1、精選優質文檔-傾情為你奉上6 生物反應器中的氧傳遞教學基本內容：氧傳遞基本理論雙膜理論；體積溶氧系數kLa的三種測定方法；設備參數及操作變數對體積溶氧系數kLa的影響；發酵液流變學性質對體積溶氧系數kLa的影響；提高體積溶氧系數kLa和體積溶氧速率NV的措施。6.1 雙膜理論6.2 kLa的測定方法6.3 kLa與設備參數及操作變數之間關系6.4 發酵液的流變學性質對kLa的影響6.5 提高kLa和NV的措施授課重點： 1. 雙膜理論。2. 設備參數及操作變數對體積溶氧系數kLa的影響。3. 發酵液的流變學性質對kLa的影響。4. 提高體積溶氧系數kLa和體積溶氧速率NV的措施。難點：1. 雙

2、膜理論2 流變學理論本章主要教學要求：1. 理解雙膜理論。2. 掌握影響kLa的影響因素，包括設備參數和操作變數，及發酵液流變學性質。3. 熟悉提高體積溶氧系數kLa和體積溶氧速率NV的主要措施。6 生物反應器中的氧傳遞微生物只能利用溶解于水中的氧，不能利用氣態的氧。而氧是難溶氣體，在1atm下、20ºC時，氧在純水中的溶解度為0.21mmol/L，在發酵液中溶解度更低，每升發酵液中菌體數一般為108109個，耗氧量非常大，如果終止供氧，幾秒鐘后發酵液中溶氧將降為零。因此，氧常常成為發酵過程的限制性基質，解決好氧傳遞總是成為發酵過程的關鍵問題。工業生產中，將除菌后的空氣通入發酵液中，

3、使之分散成細小的氣泡，盡可能增大氣泡接觸面積和接觸時間，以促進氧的溶解。氧的溶解實質上是氣體吸收過程，是由氣相向液相傳遞的過程。因此這一過程可用氣體吸收的基本理論，即雙膜理論加以闡明。6.1雙膜理論液相氣相氣膜液膜這是一個放大的氣泡，在氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側存在著一層氣膜，在界面的液體一側存在著一層液膜。氣膜內的氣體分子與液膜內的液體分子都處于層流狀態，分子間無對流運動，氧的分子只能以擴散方式，即靠濃度并差推動而穿過雙膜進入液相主流。另外，氣泡內膜以外的氣體分子處于湍流狀態，稱氣體主流，主流中的任一點氧分子的濃度相等。液體主流也是如此。在雙膜之間的兩相界面上，氧

4、的分壓強與溶于界面液膜中的氧濃度處于平衡關系。傳質過程處于穩定狀態，傳質途徑上各點的氧濃度不隨時間而變。P液膜氣膜Ci氣相主流液相主流PiC 傳氧方向6-1氣體吸收雙膜理論圖解從圖中可以看出，通過氣膜的傳氧推動力為P-Pi，通過液膜時推動力為Ci-C。在穩定傳質過程中，通過氣、液膜的傳氧速率N應相等。 (6-1)式中 N：傳氧速率(kmol/m2.h) kg：氣膜傳質系數 kmol/(m2.h.atm) kL：液膜傳質系數(m/h)設：P*為與液相主流中溶氧濃度C相平衡的氧的分壓強(atm)。 C*為與氣相主流中氧的分壓強相平衡的氧的濃度(kmol/m3)。根據亨利定律：C*=P/H或P*=H

5、CH為亨利常數，隨氣體及溶劑及溫度而異，它表示氣體溶于溶劑的難易。氧難溶于水，H值很大。將氣膜、液膜作為一個整體考慮，則N=KG(P-P*)=KL(C*-C) (6-2)式中 KG：以氧的分壓差為總推動力的總傳質系數kmol/(m2.h.atm)KL：以氧的濃度差為總推動力的總傳質系數(m/h)溶氧濃度C較易于測量，C*可以用公式C*=P/H算出(P為發酵罐進氣氧分壓)，故以(C*-C)為推動力較方便。總傳質系數KL與kg及kL的關系如下： 氧氣H值很大，因此kLKL所以 N=kL(C*-C) (6-3)這說明氧氣溶于水的速率是液膜阻力控制的。式5-3是單位界面上的每小時的傳氧量。由于輸送面積

6、難于測量，N也是如此。另外kL也難于測量。在式3-3兩邊各乘以a，a為單位體積液體中氣液兩相的總界面積(m2/m3)，則得：NV=kLa(C*-C)式中 NV：體積溶氧速率(kmol/m3.h)kLa：以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(h-1)NV及C*、C均易于測量，據此可算出kLa。kLa是表征發酵罐傳氧速率大小的參數。6.2 kLa的測定方法(1) 亞硫酸鈉氧化法原理：以Cu為催化劑，溶解于水中的O2能立即將水中的SO32-氧化為SO42-，其氧化反應的速度幾乎與SO32-濃度無關。實際上是O2一經溶入液相，立即就被還原掉。這種反應特性使溶氧速率成為控制氧化反應的因素。其反應式如下：

