0082 0.0031 0.046 0.0037 0.022 0.009 0.020 24.0 30.0 37.0 15.0 34.0 20.0 24.0 30 30 发光细菌 维涅兰得固氮菌 大肠杆菌 酵母 产黄青霉素 米曲霉 mmol/L 温度 ℃ 微生物细胞的种类 一般认为影响好氧发酵中物质传递的关键因素是溶解氧浓度。 丝状菌的培养中，常形成团状物。假如菌丝团呈球型（半径=R），菌丝体密度为ρx。菌丝体内物质传递仅由分子扩散所引起，菌丝体的耗氧速率与氧浓度的关系适用米式方程，那么在稳定状态下，可获得如下基本方程式。 6.4.3 菌丝团（菌丝球）中氧的传递模型 （6-47） 边界条件为，r =R时，C=CL；r =0时，dC/dr =0。引入无因次项 y=C/CL，x=r/R，β=km/CL，上式变形为： 式中： 上式的边界条件为：x =1时，y =1；x =0时，dy/dx =0。 （6-48） （6-49） 菌丝团的表观比耗氧速率 可由下述方程式规定。 整理得： 式（6—48）可以写作： （6-52） （6-50） （6-51） 因此 若取菌丝团表面的比耗氧速率 作为比较的标准，则菌丝团的耗氧效率因子 （6-55） （6-53） （6-54） a反映了菌丝团中最大反应速率与最大传递速率之比。反应速率越大，传递速率越小，菌丝团内部缺氧就越严重，效率因子也就越低。 在（6-48）式中： 黑曲霉菌丝团的效率因子 6.5.1 溶氧方程 在一定条件（如温度、压力、培养基性质和几何比例相近等）下，在小型设备里通过试验建立氧传递系数与一些参数之间的关联式，然后再进行模拟放大，应用于生产设备的设计中。这种带有经验性质的关联式称为溶氧方程。 计算微生物反应器的溶氧方程很多，但这些经验公式都是在设备容量和操作变量变化范围不大的情况下所得到的，有一定的应用局限性。 6.5 溶氧方程与溶氧速率的调节 图6-4 动态法测定kLa值 动态法测定kLa值 式中P为空气压力，T为空气温度，其余符号同（6-13）式。另外， ， 也可由溶解氧浓度的线性变化中求得。 稳定状态下，（3-44）式左边为零，因此 （6-15） 即：耗氧速率等于供氧速率。利用氧电极测定反应液中溶解氧浓度C，kLa 可由下式求出。 稳定状态下， 可由下式给出 三、稳态法 （6-16） （6-17） 葡萄糖氧化法是在有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定kLa的方法。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Na。 式中：t——取样时间间隔； V’——滴定样品量。 四、葡萄糖氧化法 （6-18） kLa值可由下式给出： （6-19） 式中： C——溶氧仪给出的溶解氧浓度值。 影响kLa的因素可分为三部分： 操作变量：包括温度、压力、通风量、转速（搅拌功率）等； 反应液的理化性质：包括反