传氧与通气搅拌

1、2022-6-11第四章第四章 传氧与通气搅拌传氧与通气搅拌2022-6-12教学目的与要求：教学目的与要求：要求学生了解溶氧理论及意义要求学生了解溶氧理论及意义K KL La a和溶氧速率的调控，掌握影响传氧速率的因素及溶和溶氧速率的调控，掌握影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定。氧系数的测定。教学重点：教学重点：影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定教学难点：教学难点：K KL La a和溶氧速率的调控和溶氧速率的调控2022-6-13本章主要内容本章主要内容一、概述一、概述二、微生物有氧呼吸二、微生物有氧呼吸三、传氧理论三、传氧理论四、影响传氧速率的因素四、影

2、响传氧速率的因素五、溶氧系数及其测定五、溶氧系数及其测定六、六、K KL La a和溶氧速率的调控和溶氧速率的调控一、一、 概述概述1 1、生化反应器通气与搅拌有两个目的、生化反应器通气与搅拌有两个目的: :使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从菌体内向发酵液的传递。菌体内向发酵液的传递。 供给微生物生长和代谢所需的氧气。供给微生物生长和代谢所需的氧气。2022-6-15好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因

3、为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用，因此供氧对需氧微生物是必不可少的，在生物反应作用，因此供氧对需氧微生物是必不可少的，在生物反应过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积累所需要的代谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于细累所需要的代谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。气。2022-6-16 一般认为在通风发酵过程中，微生物利用一般认为在通风发酵过程中，微生物利用

4、空气气泡中氧的过程可分为两个阶段进行空气气泡中氧的过程可分为两个阶段进行:空空气中的氧首先溶解在液体中，这得阶段叫做气中的氧首先溶解在液体中，这得阶段叫做“供氧供氧”，然后微生物才能利用液体中的溶解然后微生物才能利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作“耗氧耗氧”2、 微生物的临界氧浓度微生物的临界氧浓度微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求这一溶氧浓度叫做这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度临界氧浓度”。不同的微生不同的微生物的需氧量不同。同一

5、种微生物的需氧量，随物的需氧量不同。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代谢产物的耗氧量也往往不同。谢产物的耗氧量也往往不同。2022-6-182022-6-192022-6-1103 3、溶解氧控制的意义、溶解氧控制的意义 在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态下的在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态下的氧（最近有报道在气氧（最近有报道在气- -液界处的微生物也能直接利用气相液界处的微生物也能直接利用气相中的氧）。中的氧）。氧是很难溶解的气体，在氧是很难溶解的气体，在2525、100MPa100MPa下，空下，空气中的氧

6、在水中的溶解度气中的氧在水中的溶解度0.25mmol/L0.25mmol/L。由于微生物不断消由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的溶解度比在水中更小，就必须采用溶解度比在水中更小，就必须采用强化供氧强化供氧。 近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步，近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步，以至氧的需求超过现有的生物反应设备的氧传递以至氧的需求超过现有的生物反应设备的氧传递的能力，其后果是的能力，其后果是氧传递速率成为

7、产量的限制因氧传递速率成为产量的限制因素。素。氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补的损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。的产生。了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量，就可能分别地合理地供氧。适需氧量，就可能分别地合理地供氧。 2022-6-1122022-6-113二、微生物的有氧呼吸二、微生物的有氧呼吸1 1、比生长速率和氧浓度的关系、比生长速率和氧浓度的关系 在好气性发酵中，当培养液中限制性生长底在好气性发酵中，当培养液中限制性生长底物的浓度一定或过量，而溶

8、解氧浓度较低时，物的浓度一定或过量，而溶解氧浓度较低时，氧氧为微生物生长的主要限制性底物，为微生物生长的主要限制性底物，微生物的比生微生物的比生长速率与氧浓度的关系用长速率与氧浓度的关系用MonodMonod方程方程表示为：表示为：2022-6-11421mOdXCXdtKC（6-16-1）2:/l):/l)mOXtCK-1-1微 生 物 的 比 生 长 速 率 (h)： 菌 体 浓 度 (g/l)： 时 间 （ h)最 大 比 生 长 素 率 （ h）： 溶 氧 浓 度 （ mmol氧 饱 和 常 数 （ mmol2022-6-115 按式（按式（6-16-1），作），作-C-C关系曲线。在

