6 生物反应器中的氧传递.doc

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1、6生物反应器中的氧传递教学基本内容：氧传递基本理论－双膜理论；体积溶氧系数kLa的三种测定方法；设备参数及操作变数对体积溶氧系数kLa的影响；发酵液流变学性质对体积溶氧系数kLa的影响；提高体积溶氧系数kLa和体积溶氧速率NV的措施。6.1双膜理论6.2kLa的测定方法6.3kLa与设备参数及操作变数之间关系6.4发酵液的流变学性质对kLa的影响6.5提高kLa和NV的措施授课重点：1.双膜理论。2.设备参数及操作变数对体积溶氧系数kLa的影响。3.发酵液的流变学性质对kLa的影响。4.提高体积溶氧系数kLa和体积溶氧速率NV的措施。难点：1.双膜理论2流变学理论本章主要教学要求：1.理

2、解双膜理论。2.掌握影响kLa的影响因素，包括设备参数和操作变数，及发酵液流变学性质。3.熟悉提高体积溶氧系数kLa和体积溶氧速率NV的主要措施。6生物反应器中的氧传递微生物只能利用溶解于水中的氧，不能利用气态的氧。而氧是难溶气体，在1atm下、20ºC时，氧在纯水中的溶解度为0.21mmol/L，在发酵液中溶解度更低，每升发酵液中菌体数一般为108~109个，耗氧量非常大，如果终止供氧，几秒钟后发酵液中溶氧将降为零。因此，氧常常成为发酵过程的限制性基质，解决好氧传递总是成为发酵过程的关键问题。工业生产中，将除菌后的空气通入发酵液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气泡接触面积和接触时间

3、，以促进氧的溶解。氧的溶解实质上是气体吸收过程，是由气相向液相传递的过程。因此这一过程可用气体吸收的基本理论，即双膜理论加以阐明。6.1双膜理论液相气相气膜液膜这是一个放大的气泡，在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子与液膜内的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，氧的分子只能以扩散方式，即靠浓度并差推动而穿过双膜进入液相主流。另外，气泡内膜以外的气体分子处于湍流状态，称气体主流，主流中的任一点氧分子的浓度相等。液体主流也是如此。在双膜之间的两相界面上，氧的分压强与溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系。传

4、质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。P液膜气膜Ci气相主流液相主流PiC传氧方向6-1气体吸收双膜理论图解从图中可以看出，通过气膜的传氧推动力为P-Pi，通过液膜时推动力为Ci-C。在稳定传质过程中，通过气、液膜的传氧速率N应相等。(6-1)式中N：传氧速率(kmol/m2.h)kg：气膜传质系数[kmol/(m2.h.atm)]kL：液膜传质系数(m/h)设：P*为与液相主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强(atm)。C*为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的浓度(kmol/m3)。根据亨利定律：C*=P/H或P*=HCH为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体溶

5、于溶剂的难易。氧难溶于水，H值很大。将气膜、液膜作为一个整体考虑，则N=KG(P-P*)=KL(C*-C)(6-2)式中KG：以氧的分压差为总推动力的总传质系数[kmol/(m2.h.atm)KL：以氧的浓度差为总推动力的总传质系数(m/h)溶氧浓度C较易于测量，C*可以用公式C*=P/H算出(P为发酵罐进气氧分压)，故以(C*-C)为推动力较方便。总传质系数KL与kg及kL的关系如下：氧气H值很大，因此kLKL所以N=kL(C*-C)(6-3)这说明氧气溶于水的速率是液膜阻力控制的。式5-3是单位界面上的每小时的传氧量。由于输送面积难于测量，N也是如此。另外kL也难于测量。在式3-3两

6、边各乘以a，a为单位体积液体中气液两相的总界面积(m2/m3)，则得：NV=kLa(C*-C)式中NV：体积溶氧速率(kmol/m3.h)kLa：以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数(h-1)NV及C*、C均易于测量，据此可算出kLa。kLa是表征发酵罐传氧速率大小的参数。6.2kLa的测定方法(1)亚硫酸钠氧化法原理：以Cu为催化剂，溶解于水中的O2能立即将水中的SO32-氧化为SO42-，其氧化反应的速度几乎与SO32-浓度无关。实际上是O2一经溶入液相，立即就被还原掉。这种反应特性使溶氧速率成为控制氧化反应的因素。其反应式如下：Cu2+2Na2SO3+O22Na2SO4剩余的Na2

7、SO3与过量的碘作用Na2SO3+I2+H2ONa2SO4+2HI剩余的I2用标准Na2S2O3溶液滴定。I2+2Na2S2O3Na2S4O6+2NaIO2~Na2SO3~I2~Na2S2O31224可见，每溶解1molO2，将消耗2molNa2SO3，将少消耗2molI2，将多消耗4molNa2S2O3。因此可根据两次取样滴定消耗Na2S2O3的摩尔数之差，计算体积溶氧速率。公式如下：式中NV：两次取样滴定消耗Na2S2O3体积之