生物反应中物质传递

生物反应中物质传递第1页/共44页氧在传递过程中存在的传递阻力

第2页/共43页第2页/共44页①

氧从气相主体扩散到气－液界面的阻力R1②

通过气－液界面的阻力R2③

通过气泡外测的滞流液膜，到达液相主体的阻力R3④

液相主体中的传递阻力R4⑤

通过细胞或细胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液体界面的阻力R5⑥

通过液体与细胞团之间界面的阻力R6⑦

细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力R7⑧

进入细胞的阻力R8第3页/共43页第3页/共44页①～④项属供氧方面的阻力；⑤～⑧项为耗氧方面的阻力。当单个细胞以游离状态悬浮于液体中时第⑦项阻力消失

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微生物反应是在液相中伴随着微生物生长发生的反应。如果参与反应的底物以不同于液相的其它相加入时，整个反应体系便成为非均相体系。微生物反应体系中可找到气－液、固－液、液－液等体系的物质传递实例。

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第一节

微生物的氧消耗速度

与氧需求

一、溶解氧

溶解氧是直接影响微生物的环境因素。DO直接参与微生物消耗底物以及菌体生长所必要的代谢反应，应该把溶解氧看作是一种营养源（底物）。

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氧属于难溶性气体，其溶解度在10ppm以下，气相中氧分压的影响服从亨利定律（Henry’slaw）为与平衡时的氧溶解度

H－亨利常数，第7页/共43页第7页/共44页

下图表示与1atm空气（空气+饱和水蒸汽）相平衡的纯水中的DO与H和温度的关系。

第8页/共43页第8页/共44页盐类效应

:气体在盐水溶液中的溶解度比在纯水中的要小。用Setchnow式表示：第9页/共43页第9页/共44页二、氧的消耗速度

微生物反应总的需氧量是与以燃烧反应为基准的物料平衡也有关系：碳源燃烧需氧量=菌体燃烧需氧量+氧消耗量+代谢产物燃烧需氧量式中：第10页/共43页第10页/共44页根据上式得：上式缺乏速度概念。由于投入动力与氧的需要速度有一定关系，从工程学角度来说氧需求的速度更为重要。

第11页/共43页第11页/共44页氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为

如果氧的维持常数如果碳源消耗于除菌体、水和CO2外，不生成代谢产物，则

因此

第12页/共43页第12页/共44页氧消耗速度为第13页/共43页第13页/共44页课堂讨论微生物反应过程的传质有哪几种水平？什么是超细胞传质？氧气的溶解度受哪些因素的影响？为什么氧在微生物培养基中的溶解度更低？第14页/共43页第14页/共44页三、QO2与DO的关系

第15页/共43页第15页/共44页在<时，对DO的依赖性可认为是由呼吸酶表面的氧不饱和所引起的，多数情况近似于米氏方程式：由于，上式积分得：

第16页/共43页第16页/共44页四、伴随着生长的氧适应

一般，DO对微生物的生长速度和呼吸速度将产生影响。如果DO变化，为了适应这种变化，代谢系统也随之而变化，因此代谢产物生成速度也发生变化，然而要将这些复杂的变化定量化是困难的。为了维持需氧代谢，常常控制一定的培养条件，使DO保持在以上。

第17页/共43页第17页/共44页第二节气体吸收

气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶解的物质传递过程。

物质传递速率的机理主要模型有：

Whitman的稳定模型（1923年提出）—双膜学说（two-filmtheory）

Higbie的不稳定模型（1935年提出）—渗透学说（penetrationtheory）第18页/共43页第18页/共44页一、稳定模型

三种假定：1.

在气、液两相的主流内，溶解气体主要通过对流传递，可是沿着气液界面的气、液两侧各存在着层流薄膜，溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。2．溶解气体在两界膜内的浓度分布与时间无关（稳定状态）。3．在界面处，气相中的分压与液相中的浓度之间常常达到平衡，在那里完全不存在物质传递的阻力。第19页/共43页第19页/共44页第20页/共43页第20页/共44页

通过气膜的传氧推动力为，继续通过液膜时推动力为。在稳定传质过程中，通过两膜的传氧速率N应相等.