9、氧浓度关系曲线。在氧浓度很低的情况下，微生物细胞的比生长速率很低的情况下，微生物细胞的比生长速率随着随着溶解氧浓度的升高正比的增长，随后增长速度逐溶解氧浓度的升高正比的增长，随后增长速度逐渐减慢，当氧浓度渐减慢，当氧浓度达到一定值（达到一定值（C C临临）时，比生长）时，比生长速率不再增长，过高，速率不再增长，过高， 反而下降。反而下降。2022-6-1162022-6-117 各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即临界氧浓度临界氧浓度C C临临是不同的。是不同的。2022-6-118 在发酵生产中，为了不使微生物的在发酵生产中，为了不使微生物的生长和代谢受到氧浓

10、度的影响，保证发生长和代谢受到氧浓度的影响，保证发酵过程正常进行，酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维必须使溶解氧浓度维持在微生物的临界氧浓度以上。持在微生物的临界氧浓度以上。2022-6-1192、比耗氧速率与氧浓度的关系（一）耗氧速率 单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率，以率，以r r表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：式中：式中： r r耗氧速率（耗氧速率（mmolOmmolO2 2/l.h) /l.h) Q QO2O2 比耗氧速率（比耗氧速率（mmolOmmolO2 2/g.h)/g.h) X X 菌体浓度（菌体浓度

11、（g/l)g/l)2d crQ oXd t2022-6-120 耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌体浓度的不同而不同，其大致范围为：体浓度的不同而不同，其大致范围为：25-25-100mmol/l.h100mmol/l.h，某些耗氧速率特别高的微生物，某些耗氧速率特别高的微生物，则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。2022-6-121供氧、耗氧和产物形成的关系

12、通常有三种类型：供氧、耗氧和产物形成的关系通常有三种类型： （1 1）产物形成期的氧消耗与菌体生长期的最大）产物形成期的氧消耗与菌体生长期的最大需氧量一致；（需氧量一致；（2 2）产物形成期的最大需氧量超）产物形成期的最大需氧量超过菌体生长期的最大需氧量；（过菌体生长期的最大需氧量；（3 3）产物形成期）产物形成期的最大需氧量低于菌体生长期的最大需氧量。的最大需氧量低于菌体生长期的最大需氧量。 所以，只有掌握不同种类的微生物在各阶段所以，只有掌握不同种类的微生物在各阶段的需氧情况，才能对发酵生产进行良好的控制。的需氧情况，才能对发酵生产进行良好的控制。2022-6-122（二）比耗氧速率及其与

13、比生长速率与溶氧浓（二）比耗氧速率及其与比生长速率与溶氧浓度的关系度的关系1 1、比耗氧速率：、比耗氧速率：单位菌体浓度的好氧速率，又单位菌体浓度的好氧速率，又称呼吸强度称呼吸强度 。 21()rdcQoXXdt 式中：式中： r r耗氧速率（耗氧速率（mmolOmmolO2 2/l.h) /l.h) Q QO2O2 比耗氧速率（比耗氧速率（mmolOmmolO2 2/g.h)/g.h) X X 菌体浓度（菌体浓度（g/l)g/l)（6-36-3）2022-6-1232022-6-124 从（从（6-56-5）可知，在稳态情况下，微生物）可知，在稳态情况下，微生物的比好氧速率与比生长素率成正比

14、，如图的比好氧速率与比生长素率成正比，如图6-26-2所示。此图是由恒流速培养所观察，若将直线所示。此图是由恒流速培养所观察，若将直线按外推法使之与纵轴相交有一截距，这截距就按外推法使之与纵轴相交有一截距，这截距就是维持细胞生命所必需的比好氧速率，故式是维持细胞生命所必需的比好氧速率，故式6-6-5 5实际上应为：实际上应为：220/2()X OQoQoY（6-6）2022-6-1252022-6-1262/ 2/ 221mX OX OOCQoYYKC3 3、比耗氧速率与溶氧浓度的关系、比耗氧速率与溶氧浓度的关系222()mOCQoQoKC（6-76-7）2022-6-127 式（式（6-76

