生物反应器中的物质传递幻灯片.ppt

生物反应器中的物质传递生物反应器中的物质传递第1页，共19页，编辑于2022年，星期一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2页，共19页，编辑于2022年，星期一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3页，共19页，编辑于2022年，星期一氧在传递过程中存在的传递阻力 第4页，共19页，编辑于2022年，星期一 氧从气相主体扩散到气液界面的阻力通过气液界面的阻力通过气液界面的阻力通过气泡外测的滞流液膜，到达液相主体的阻力通过气泡外测的滞流液膜，到达液相主体的阻力液相主体中的传递阻力液相主体中的传递阻力通通过过细细胞胞或或细细胞胞团团外外的的滞滞流流液液膜膜，到到达达细细胞胞团团与与液液体体界界面的阻力面的阻力通过液体与细胞团之间界面的阻力通过液体与细胞团之间界面的阻力细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力进入细胞的阻力进入细胞的阻力第5页，共19页，编辑于2022年，星期一项属供氧方面的阻力；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项阻力消失第6页，共19页，编辑于2022年，星期一1.微生物的氧消耗速度与氧的需求 溶解氧溶解氧 气相中氧分压的影响服从亨利定律气相中氧分压的影响服从亨利定律 （HenryHenryslawslaw）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7页，共19页，编辑于2022年，星期一氧的消耗速度 氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为 如果如果如果碳源消耗于菌体、水和如果碳源消耗于菌体、水和COCO2 2外，不生成代谢产物，外，不生成代谢产物，则则 因此因此第8页，共19页，编辑于2022年，星期一氧消耗速度 为第9页，共19页，编辑于2022年，星期一2.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。程。物质传递速度的机理，主要模型有根据WhitemanWhiteman建议的稳定模型（建议的稳定模型（19231923年提出）与HigbieHigbie提供的不稳提供的不稳定模型（定模型（19351935年提出），前者以双膜学说（年提出），前者以双膜学说（two-filmtwo-filmtheorytheory）著称。）著称。后者以渗透学说（后者以渗透学说（penetrationtheorypenetrationtheory）而闻名。从工程学角度说，前者简便，主要适用于）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。需氧微生物的反应器设计。第10页，共19页，编辑于2022年，星期一稳定模型稳定模型 三种假定：三种假定：1.在在气气、液液两两相相的的主主流流内内，溶溶解解气气体体主主要要通通过过对对流流传传递递，可可是是沿沿着着气气液液界界面面的的气气、液液两两侧侧各各存存在在着着层层流流薄薄膜膜，溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。2溶溶解解气气体体在在两两界界膜膜内内的的浓浓度度分分布布与与时时间间无无关关（稳稳定定状态）。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11页，共19页，编辑于2022年，星期一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12页，共19页，编辑于2022年，星期一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13页，共19页，编辑于2022年，星期一总传质系数 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14页，共19页，编辑于2022年，星期一不稳定模型不稳定模型 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15页，共19页，编辑于2022年，星期一影响影响 的因子的因子 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16页，共19页，编辑于2022年，星期一体积溶氧系数的测定方法体积溶氧系数的测定方法亚硫酸盐氧化法极谱法氧的物料衡算法溶氧电极法第17页，共19页，编辑于2022年，星期一应用溶氧电极测定 通气搅拌系统的体积传氧系数 为溶解氧积累第18页，共19页，编辑于2022年，星期一测定的三个用途 1 1对对生生物物反反应应器器的的传传氧氧性性能能进进行行测测定定，以以便便选选择择最最佳条件进行操作，并对其进行评价。佳条件进行操作，并对其进行评价。2 2对对发发酵酵过过程程传传氧氧性性情情况况进进行行了了解解，以以便便判判断断发发酵过程的供氧情况。酵过程的供氧情况。3 3。为为通通风风罐罐的的研研究究过过程程找找出出设设备备参参数数（如如），操操作作变变数数（如如N N搅搅拌拌器器转转数数 QQ通通风风量量）与与的的关关系，以便进行运用发酵罐的放大和合理设计系，以便进行运用发酵罐的放大和合理设计第19页，共19页，编辑于2022年，星期一