7、Cu2+2Na2SO3+O2 2Na2SO4剩余的Na2SO3與過量的碘作用Na2SO3 + I2 + H2O Na2SO4 + 2HI剩余的I2用標準Na2S2O3溶液滴定。I2+ 2Na2S2O3 Na2S4O6+2NaIO2 Na2SO3 I2 Na2S2O31 2 2 4可見，每溶解1mol O2，將消耗2mol Na2SO3，將少消耗2mol I2，將多消耗4mol Na2S2O3。因此可根據兩次取樣滴定消耗Na2S2O3的摩爾數之差，計算體積溶氧速率。公式如下：式中 NV：兩次取樣滴定消耗Na2S2O3體積之差，M：Na2S2O3濃度，t：兩次取樣時間間隔，V0：取樣分析液體積。

8、將上述NV值代入公式即可計算出kLa 由于溶液中SO3-2在Cu2+催化下瞬即把溶解氧還原掉，所以在攪拌作用充分的條件下整個實驗過程中溶液中的溶氧濃度C=0。 在0.1Mpa(1atm)下，25ºC時空氣中氧的分壓為0.021MPa，根據亨利定律，可計算出C*=0.24mmol/L，但由于亞硫酸鹽的存在，C*的實際值低于0.24mmol/L，因此一般規定C*=0.21mmol/L。所以kLa=NV/0.21 亞硫酸鈉氧化法的優點是不需專用的儀器，適用于搖瓶及小型試驗設備中kLa的測定。缺點是：測定的是亞硫酸鈉溶液的體積溶氧系數kLa，而不是真實的發酵液中的kLa。(2) 動態法用溶氧

9、電極測量kLa向發酵液中通氣供氧，在不穩定狀態下，溶氧濃度的變化速率為：變形后，得以C作圖，得一直線，直線斜率。測定方法：先提高發酵液中溶氧濃度，使其遠高于臨界溶氧濃度處，穩定后停止通氣而繼續攪拌，此時溶氧濃度直線下降，待溶氧濃度降至Ccrit之前，恢復供氣，發酵液中溶氧即開始上升。在這種條件下，并不影響微生物生長。而且由于時間較短，X增量不計，QP為常量。CCt動態法的典型ct曲線C曲線QO2X 用溶氧電極測定整個過程的溶解氧濃度C。在停氣階段，C的降低與t成線性關系，直線的斜率。恢復通氣后，C逐漸回升，在恢復平衡的過渡階段內，C為一直線，直線斜率。由此可計算出kLa。此方法的優點是：只需要

10、單一的溶氧電極，可以測得實際發酵系統中的kLa值。(3) 氧衡算法 通過氧的衡算，直接測定溶氧速率。溶氧供需平衡時，對氧進行物料衡算：微生物消耗的氧 = 進入發酵罐的氧 - 排出發酵罐的氧根據公式可計算出kLa。氧衡算法的優點是：可測量真實發酵體系的kLa，準確度好。6.3 kLa與設備參數及操作變數之間關系準確地建立起kLa與設備參數、操作變數之間的關系式，對于設備的比擬放大是很重要的。如果在一個模型試驗設備里，通過試驗，在一定的條件下獲得了滿意的成績。如果實踐還證明溶氧速率是影響生產成績的關鍵，那么，就可用適當的方法測定此模型設備的kLa值，再按相同的kLa值設計大的設備，包括設備的尺寸及

11、操作參數。以通風式機械攪拌罐為例，Richard建立的關系式在2.5L8500L的試驗設備里得到證明。后來福田秀雄等人又在更大的試驗設備里(從100L到42m3)對Richards的關系式加以修正。這是迄今為止獲得廣泛引用的一個比擬放大用的關系式。福田秀雄修正式：kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56vS0.7×10-9式中 Pg 攪拌器軸功率kd 以氧分壓差為推動力的體積溶氧系數mol/(mL.min.atm)N 攪拌轉速(r/min)V 裝液體積(m3)vS 空截面氣速(cm/min)Ni 攪拌渦輪只數6.4 發酵液的流變學性質對kLa的影響 6.4.1 流變學基礎