15、-7）说明了微生物的比好氧速率与）说明了微生物的比好氧速率与培养液中氧浓度的关系，同比生长速率一样，培养液中氧浓度的关系，同比生长速率一样，微生物细胞的比耗氧速率也随着氧浓度的增加微生物细胞的比耗氧速率也随着氧浓度的增加而升高，但当而升高，但当C C增加到临界溶氧增加到临界溶氧C C临临以上时，比以上时，比耗氧速率不再升高。对于某些微生物，当耗氧速率不再升高。对于某些微生物，当C CC C临临时，由于高浓度的时，由于高浓度的C C对酶反应的抑制，比耗氧对酶反应的抑制，比耗氧速率反而下降。如图速率反而下降。如图6-36-3所示。所示。2022-6-128三、传氧理论三、传氧理论1 1、氧的传递途

16、径及传质阻力、氧的传递途径及传质阻力供氧：供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。面和液膜扩散到液体主流中。耗氧：耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到细胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，扩散到细胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。才能被微生物利用。2022-6-1302022-6-131气膜阻力气膜阻力1/k1/k1 1，气体主流与气液界面的气膜阻力，气体主流与气液界面的气膜阻力1/k1/kG G ，与空气情况有关；，与空气情况有关；气液界面阻力气液界面阻力1/k

17、1/k2 2 ，也与空气情况相关，只有具备，也与空气情况相关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则折返高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则折返回气相；回气相；液膜阻力液膜阻力1/k1/k3 3 ，气液界面至液体主流间的液膜阻力，气液界面至液体主流间的液膜阻力1/k1/kL L ，与发酵液的成分和浓度有关；，与发酵液的成分和浓度有关；供氧方面的阻力：供氧方面的阻力：2022-6-132液流阻力液流阻力1/k1/k4 4，也与发酵液的成分和浓度有关，通，也与发酵液的成分和浓度有关，通常这不作为一项重要阻力，因在液体主流中氧的浓度常这不作为一项重要阻力，因在液体主流中氧的浓度是假

18、定不变的，当然这只有在适当搅拌的情况下才是是假定不变的，当然这只有在适当搅拌的情况下才是这样。这样。2022-6-133细胞周围液膜阻力细胞周围液膜阻力1/k5，与发酵液成分和浓度有关；，与发酵液成分和浓度有关；菌丝丛或团内的扩散阻力菌丝丛或团内的扩散阻力1/k6：这种阻力与微生物的：这种阻力与微生物的种类、特性和生理状态等有关。单细胞的细菌和酵母不存种类、特性和生理状态等有关。单细胞的细菌和酵母不存在这种阻力，对于菌丝菌如霉菌等这种阻力最为突出。在这种阻力，对于菌丝菌如霉菌等这种阻力最为突出。 细胞膜阻力细胞膜阻力1/k7 ，与微生物的生理特性相关；，与微生物的生理特性相关；细胞内反应阻力细

19、胞内反应阻力1/k8：指氧分子与细胞内呼吸酶系反：指氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力，与微生物的种类、生理特性有关。应时的阻力，与微生物的种类、生理特性有关。耗氧方面的阻力：耗氧方面的阻力：2022-6-134 在以上多种传递过程中，必有一过程是控制在以上多种传递过程中，必有一过程是控制因素。由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧因素。由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧阻力方面液膜阻力阻力方面液膜阻力1/k1/kL L比较显著，是控制因素。比较显著，是控制因素。在耗氧方面，据试验液体主流中和细胞壁上氧的在耗氧方面，据试验液体主流中和细胞壁上氧的浓度差是很小的，也就是说氧通过细胞周围液膜浓度差

20、是很小的，也就是说氧通过细胞周围液膜的阻力的阻力1/k1/k5 5是很小的，但此液膜阻力随着细胞外是很小的，但此液膜阻力随着细胞外径的增大而增大。在有搅拌的情况下，菌体结团径的增大而增大。在有搅拌的情况下，菌体结团现象减少，液体和菌体间的相对运动增加，减少现象减少，液体和菌体间的相对运动增加，减少了膜厚度，因而也减少了阻力。了膜厚度，因而也减少了阻力。2022-6-135通常耗氧方面的阻力是通常耗氧方面的阻力是1/k1/k6 6 和和1/k1/k7 7，即菌丝内，即菌丝内及细胞膜的阻力，但搅拌可以减少逆向扩散的及细胞膜的阻力，但搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也降低了这方面的阻力。梯度，因此也

