生物反應中的物質傳遞

生物反應中的物質傳遞第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一對于需氧的微生物反應，還存在一個氧從氣相通過擴散進入液相，進而又經(jīng)擴散進入絮凝體內部供給細胞進行呼吸的傳遞過程

第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一氧在傳遞過程中存在的傳遞阻力

第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一①

氧從氣相主體擴散到氣－液界面的阻力R1②

通過氣－液界面的阻力R2③

通過氣泡外測的滯流液膜，到達液相主體的阻力R3④

液相主體中的傳遞阻力R4⑤

通過細胞或細胞團外的滯流液膜，到達細胞團與液體界面的阻力R5⑥

通過液體與細胞團之間界面的阻力R6⑦

細胞團內在細胞與細胞之間的介質中的擴散阻力R7⑧

進入細胞的阻力R8第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一①～④項屬供氧方面的阻力；⑤～⑧項為耗氧方面的阻力。當單個細胞以游離狀態(tài)懸浮于液體中時第⑦項阻力消失

第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一微生物反應是在液相中伴隨著微生物生長發(fā)生的反應。如果參與反應的底物以不同于液相的其它相加入時，整個反應體系便成為非均相體系。微生物反應體系中可找到氣－液、固－液、液－液等體系的物質傳遞實例。

第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

第一節(jié)

微生物的氧消耗速度

與氧需求

一、溶解氧

溶解氧是直接影響微生物的環(huán)境因素。DO直接參與微生物消耗底物以及菌體生長所必要的代謝反應，應該把溶解氧看作是一種營養(yǎng)源（底物）。

第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一氧屬于難溶性氣體，其溶解度在10ppm以下，氣相中氧分壓的影響服從亨利定律（Henry’slaw）為與平衡時的氧溶解度

H－亨利常數(shù)，第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

下圖表示與1atm空氣（空氣+飽和水蒸汽）相平衡的純水中的DO與H和溫度的關系。

第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一鹽類效應

:氣體在鹽水溶液中的溶解度比在純水中的要小。用Setchnow式表示：第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一二、氧的消耗速度微生物反應總的需氧量是與以燃燒反應為基準的物料平衡也有關系：碳源燃燒需氧量=菌體燃燒需氧量+氧消耗量+代謝產(chǎn)物燃燒需氧量式中：第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)上式得：上式缺乏速度概念。由于投入動力與氧的需要速度有一定關系，從工程學角度來說氧需求的速度更為重要。

第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一氧比消耗速度（呼吸速度）的關系式為

如果氧的維持常數(shù)如果碳源消耗于除菌體、水和CO2外，不生成代謝產(chǎn)物，則

因此

第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一氧消耗速度為第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一課堂討論微生物反應過程的傳質有哪幾種水平？什么是超細胞傳質？氧氣的溶解度受哪些因素的影響？為什么氧在微生物培養(yǎng)基中的溶解度更低？第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一三、QO2與DO的關系

第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一在<時，對DO的依賴性可認為是由呼吸酶表面的氧不飽和所引起的，多數(shù)情況近似于米氏方程式：由于，上式積分得：

第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一四、伴隨著生長的氧適應

一般，DO對微生物的生長速度和呼吸速度將產(chǎn)生影響。如果DO變化，為了適應這種變化，代謝系統(tǒng)也隨之而變化，因此代謝產(chǎn)物生成速度也發(fā)生變化，然而要將這些復雜的變化定量化是困難的。為了維持需氧代謝，常?？刂埔欢ǖ呐囵B(yǎng)條件，使DO保持在以上。

第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)氣體吸收

氣體吸收是氣相成分單向往液相擴散溶解的物質傳遞過程。

物質傳遞速率的機理主要模型有：

Whitman的穩(wěn)定模型（1923年提出）—雙膜學說（two-filmtheory）

Higbie的不穩(wěn)定模型（1935年提出）—滲透學說（penetrationtheory）第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一一、穩(wěn)定模型

三種假定：1.

