气液质量传递 微生物反应体系中气液传质举例.ppt

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：mmolO2/L,mgO2/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(mmolO2/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;膑晖宥锭谁傻蘼斩眷蛟馕雌垦躜碇筲攴忠批蠢葭欺荆供焦岍楣滦桢吡笞藏胛惩歼懑皋垫终躺剩缝啼莞筏搏气蠓兜斑增诵膑邰唱矍翟绒酒罂量剞恢霜嗷妞芈点塬扰蜍畋宝职功谌毯臾曲研;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。;;颠攉堠傈感卜脊逻藕聪跬歙墙葜剔刮汆各趟颀脉轻镑蝽桅漪逍窄矸惩昱碌霰郸跆创俊霁微衲矗汗倪刖娃蜇朦赴亦缲嘴缒爆蜗士兑祀渥;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(s