21、降低了这方面的阻力。 至于细胞内反应阻力，只在以下三种情况至于细胞内反应阻力，只在以下三种情况下才会产生下才会产生：（）培养基成分与其相应的酶（）培养基成分与其相应的酶的作用失活；（的作用失活；（2 2）一些生理条件如温度、）一些生理条件如温度、pHpH值等不适于酶的反应值等不适于酶的反应 ；（；（3 3）一些代谢产物积）一些代谢产物积累或不能及时从反应处移去。累或不能及时从反应处移去。 2022-6-136 综上所述，在氧的传递过程中，从气相到综上所述，在氧的传递过程中，从气相到液相的过程是限制步骤，液膜阻力液相的过程是限制步骤，液膜阻力1/K1/KL L是控制是控制因素。因此，提高氧的传递

22、速率，就是要提高因素。因此，提高氧的传递速率，就是要提高氧从气相到液相的传质（溶氧）速率。氧从气相到液相的传质（溶氧）速率。2022-6-1372 2、双膜理论、双膜理论 氧的溶解过程实质上就是气体吸收的过程，氧的溶解过程实质上就是气体吸收的过程，因此这一过程可以用气体吸收的基本理论阐明。因此这一过程可以用气体吸收的基本理论阐明。关于气体吸收的机理，迄今为止曾提出过几种关于气体吸收的机理，迄今为止曾提出过几种理论，但都有某些局限性。其中最早提出且应理论，但都有某些局限性。其中最早提出且应用较广的是双膜理论，若应用于氧传递过程用较广的是双膜理论，若应用于氧传递过程其其基本论点基本论点是：是：在气

23、泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的两旁具有两层稳定的薄膜，即气泡一侧存在着一层气膜，两旁具有两层稳定的薄膜，即气泡一侧存在着一层气膜，液体一侧存在着一层液膜。在任何流体动力学条件下，气液体一侧存在着一层液膜。在任何流体动力学条件下，气膜内的气体分子和液膜内的液体分子都处于滞流状态，分膜内的气体分子和液膜内的液体分子都处于滞流状态，分子间屋对流运动，因而氧气分子只能以扩散方式，即借浓子间屋对流运动，因而氧气分子只能以扩散方式，即借浓度差而透过双膜。度差而透过双膜。 在气液界面上，气液两相的浓度总是互相平衡（空气中在气液界面上，气液两相的浓

24、度总是互相平衡（空气中氧的分压与溶于液体中的氧浓度处于平衡状态），即界面氧的分压与溶于液体中的氧浓度处于平衡状态），即界面上不存在氧传递的阻力。上不存在氧传递的阻力。2022-6-139两膜以外的气、液两相主流中，由于流体充分流动，两膜以外的气、液两相主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就无任何传质阻力。因氧的浓度基本上是均匀的，也就无任何传质阻力。因此，氧从气相总体传到液相总体，所有的阻力仅存在此，氧从气相总体传到液相总体，所有的阻力仅存在于两层滞留膜中，通过滞留气膜的浓度就等于气相平于两层滞留膜中，通过滞留气膜的浓度就等于气相平均浓度（氧分压均浓度（氧分压p)与界面相平衡浓

25、度与界面相平衡浓度(氧分压氧分压pi）之差之差p-pi，通过滞留液膜的浓度降就等于界面相平衡浓度通过滞留液膜的浓度降就等于界面相平衡浓度Ci与液相平均浓度与液相平均浓度C之差之差Ci-C。2022-6-140氧传递双膜理论图解氧传递双膜理论图解2022-6-141 从上面的氧分子传递图解可以清楚地看出，通从上面的氧分子传递图解可以清楚地看出，通过气膜的传氧推动力为过气膜的传氧推动力为p-pi，继续通过液模时的推动，继续通过液模时的推动力为力为Ci-C，与两个推动力相对应的阻力分别为气膜阻，与两个推动力相对应的阻力分别为气膜阻力力1/kG 和液膜阻力和液膜阻力1/kL。2022-6-142在稳定

26、传质过程中，传质途径上的各点氧浓度不随时间在稳定传质过程中，传质途径上的各点氧浓度不随时间而变化，故通过两膜的氧传递速率而变化，故通过两膜的氧传递速率N应相等，即：应相等，即：N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)N-传氧速率（传氧速率（kmol/m2.h）kG-气膜传质系数（气膜传质系数（kmol/m2.h.atm)kL-液膜传质系数（液膜传质系数（m/h）P-气相主流中氧的分压气相主流中氧的分压(atm)Pi-气液界面上的氧分压气液界面上的氧分压(atm)C-液相主流中氧的浓度（液相主流中氧的浓度（kmol/m3）Ci-气液界面上氧的平衡浓度（气液界面上氧的平衡浓度（kmol/m3）202

