生物反应中的物质传递幻灯片.ppt

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1、生物反应中的物质传递第1页，共44页，编辑于2022年，星期一n n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2页，共44页，编辑于2022年，星期一氧在传递过程中存在的传递阻力氧在传递过程中存在的传递阻力第3页，共44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氧从气相主体扩散到气液界面的阻力R1R1通过气液界面的阻力通过气液界面的阻力R R2 2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R R3 3液相主体中的传递阻力液相主体中的传递阻力R R4 4通过细胞或细

2、胞团外的滞流液膜，到达细胞团与液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体界面的阻力R R5 5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R R6 6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R R7 7进入细胞的阻力进入细胞的阻力R R8 8第4页，共44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5页，共44页，编辑于2022年，星期一 微生物反应是在液相中伴随着微生物生长发生的反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

3、底物以不同于液相的其它相加应。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。入时，整个反应体系便成为非均相体系。微生物反微生物反应体系中可找到气液、固液、液液等体系的物应体系中可找到气液、固液、液液等体系的物质传递实例。质传递实例。第6页，共44页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 微生物的氧消耗速度微生物的氧消耗速度 与氧需求与氧需求一、溶解氧一、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）。第7页，共44页，编辑于2022年，星期一 氧属于难溶性气体，其溶解度在10p

4、pm以下，气相中氧分压 的影响服从亨利定律（Henryslaw）为与 平衡时的氧溶解度 H亨利常数，第8页，共44页，编辑于2022年，星期一 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9页，共44页，编辑于2022年，星期一盐类效应: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10页，共44页，编辑于2022年，星期一二、氧的消耗速度二、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：碳源燃烧需氧量碳源燃烧需氧量=菌体燃烧需氧量菌体燃烧需氧量+氧消耗量氧消耗量+代谢产物燃烧需氧量代谢产物燃烧需氧量式中：

5、式中：第11页，共44页，编辑于2022年，星期一根据上式得：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12页，共44页，编辑于2022年，星期一n n氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为 n n如果氧的维持常数如果氧的维持常数n n如果碳源消耗于除菌体、水和如果碳源消耗于除菌体、水和COCO2 2外，不生成代谢产外，不生成代谢产物，则物，则 因此因此第13页，共44页，编辑于2022年，星期一氧消耗速度 为第14页，共44页，编辑于2022年，星期一课堂讨论n n微生物反应过程的传质有哪几种水平？什么是超细

6、胞传质？n n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15页，共44页，编辑于2022年，星期一三、QO2与DO的关系第16页，共44页，编辑于2022年，星期一在时，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17页，共44页，编辑于2022年，星期一四、伴随着生长的氧适应 一般，一般，DODO对微生物的生长速度和呼吸速度将产生影对微生物的生长速度和呼吸速度将产生影响。如果响。如果DODO变化，为了适应这种变化，代谢系统变化，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也随之而变化

7、，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。化，然而要将这些复杂的变化定量化是困难的。为为了了维维持持需需氧氧代代谢谢，常常常常控控制制一一定定的的培培养养条条件件，使使DODO保持在保持在以上。以上。第18页，共44页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 气体吸收气体吸收n n气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶解的物质传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。递过程。n n物质传递速率的机理主要模型有：物质传递速率的机理主要模型有：WhitmanWhitman的稳定模型（的稳定模型（19231923年提出）年提出）双膜学说双膜学说（two-filmt

8、heorytwo-filmtheory）HigbieHigbie的不稳定模型（的不稳定模型（19351935年提出）年提出）渗透学说渗透学说（penetration theorypenetration theory）第19页，共44页，编辑于2022年，星期一一、稳定模型三种假定：三种假定：1.1.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，溶溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。2 2溶溶解解气气体体在在两两界界膜膜内内的的浓浓

9、度度分分布布与与时间无关（稳定状态）。时间无关（稳定状态）。3 3在在界界面面处处，气气相相中中的的分分压压与与液液相相中中的的浓浓度度之之间间常常常常达达到到平平衡衡，在在那那里里完完全全不存在物质传递的阻力。不存在物质传递的阻力。第20页，共44页，编辑于2022年，星期一第21页，共44页，编辑于2022年，星期一 通过气膜的传氧推动力为通过气膜的传氧推动力为 ，继续通过液膜时推动，继续通过液膜时推动力为力为 。在稳定传质过程中，通过两膜的传氧速。在稳定传质过程中，通过两膜的传氧速率率N N应相等应相等.因因p pi i和和c ci i均无法测量，故此式无实用价值。均无法测量，故此式无实

10、用价值。第22页，共44页，编辑于2022年，星期一令：根据亨利定律：根据亨利定律：仿照热力学的方法，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：分推动力，把上式改写为：式中：式中：第23页，共44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，气膜传递阻力与液膜传递阻力相比可忽略，即 ，因此第24页，共44页，编辑于2022年，星期一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25页，共44页，编辑于2022年，星期一二、不稳定模

11、型n n该模型是指气体不稳定地被吸收到不紊乱的液体（即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，则在稳定分子扩散的吸收，则在0-t0-t时间内平均吸收速率时间内平均吸收速率N N可用下式表示：可用下式表示：第26页，共44页，编辑于2022年，星期一三、影响的因子 需氧微生物反应器的性能，用体积溶氧