在氣、液兩相的主流內，溶解氣體主要通過對流傳遞，可是沿著氣液界面的氣、液兩側各存在著層流薄膜，溶質氣體只靠分子擴散在兩界膜內移動。2．溶解氣體在兩界膜內的濃度分布與時間無關（穩(wěn)定狀態(tài)）。3．在界面處，氣相中的分壓與液相中的濃度之間常常達到平衡，在那里完全不存在物質傳遞的阻力。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一通過氣膜的傳氧推動力為，繼續(xù)通過液膜時推動力為。在穩(wěn)定傳質過程中，通過兩膜的傳氧速率N應相等.

因pi和ci均無法測量，故此式無實用價值。第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一令：根據(jù)亨利定律：仿照熱力學的方法，

用總傳質系數(shù)代替分傳質系數(shù)，用總的傳質推動力代替分推動力，把上式改寫為：式中：第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一總傳質系數(shù)分別與膜傳質系數(shù)的關系為

對于氧的難溶于水來說，氣膜傳遞阻力與液膜傳遞阻力相比可忽略，即，因此

第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一－單位體積培養(yǎng)液中氣液兩相的總界面積(m2/m3)

，上式兩邊各乘以，則得：第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一二、不穩(wěn)定模型

該模型是指氣體不穩(wěn)定地被吸收到不紊亂的液體（即靜止或層流流動的液體）中的情況。如果含有某一溶解氣體的氣相與某液體相接觸時，則液側界面近傍的濃度分布隨時間變化，不成為穩(wěn)定狀態(tài)。若只考慮不穩(wěn)定分子擴散的吸收，則在0-t時間內平均吸收速率N可用下式表示：

第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一三、影響的因子

需氧微生物反應器的性能，用體積溶氧系數(shù)表示，體積溶氧系數(shù)高的設備性能好。為了提高性能，只要增加kL或a就可以了。一般kL受液體流動狀態(tài)的影響，可是在實際設備中其依賴性不強。因此，決定kLa值大小主要是a值的大小。

第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一直徑在0.8mm以下的氣泡猶如鋼體球的性質，用下式表示：氣泡直徑在2.5mm以上，氣泡變形成為旋轉橢圓體，界面變動的結果，kL增大，用下式表示：

第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一上兩式中：

Sherwood數(shù)：

Grashof數(shù)：

Schmidt數(shù)：

第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

值與氣體負荷Hu成正比例，與平均氣泡直徑dG成反比，三者之間存在下列關系：設不通氣時的液體深度為hw，通氣時的液體深度為ha，為了與的定義基準相配合，Hu可按下式定義：dG可按下式定義：ni是直徑為dGi的氣泡個數(shù)

第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一四、體積溶氧系數(shù)的測定方法

氧氣吸收的體積傳遞系數(shù)，可采用下列幾種方法測定：①亞硫酸鹽氧化法②極譜法③氧的物料衡算法④溶氧電極法第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一㈠亞硫酸鹽氧化法（經(jīng)典方法）

原理：常用Na2SO3，它在溶液中濃度1M左右時，在相當大的范圍內，并在Cu2+存在時，被氧化的速度很快，氧溶解速度控制了氧化反應。

第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一每分鐘溶解氧的摩爾數(shù)：

第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一用亞硫酸鹽氧化法測體積溶氧系數(shù)kLa將實驗測定的Nv代入式可算出kLa。在整個氧化過程中，溶液中溶氧的濃度為0，即C=0。在亞硫酸鹽氧化法的具體條件下，規(guī)定。已知：∴

第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一㈡溶氧電極法

優(yōu)點：①耐高溫②連續(xù)測量1、原理：把溶解氧轉化為電流信號。陽極：陰極：電流直接指示溶解氧濃度。

第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一氧的流動速率：

第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

要求材料透氧能力越小越好

第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2．應用溶氧電極測定

通氣攪拌系統(tǒng)的體積傳氧系數(shù)為溶解氧積累A點：B點：

第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一連續(xù)培養(yǎng)時，也可求值

：穩(wěn)態(tài)時可由通氣進出口的氧分壓差求得：

第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一3、根據(jù)電極顯示值求C值

當總壓為1bar，溫度為20℃時，將水蒸汽分壓忽略，則相應的濃度可根據(jù)Henry定律計算：

第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一溫度T=30℃時水中氧的亨利常數(shù)液相氧的飽和濃度值

將電極顯示值E(%飽和)換算成氧濃度為若E=100，則

第42頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一測定的三個用途

1．對生物反應器的傳氧