27、2-6-143 由于气液界面处的由于气液界面处的氧分压氧分压Pi和和浓度浓度Ci均无法测量，均无法测量，故式故式N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)没有实用价值。没有实用价值。 为了便于计算，一般不采用传质系数为了便于计算，一般不采用传质系数kG或或kL，而采用包括这两个因素在内的总传质系数而采用包括这两个因素在内的总传质系数KG或或KL,同同时采用总推动力时采用总推动力 P-P*和和C*-C代替传质推动力代替传质推动力P-Pi和和Ci-C。因此，上式可改写为：。因此，上式可改写为：N=KG(P-P*)=KL(C*-C)N=KG(P-P*)=KL(C*-C)K KG G-以氧分压为总推动力的

28、总传质系数以氧分压为总推动力的总传质系数（kmol/mkmol/m2 2.h.atm).h.atm)K KL L-以氧浓度差为总推动力的总传质系数以氧浓度差为总推动力的总传质系数（m/h);m/h);P P* *-与液相主体中溶氧浓度相平衡的氧分压与液相主体中溶氧浓度相平衡的氧分压（atmatm) )C C* *-与气相主体中氧分压与气相主体中氧分压P P相平衡的氧浓度相平衡的氧浓度（kmol/mkmol/m3 3）2022-6-145 因为气相主体中氧的分压因为气相主体中氧的分压P和液相主体溶氧浓和液相主体溶氧浓度度C均可直接测定，而均可直接测定，而P*和和C*可由亨利定律求出可由亨利定律求

29、出，故，故采用采用N=KG(P-P*)=KL(C*-C)来计算氧的传递速率非来计算氧的传递速率非常方便。常方便。 由于在氧的传递过程中液膜阻力远大于气膜阻由于在氧的传递过程中液膜阻力远大于气膜阻力，故通常是以力，故通常是以(C*-C)为溶氧推动力来计算传氧速为溶氧推动力来计算传氧速率。率。亨利定律：亨利定律： 与溶解浓度相平衡的理想气体的分压与该气与溶解浓度相平衡的理想气体的分压与该气体所溶解的分子浓度成正比，于是有：体所溶解的分子浓度成正比，于是有：2022-6-1462022-6-1472022-6-148 由于由于Nv每立方米液体每小时的溶氧量，是可以实际每立方米液体每小时的溶氧量，是可

30、以实际测量的，加上测量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出也是可知的，故可算出kLa。 kLa的单位虽然是的单位虽然是1/小时，但它是根据单位液体体积的溶氧小时，但它是根据单位液体体积的溶氧速速Nv计算出来的，因而称为计算出来的，因而称为体积溶氧系数体积溶氧系数。 上述公式是从双膜理论推导出的在通气液体中传氧速上述公式是从双膜理论推导出的在通气液体中传氧速率的公式，在氧传递理论中被广泛采用，为该领域内科率的公式，在氧传递理论中被广泛采用，为该领域内科学试验的基本依据之一。学试验的基本依据之一。2022-6-149但尚需指出，双膜理论中假设有膜的存在，并以但尚需指出，双膜理论中假设有膜的存在

31、，并以分子扩散为依据，而实际上是否存在稳定的气膜分子扩散为依据，而实际上是否存在稳定的气膜和液膜还是疑问，故用于通气搅拌的传质问题不和液膜还是疑问，故用于通气搅拌的传质问题不完全符合两相界面的传质情况。这与在管壁内外完全符合两相界面的传质情况。这与在管壁内外流动的液体的情况不尽相同，后者在固定的壁面流动的液体的情况不尽相同，后者在固定的壁面两侧确实存在着两层以滞流流动着的膜，这种膜两侧确实存在着两层以滞流流动着的膜，这种膜可以使之减薄，而不能使之完全消失。可以使之减薄，而不能使之完全消失。2022-6-150但在剧烈骚动的气液界面上，情况就不会如此简但在剧烈骚动的气液界面上，情况就不会如此简单