12、系数表示，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。体积溶氧系数高的设备性能好。为了提高性能，只要增加为了提高性能，只要增加k kL L或或a a就可以了。就可以了。一一般般k kL L受受液液体体流流动动状状态态的的影影响响，可可是是在在实实际际设设备备中中其其依依赖赖性性不不强强。因因此此，决决定定k kL La a值值大大小小主主要要是是a a值值的的大小。大小。第27页，共44页，编辑于2022年，星期一第28页，共44页，编辑于2022年，星期一n n直径在0.8mm以下的气泡犹如钢体球的性质，用下式表示：n n气泡直径在2.5mm以上，气泡变形成为旋转

13、椭圆体，界面变动的结果，kL增大，用下式表示：第29页，共44页，编辑于2022年，星期一上两式中：Sherwood数：Grashof数：Schmidt数：第30页，共44页，编辑于2022年，星期一 值与气体负荷值与气体负荷H Hu u成正比例，与平均气泡直径成正比例，与平均气泡直径d dG G成反比，三成反比，三者之间存在下列关系：者之间存在下列关系：设设不不通通气气时时的的液液体体深深度度为为h hw w，通通气气时时的的液液体体深深度度为为h ha a，为为了了与与 的定义基准相配合，的定义基准相配合，H Hu u可按下式定义：可按下式定义：d dG G可按下式定义：可按下式定义：n

14、ni i是直径为是直径为d dGiGi的气泡个数的气泡个数 第31页，共44页，编辑于2022年，星期一四、体积溶氧系数的测定方法 氧气吸收的体积传递系数，可采用下列几种方氧气吸收的体积传递系数，可采用下列几种方 法测定：法测定：亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法极谱法极谱法氧的物料衡算法氧的物料衡算法溶氧电极法溶氧电极法第32页，共44页，编辑于2022年，星期一亚硫酸盐氧化法（经典方法经典方法）n n原理：常用常用NaNa2 2SOSO3 3，它在溶液中浓度，它在溶液中浓度1M1M左右时，左右时，在相当大的范围内，并在在相当大的范围内，并在CuCu2+2+存在时，被氧化的速存在时，被氧化的速度很

15、快，氧溶解速度控制了氧化反应。度很快，氧溶解速度控制了氧化反应。第33页，共44页，编辑于2022年，星期一每分钟溶解氧的摩尔数：第34页，共44页，编辑于2022年，星期一n n用亚硫酸盐氧化法测体积溶氧系数kLa将实验测定的将实验测定的N Nv v代入代入式可算出式可算出k kL La a。在整个氧化过程中，溶液中溶氧的浓度为在整个氧化过程中，溶液中溶氧的浓度为0 0，即即C=0C=0。在亚硫酸盐氧化法的具体条件下，规定。在亚硫酸盐氧化法的具体条件下，规定 。已知：已知：第35页，共44页，编辑于2022年，星期一溶氧电极法优点：优点：耐高温耐高温连续测量连续测量1、原理：把溶解氧转化为电

16、流信号。阳极：阳极：阴极：阴极：电流直接指示溶解氧浓度。电流直接指示溶解氧浓度。第36页，共44页，编辑于2022年，星期一氧的流动速率：氧的流动速率：第37页，共44页，编辑于2022年，星期一要求材料透氧能力越小越好要求材料透氧能力越小越好 第38页，共44页，编辑于2022年，星期一2应用溶氧电极测定通气搅拌系统的体积传氧系数通气搅拌系统的体积传氧系数 为溶解氧积累为溶解氧积累A A点：点：B B点：点：第39页，共44页，编辑于2022年，星期一连续培养时，也可求 值：稳态时稳态时 可由通气进出口的氧分压差求得：可由通气进出口的氧分压差求得：第40页，共44页，编辑于2022年，星期一

17、3、根据电极显示值求C值当总压为当总压为1bar1bar，温度为，温度为2020时，时，将水蒸汽分压忽略，则将水蒸汽分压忽略，则 相应的浓度可根据相应的浓度可根据HenryHenry定律计算：定律计算：第41页，共44页，编辑于2022年，星期一温度温度T=30T=30时水中氧的亨利常数时水中氧的亨利常数液相氧的饱和浓度值液相氧的饱和浓度值 将电极显示值将电极显示值E(%E(%饱和饱和)换算成氧浓度为换算成氧浓度为若若E=100E=100，则，则 第42页，共44页，编辑于2022年，星期一测定测定 的三个用途的三个用途n n1 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佳条件进行操作，并对其进行评价。最佳条件进行操作，并对其进行评价。n n2 2对对发发酵酵过过程程传传氧氧情情况况进进行行了了解解，以以便便判判断断发发酵酵过过程程的供氧情况。的供氧情况。n n3 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，Q Q）与与 的的关关系系，以以便便进进行行通通用用发发酵罐的放大和合理设计。酵罐的放大和合理设计。第43页，共44页，编辑于2022年，星期一课堂讨论n n是什么参数，其单位是什么？n n测定的常用方法有哪些？第44页，共44页，编辑于2022年，星期一