第七章气液质量传递.pptx

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第 七 章 气 液 质 量 传 递;◆ 微生物反应体系中气液传质举例 需氧培养中的氧传递 以气态烃为碳源的微生物的培养 光合微生物培养中O2和CO2 的传递 氢利用菌中H2、O2、CO2的传递 固氮微生物对N2的利用;第一节 氧的溶解和微生物的耗氧;一、 氧在液体中的溶解;◆ 难溶:25°C、一个大气压,空气中的O2在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分,其溶解度更低。;氧的饱和浓度单位:mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大气压;3、影响饱和浓度值的因素; 当纯水与一个大气压的空气相平衡时,温度对氧饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算(适用浓度为4~33oC);2) 溶液的性质; 在系统总分压小于5个大气压的情况下,氧的溶解度与总压和其他气体的分压无关,只与氧分压成直线相关,可用Henry定律表示: C* = PO2/H;二、微生物的摄氧率;比耗氧速率-----相对于单位质量的干菌体在单位时间内所消耗的氧量。也称呼吸强度;用QO2表示 (mmol O2 /g ·h);◇ 在分批培养中,rO2和X随时间而变化,QO2也随时间变化。在对数生长期的后期,rO2达到最大值rO2max。由rO2max和稳态下的Xst可求得QO2max。;;临界溶氧浓度 -----当不存在其他限制性基质时,如果溶氧浓度高于某定值,细胞的比耗氧速率保持恒定;如果溶氧浓度低于该值,细胞的比耗氧速率就会大大下降;则该值即为临界溶氧浓度。[DO]cri;微生物 临界氧浓度 温度(℃);三、影响微生物需氧量的因素;;第二节 培养液中氧的传递;◆ 在好氧发酵中,对微生物的供氧过程,首先是气相中的氧溶解在发酵液中,然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。;氧传递的各种阻力示意图;氧传递过程中各项阻力的示意图;供氧方面 包括通过气膜、气-液界面、液膜及液体主流的扩散;1、供氧方面的阻力;2、耗氧方面的阻力;; 供氧方面 ◇ 由于氧很难溶于水,所以供氧方面的液膜阻力(1/k3 ; 1/KL )是氧溶于水时的限制因素。 ◇ 良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流,可减少1/k3、1/k4,加速氧的传递。;耗氧方面 ◇ 实验和计算证实,细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小???即1/k5很小;而菌丝丛(或菌丝团)的阻力(1/k6)对菌丝体的摄氧能力影响显著。 ◇ 在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。 ◇ 在搅拌和合理的 工艺条件下,结团现象减少,因而能降低1/k6。 ◇ 1/k8与微生物生长及代谢的条件有关,若生长条件合适,代谢产物能及时移去,则1/k8就会减少,否则就会增大。; 当氧的传递达到稳态时,总的传递速率与串联的各步传递速率相等,这时通过单位体积的传递速率为:;二、气液相间的氧传递和氧传质方程式;气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化;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:;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:;G/? = KLa · V · (C* - CL);氧传质方程:;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; 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:;◆ 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* 。; 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。 ;◆ 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 ;一、流体类型;在切向力作用下平行板内液体速度分布;剪应力 (shear stress) ——单位流体面积上的切向力;F/A;牛顿型与非牛顿型流体剪应力与切变率的关系;;牛顿型流体 非牛

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