32、，此时的传质并不是单纯的分子扩散，实际情单，此时的传质并不是单纯的分子扩散，实际情形要复杂得多。由于发展的不完善，尽管目前已形要复杂得多。由于发展的不完善，尽管目前已经提出了许多新理论（如表面更新理论、渗透理经提出了许多新理论（如表面更新理论、渗透理论），但因双膜理论的研究和建立已有长久的历论），但因双膜理论的研究和建立已有长久的历史，从理论到解决工程问题的方法都较成熟，史，从理论到解决工程问题的方法都较成熟，故故在目前仍然被认为是工程上解决气液传质问题的在目前仍然被认为是工程上解决气液传质问题的基本理论。基本理论。2022-6-151在者，双膜理论等都是仅仅说明氧溶解于液体在者，双膜理论等都

33、是仅仅说明氧溶解于液体的问题，是以微生物只能利用溶解于液体中的的问题，是以微生物只能利用溶解于液体中的氧为依据，与化学工业中无微生物的气液传质氧为依据，与化学工业中无微生物的气液传质理论没有什么原则性的区别，近年来有人通过理论没有什么原则性的区别，近年来有人通过一系列的实验研究，提出了与溶解氧概念不同一系列的实验研究，提出了与溶解氧概念不同的观点。他们发现，的观点。他们发现，在发酵过程中除了处于液在发酵过程中除了处于液体中的微生物只能利用溶解氧外，处于气液界体中的微生物只能利用溶解氧外，处于气液界面处的微生物还能直接利用空气中的氧。面处的微生物还能直接利用空气中的氧。2022-6-152同时微

34、粒的存在扰乱了静止的液膜，从而减少同时微粒的存在扰乱了静止的液膜，从而减少了液膜阻力。这个新的观点是发酵过程传质理了液膜阻力。这个新的观点是发酵过程传质理论更进一步的发展，说明了微生物的培养。据论更进一步的发展，说明了微生物的培养。据报道，在石油发酵中实际测得的氧吸收量比只报道，在石油发酵中实际测得的氧吸收量比只考虑微生物仅能吸收溶解氧的量要高得多，证考虑微生物仅能吸收溶解氧的量要高得多，证实了这个观点的正确性，但还需作进一步研究实了这个观点的正确性，但还需作进一步研究才能使其在生产和设计中应用。才能使其在生产和设计中应用。2022-6-153( (三）氧的供需平衡三）氧的供需平衡 要保持发酵

35、液一定的溶氧速度，正是为满要保持发酵液一定的溶氧速度，正是为满足微生物的呼吸代谢活动的耗氧速度，如果溶足微生物的呼吸代谢活动的耗氧速度，如果溶氧速度小于微生物的耗氧速度时，则发酵液中氧速度小于微生物的耗氧速度时，则发酵液中的氧逐渐耗尽，当溶液中氧的浓度低于临界氧的氧逐渐耗尽，当溶液中氧的浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物的生成。物的生成。因此，供氧（传氧、溶氧）与耗氧因此，供氧（传氧、溶氧）与耗氧（需氧）至少必须平衡，即：（需氧）至少必须平衡，即：2022-6-1542()LoNvK a CCQX或者：或者：2oLQXKaCC 但是

36、在实际发酵过程中，这种平衡的建立但是在实际发酵过程中，这种平衡的建立往往是短暂的，由于发酵过程中培养物的生化往往是短暂的，由于发酵过程中培养物的生化、物理等性质随时变化，相应的氧传递情况也、物理等性质随时变化，相应的氧传递情况也不断变化，平衡也不断被打破，又重新建立。不断变化，平衡也不断被打破，又重新建立。（6-15）（6-16）2022-6-155 对于一个培养物来说，最低的通气条件对于一个培养物来说，最低的通气条件可有式（可有式（6-166-16）求得。）求得。K KL La a亦可称为亦可称为 “ “通气通气效率效率”，用于衡量发酵罐的通气状况，高值，用于衡量发酵罐的通气状况，高值表示通

37、气条件富裕，低值表示通气条件贫乏表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。一般的，在发酵过程中，培养也内某瞬间。一般的，在发酵过程中，培养也内某瞬间溶氧浓度的变化可用下式表示：溶氧浓度的变化可用下式表示：2/()LodC dtK a CCQX（6-176-17）2022-6-156在稳定状态下，因在稳定状态下，因dC/dt=0dC/dt=0，故式（，故式（6-176-17）与式（与式（6-166-16）相同，得溶氧浓度：）相同，得溶氧浓度：2oLQXCCKa（6-186-18）1 1、搅拌、搅拌搅拌提高溶氧系数的机制搅拌提高溶氧系数的机制（1 1）搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触）搅