12、6.4.1.1 流變學的定義 流變學即Rheology，最初由賓漢倡導。它本是力學的一個分支，是研究物質在力作用下變形或流動的科學，除了力的作用外，力的作用時間對變形的影響也是研究內容之一。因此流變學中，物體的力學參數不僅有力、變形，還有時間。流變學的研究內容包括彈性力學和粘性流體力學。6.4.1.2 流動狀態方程（1） 粘性和粘度粘性是表現流體流動性質的指標。水和油都是很容易流動的液體。但當我們將水和油分別倒在玻璃平板上，就會發現水的攤開速度比油要快，也就是說，水比油更容易流動。這一現象說明油比水更粘。這種阻礙流體流動的性質稱為粘性。粘性從微觀上講，就是流體受力作用，其質點間相對運動時產生阻

13、力的性質。這種阻力來自內部分子運動和分子引力。粘性的大小用粘度來表示。根據變形的形式，粘度還可分為以下幾種。（2）剪切速率與剪切應力當流體在一定速度范圍內流動時，就會產生與流動方向平行的層流流動，流體內部在垂直于流動方向就會形成速度梯度。層與層之間存在著粘性阻力。yvvv+dv 取一微元單位進行分析：yxx+dxx 兩層間接觸面積 A 兩層間垂直距離 dy 下層流速 v 上層流速 v+dv 剪切變形時間 dt 剪切變形：dx 剪切變形用弧度表示：剪切速率表示單位時間內的剪切變形（用弧度表示）。剪切速率 剪切應力 表觀粘度 （3）流體狀態方程流動狀態方程反映的是應力與應變的關系。 6.4.1.3

14、 流體分類根據流動狀態方程中的有無和n的取值范圍，非牛頓流體可分如下幾類。 （1）牛頓型流體（ ，）流動狀態方程符合牛頓定律，即剪切應力與剪切速率成正比的流體，即。嚴格地講理想的牛頓流體沒有彈性，且不可壓縮，各向同性。因此自然界中完全的牛頓型流體是不存在的，只能把在一定范圍內，基本符合牛頓流動定律的液體按牛頓流體處理。（2）非牛頓型流體a. 假塑性流體 （) b. 脹塑性流體 （）典型例子：生淀粉糊。當給淀粉中加入水，混合成糊狀后，緩慢傾斜容器，淀粉糊會像液體那樣流動。但如果施加更大的剪切應力，如用力快速攪拌淀粉，那么淀粉稀糊反而會變“硬”，失去流動的性質。如果用筷子迅速攪動，甚至阻力會使筷子

15、折斷。c. 塑性流體 （）賓漢流體非賓漢流體6.4.2 發酵液的流變學性質對kLa的影響 對于真實的發酵液，無論是牛頓型或非牛頓型流體，隨著發酵過程的進行，kLa會受許多因素的綜合影響而變化。即使對于牛頓型發酵液，隨著基質的消耗，菌體的增殖以及代謝產物的積累，有關的物性參數都隨之變化，特別是絲狀菌發酵液情況的改變更為復雜化。有人證明，在亞硫酸鹽的水溶液中添加1.35%的死菌絲體，kLa下降50%。Brierley等證明當黑曲霉菌絲濃度達到2%時，kLa下降80%以上。有人曾對內孢霉菌的偽塑性發酵液(通用型發酵液)，當發酵進行到第50h，醪液呈高度偽塑性時，其kLa降低較牛頓型流體更為顯著。另外

16、，某些代謝過程中可能產生表面活性物質，如蛋白質之類，或者水中添加表面活性劑等，當超過一定濃度時，能使kL劇烈下降。據報道，鼓泡通氣條件下，水中添加硫酸月桂酸鈉10ppm，kLa下降45%左右；在渦輪攪拌罐中添加SLS4ppm，kLa凈增15%。當菌體的對數生長期到來時，菌體的耗氧速率大增，將導致原有供氧、耗氧平衡破壞，有可能使液內溶氧降低至臨界濃度以下。此時必須采取措施提高kLa。此時若不能及時提高kLa，使溶氧在臨界值以下停留了較長時間，很可能使生產完全失敗。此時溶氧濃度便會迅速自動回升，直至飽和，這標志著菌體的呼吸基本停止。6.5 提高kLa和NV的措施(1) 增加攪拌轉速N，以提高Pg，可有效提高kLa。(2) 增大通氣量Q，以提高vS。在原通氣量較低時，提高Q可以顯著提高kLa。但當Q原已很高時，進一步提高Q，Pg將隨之降低，其綜合效果將不會使kLa有明顯提高，甚至可能降低。有的調節措施是將兩者結合起來。(3) 提高C*，以提高NV。通入純氧，或在可能的條件下提高罐內操作壓力，均可提高C*。(4) 絲狀菌的急繁殖導致發酵液粘度的急劇上升和kLa的急劇下降。過分地提高