因pi和ci均无法测量，故此式无实用价值。第21页/共43页第21页/共44页令：根据亨利定律：仿照热力学的方法，

用总传质系数代替分传质系数，用总的传质推动力代替分推动力，把上式改写为：式中：第22页/共43页第22页/共44页总传质系数分别与膜传质系数的关系为

对于氧的难溶于水来说，气膜传递阻力与液膜传递阻力相比可忽略，即，因此

第23页/共43页第23页/共44页－单位体积培养液中气液两相的总界面积(m2/m3)

，上式两边各乘以，则得：第24页/共43页第24页/共44页二、不稳定模型

该模型是指气体不稳定地被吸收到不紊乱的液体（即静止或层流流动的液体）中的情况。如果含有某一溶解气体的气相与某液体相接触时，则液侧界面近傍的浓度分布随时间变化，不成为稳定状态。若只考虑不稳定分子扩散的吸收，则在0-t时间内平均吸收速率N可用下式表示：

第25页/共43页第25页/共44页三、影响的因子

需氧微生物反应器的性能，用体积溶氧系数表示，体积溶氧系数高的设备性能好。为了提高性能，只要增加kL或a就可以了。一般kL受液体流动状态的影响，可是在实际设备中其依赖性不强。因此，决定kLa值大小主要是a值的大小。

第26页/共43页第26页/共44页第27页/共43页第27页/共44页直径在0.8mm以下的气泡犹如钢体球的性质，用下式表示：气泡直径在2.5mm以上，气泡变形成为旋转椭圆体，界面变动的结果，kL增大，用下式表示：

第28页/共43页第28页/共44页上两式中：

Sherwood数：

Grashof数：

Schmidt数：

第29页/共43页第29页/共44页

值与气体负荷Hu成正比例，与平均气泡直径dG成反比，三者之间存在下列关系：设不通气时的液体深度为hw，通气时的液体深度为ha，为了与的定义基准相配合，Hu可按下式定义：dG可按下式定义：ni是直径为dGi的气泡个数

第30页/共43页第30页/共44页四、体积溶氧系数的测定方法

氧气吸收的体积传递系数，可采用下列几种方法测定：①亚硫酸盐氧化法②极谱法③氧的物料衡算法④溶氧电极法第31页/共43页第31页/共44页㈠亚硫酸盐氧化法（经典方法）

原理：常用Na2SO3，它在溶液中浓度1M左右时，在相当大的范围内，并在Cu2+存在时，被氧化的速度很快，氧溶解速度控制了氧化反应。

第32页/共43页第32页/共44页每分钟溶解氧的摩尔数：

第33页/共43页第33页/共44页用亚硫酸盐氧化法测体积溶氧系数kLa将实验测定的Nv代入式可算出kLa。在整个氧化过程中，溶液中溶氧的浓度为0，即C=0。在亚硫酸盐氧化法的具体条件下，规定。已知：∴

第34页/共43页第34页/共44页㈡溶氧电极法

优点：①耐高温②连续测量1、原理：把溶解氧转化为电流信号。阳极：阴极：电流直接指示溶解氧浓度。

第35页/共43页第35页/共44页氧的流动速率：

第36页/共43页第36页/共44页

要求材料透氧能力越小越好

第37页/共43页第37页/共44页2．应用溶氧电极测定

通气搅拌系统的体积传氧系数为溶解氧积累A点：B点：

第38页/共43页第38页/共44页连续培养时，也可求值

：稳态时可由通气进出口的氧分压差求得：

第39页/共43页第39页/共44页3、根据电极显示值求C值

当总压为1bar，温度为20℃时，将水蒸汽分压忽略，则相应的浓度可根据Henry定律计算：

第40页/共43页第40页/共44页温度T=30℃时水中氧的亨利常数液相氧的饱和浓度值

将电极显示值E(%饱和)换算成氧浓度为若E=100，则

第41页/共43页第41页/共44页测定的三个用途

1．对生物反应器的传氧性能进行测定，以便选择最佳条件进行操作，并对其进行评