38、拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升的速度要比大气泡慢，因此面积，而且小气泡的上升的速度要比大气泡慢，因此接触时间也增长。接触时间也增长。（2 2）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线四、影响传氧速率的因素四、影响传氧速率的因素2022-6-158上升而是做螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增上升而是做螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间。加了气液的接触时间。（3 3）搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜）搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大了的厚度，减

39、少液膜阻力，因而增大了k kL La a。（4 4）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递过程中）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递过程中的接触面积增加，使推动力均一。的接触面积增加，使推动力均一。搅拌器的型式及流型搅拌器的型式及流型搅拌器按液流型式可分为轴向式和径向式根据搅拌器的搅拌器按液流型式可分为轴向式和径向式根据搅拌器的主要作用，打碎气泡主要靠下组，上组主要起混合作用，主要作用，打碎气泡主要靠下组，上组主要起混合作用，因此下组一宜采用圆盘涡轮式搅拌器，上组宜采用平桨因此下组一宜采用圆盘涡轮式搅拌器，上组宜采用平桨式式搅拌转速和叶径对溶氧水平及混合程度的影响搅拌转速和叶径对溶氧水

40、平及混合程度的影响搅拌组数对溶氧的影响搅拌组数对溶氧的影响搅拌器各项参数对传氧速率的影响搅拌器各项参数对传氧速率的影响2022-6-1602 2、空气流速、空气流速 当增加通风量时，空气线速度相应增加，从而增大溶当增加通风量时，空气线速度相应增加，从而增大溶氧；但另一方面，增加风量，在转速不变的情况下，氧；但另一方面，增加风量，在转速不变的情况下，功率会降低，又会使溶氧系数降低。同时空气线速度功率会降低，又会使溶氧系数降低。同时空气线速度过大时，会发生过载现象，此时桨叶不能打散空气，过大时，会发生过载现象，此时桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴周围逸出，使搅拌效率和溶氧速气流形成大气泡在轴周

41、围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。率都大大降低。2022-6-1624、氧分压、氧分压增加推动力（增加推动力（C*-C）或（）或（P-P*），可使氧的溶解度增加。），可使氧的溶解度增加。采用增加空气压力即增大罐压或用含氧较多的空气或纯采用增加空气压力即增大罐压或用含氧较多的空气或纯氧都能增加氧的分压。过分增加罐中空气压力是不值得氧都能增加氧的分压。过分增加罐中空气压力是不值得提倡的，因为罐压增大，空气压力增大，整个设备耐压提倡的，因为罐压增大，空气压力增大，整个设备耐压性都要提高，从而大大增加设备投资费用。同时，氧的性都要提高，从而大大增加设备投资费用。同时，氧的分压过高也会影响菌的生理

42、代谢。分压过高也会影响菌的生理代谢。2022-6-1647 7、醪液性质、醪液性质在发酵过程中，由于微生物的生命活动，分解并在发酵过程中，由于微生物的生命活动，分解并利用培养液中的基质及大量繁殖菌体、积累代谢利用培养液中的基质及大量繁殖菌体、积累代谢产物等，都引起培养液的物理性质的改变，特别产物等，都引起培养液的物理性质的改变，特别是黏度、表面张力、离子浓度等，从而影响气泡是黏度、表面张力、离子浓度等，从而影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传递效率。丝状菌的大小、气泡的稳定性和氧的传递效率。丝状菌发酵液对溶氧系数具有明显的不利影响。发酵液对溶氧系数具有明显的不利影响。2022-6-166202

43、2-6-1671 1、溶氧系数常见的形式、溶氧系数常见的形式k kL La a-以浓度差为推动力的体积溶氧系数以浓度差为推动力的体积溶氧系数(1/h)(1/h)k kG Ga a-以氧分压差为推动力的溶氧系数以氧分压差为推动力的溶氧系数（mol/ml.h.atmmol/ml.h.atm) )k kd d-亚硫酸盐氧化值（亚硫酸盐氧化值（mol/ml.min.atmmol/ml.min.atm) )K Kv v-与与k kd d相同，但单位表示不同相同，但单位表示不同 (kmol/m(kmol/m3 3.h.atm).h.atm) 上述四种表示形式中，除上述四种表示形式中，除k kL La a是

