生物反应器中的物质传递

生物反应器中的物质传递第一页，共十九页，编辑于2023年，星期三微生物反应过程传质的几种水平胞内传质细胞膜－胞外传质超细胞传质

第二页，共十九页，编辑于2023年，星期三对于需氧的微生物反应，还存在一个氧从气相通过扩散进入液相，进而又经扩散进入絮凝体内部供给细胞进行呼吸的传递过程

第三页，共十九页，编辑于2023年，星期三氧在传递过程中存在的传递阻力

第四页，共十九页，编辑于2023年，星期三①

氧从气相主体扩散到气－液界面的阻力②

通过气－液界面的阻力③

通过气泡外测的滞流液膜，到达液相主体的阻力④

液相主体中的传递阻力⑤

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⑥

通过液体与细胞团之间界面的阻力⑦

细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力⑧

进入细胞的阻力第五页，共十九页，编辑于2023年，星期三①～④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

第六页，共十九页，编辑于2023年，星期三

§1.微生物的氧消耗速度与氧的需求

溶解氧

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；－亨利常数，因温度而异。

气体在盐水溶液中的溶解度比在纯水中的要小，这种现象称为盐类效应，一般可用下列Setchnow式表示：第七页，共十九页，编辑于2023年，星期三氧的消耗速度

氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为

如果如果碳源消耗于菌体、水和CO2外，不生成代谢产物，则

因此第八页，共十九页，编辑于2023年，星期三氧消耗速度为第九页，共十九页，编辑于2023年，星期三§2.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。

物质传递速度的机理，主要模型有根据Whiteman建议的稳定模型（1923年提出）与Higbie提供的不稳定模型（1935年提出），前者以双膜学说（two-filmtheory）著称。后者以渗透学说（penetrationtheory）而闻名。从工程学角度说，前者简便，主要适用于需氧微生物的反应器设计。

第十页，共十九页，编辑于2023年，星期三稳定模型

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。第十一页，共十九页，编辑于2023年，星期三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应相等.

此pi式中和ci均无法测量，故此式无实用价值。为了实用，应将不可测量的参数改写成与之有函数关系并且可以测量的其它参数。第十二页，共十九页，编辑于2023年，星期三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：第十三页，共十九页，编辑于2023年，星期三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，H很小，气膜传递阻力与液膜传递阻力相比可忽略，即，因此

第十四页，共十九页，编辑于2023年，星期三不稳定模型

这个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，则在时间内平均吸收速率可用下式表示：

第十五页，共十九页，编辑于2023年，星期三影响的因子

需氧微生物反应器的性能，用体积系数表示，体积系数高的设备性能好

第十六页，共十九页，编辑于2023年，星期三体积溶氧系数的测定方法①亚硫酸盐氧化法②极谱法③氧的物料衡算法④溶氧电极法第十七页，共十九页，编辑于2023年，星期三应用溶氧电极测定

通气搅拌系统的体积传氧系数为溶解氧积累

第十八页，共十九页，编辑于2023年，星期三测定的三个用途

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，并对其进行评价。2．对发酵过程传氧性情况进行了解，以便判