44、以是以浓度差浓度差为推动为推动力外，其他三种表示形式都是以力外，其他三种表示形式都是以压力差压力差为推动力。为推动力。五、溶氧系数及其测定五、溶氧系数及其测定2. 溶氧系数的测定溶氧系数的测定亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法的原理亚硫酸盐氧化法的原理用用Cu2+为催化剂，溶解在水中的为催化剂，溶解在水中的O2能立即将水中的能立即将水中的SO32-氧化成为氧化成为SO42-，其氧化反应的速度在很大范围与，其氧化反应的速度在很大范围与SO32-的的浓度无关。反应式如下：浓度无关。反应式如下：2Na2SO3+ O22Na2SO4剩余的剩余的Na2SO3过量的碘作用过量的碘作用 2022-6

45、-169若操作时：若操作时：P=1atm(绝对绝对)则：则：Nv=V.N/(1000m.t.4)(mol/ml.min) 或或 Nv=V.N.60/(m.t.4)(mol/L.h)V-实际搅拌通气样与空白样各加实际搅拌通气样与空白样各加等量、适量等量、适量I2液后滴定用标准液后滴定用标准Na2S2O3体积之体积之差（差（ml）N- Na2S2O3的标定浓度（的标定浓度（mol/L）m-样液的体积（样液的体积（ml）t-两次取样的间隔，即氧化时两次取样的间隔，即氧化时间（间（min）实验程序：实验程序： 将一定温度的自来水加入试验设备内，开始将一定温度的自来水加入试验设备内，开始搅拌，加入化学纯

46、的搅拌，加入化学纯的Na2SO3晶体使晶体使SO32-的的浓度在浓度在1.0N左右，再加化学纯的左右，再加化学纯的CuSO4，Cu2+约为约为10-3mol/L，等完全溶解后开阀通气，等完全溶解后开阀通气，气阀一开始就接近预定流量，并在几秒内调到气阀一开始就接近预定流量，并在几秒内调到所需的空气流量。所需的空气流量。2022-6-172将用亚硫酸盐氧化测得的将用亚硫酸盐氧化测得的Nv值代入到值代入到Nv=kLa(C*-C)，即可算出，即可算出kLa在亚硫酸盐氧化法中，由于水中的在亚硫酸盐氧化法中，由于水中的SO32-在在Cu2+的催化下瞬间把溶氧还原掉了，所以在搅拌充分的催化下瞬间把溶氧还原掉

47、了，所以在搅拌充分的条件下整个实验过程中溶液中的溶氧浓度的条件下整个实验过程中溶液中的溶氧浓度c=0。另外，在小型设备中可以忽略空气的压力变化。另外，在小型设备中可以忽略空气的压力变化。2022-6-174kd值与值与kL值的换算值的换算文献中常见另一种体积溶氧系数。文献中常见另一种体积溶氧系数。kd是以氧的分是以氧的分压差为传氧的推动力的体积溶氧系数，即压差为传氧的推动力的体积溶氧系数，即Nv=kd(P-P*)对于亚硫酸盐氧化法，因对于亚硫酸盐氧化法，因C=0，与之平衡的气相，与之平衡的气相氧分压氧分压P*=0所以有所以有Nv= kdP，又根据亨利定律，又根据亨利定律Nv=kLa.C*或或

48、Nv=kLa.P/H kd=kLa/H2022-6-176用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数优点：优点：氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快不需要特殊仪器。不需要特殊仪器。2022-6-178极谱法极谱法对浸在液体中的阴极和参考阳极加上电压，记录对浸在液体中的阴极和参考阳极加上电压，记录在不同的电压下通过的电流，当电解电压为在不同的电压下通过的电流，当电解电压为0.61.0v时，溶解氧被还原成时，溶解氧被还原成H2O2。酸性时：酸性时：O2 + 2H+ + 2eH2O2中性或碱性时：中性或碱性时：O2 + 2H2O + 2e H2O2+OH-与阴极接触的液体中的溶解氧发生上述电极反应与阴极接触的液体中的溶解氧发生上述电极反应2022-6-180溶氧电极法溶氧电极法溶氧电极不需要外加电源，可以看作是一种电解电池。溶氧电极不需要外加电源，可