6 生物反應(yīng)器中的氧傳遞.doc

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1、6生物反應(yīng)器中的氧傳遞教學(xué)基本內(nèi)容：氧傳遞基本理論－雙膜理論；體積溶氧系數(shù)kLa的三種測定方法；設(shè)備參數(shù)及操作變數(shù)對體積溶氧系數(shù)kLa的影響；發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)對體積溶氧系數(shù)kLa的影響；提高體積溶氧系數(shù)kLa和體積溶氧速率NV的措施。6.1雙膜理論6.2kLa的測定方法6.3kLa與設(shè)備參數(shù)及操作變數(shù)之間關(guān)系6.4發(fā)酵液的流變學(xué)性質(zhì)對kLa的影響6.5提高kLa和NV的措施授課重點(diǎn)：1.雙膜理論。2.設(shè)備參數(shù)及操作變數(shù)對體積溶氧系數(shù)kLa的影響。3.發(fā)酵液的流變學(xué)性質(zhì)對kLa的影響。4.提高體積溶氧系數(shù)kLa和體積溶氧速率NV的措施。難點(diǎn)：1.雙膜理論2流變學(xué)理論本章主要教學(xué)要求：1.理

2、解雙膜理論。2.掌握影響kLa的影響因素，包括設(shè)備參數(shù)和操作變數(shù)，及發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)。3.熟悉提高體積溶氧系數(shù)kLa和體積溶氧速率NV的主要措施。6生物反應(yīng)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(tài)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(fā)酵液中溶解度更低，每升發(fā)酵液中菌體數(shù)一般為108~109個，耗氧量非常大，如果終止供氧，幾秒鐘后發(fā)酵液中溶氧將降為零。因此，氧常常成為發(fā)酵過程的限制性基質(zhì)，解決好氧傳遞總是成為發(fā)酵過程的關(guān)鍵問題。工業(yè)生產(chǎn)中，將除菌后的空氣通入發(fā)酵液中，使之分散成細(xì)小的氣泡，盡可能增大氣泡接觸面積和接觸時間

3、，以促進(jìn)氧的溶解。氧的溶解實(shí)質(zhì)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(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的氣體分子與液膜內(nèi)的液體分子都處于層流狀態(tài)，分子間無對流運(yùn)動，氧的分子只能以擴(kuò)散方式，即靠濃度并差推動而穿過雙膜進(jìn)入液相主流。另外，氣泡內(nèi)膜以外的氣體分子處于湍流狀態(tài)，稱氣體主流，主流中的任一點(diǎn)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，氧的分壓強(qiáng)與溶于界面液膜中的氧濃度處于平衡關(guān)系。傳

4、質(zhì)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)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(wěn)定傳質(zhì)過程中，通過氣、液膜的傳氧速率N應(yīng)相等。(6-1)式中N：傳氧速率(kmol/m2.h)kg：氣膜傳質(zhì)系數(shù)[kmol/(m2.h.atm)]kL：液膜傳質(zhì)系數(shù)(m/h)設(shè)：P*為與液相主流中溶氧濃度C相平衡的氧的分壓強(qiáng)(atm)。C*為與氣相主流中氧的分壓強(qiáng)相平衡的氧的濃度(kmol/m3)。根據(jù)亨利定律：C*=P/H或P*=HCH為亨利常數(shù)，隨氣體及溶劑及溫度而異，它表示氣體溶

5、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(zhì)系數(shù)[kmol/(m2.h.atm)KL：以氧的濃度差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)(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(fā)酵罐進(jìn)氣氧分壓)，故以(C*-C)為推動力較方便?？倐髻|(zhì)系數(shù)KL與kg及kL的關(guān)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。由于輸送面積難于測量，N也是如此。另外kL也難于測量。在式3-3兩

6、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(shù)(h-1)NV及C*、C均易于測量，據(jù)此可算出kLa。kLa是表征發(fā)酵罐傳氧速率大小的參數(shù)。6.2kLa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(yīng)的速度幾乎與SO32-濃度無關(guān)。實(shí)際上是O2一經(jīng)溶入液相，立即就被還原掉。這種反應(yīng)特性使溶氧速率成為控制氧化反應(yīng)的因素。其反應(yīng)式如下：Cu2+2Na2SO3+O22Na2SO4剩余的Na2

7、SO3與過量的碘作用Na2SO3+I2+H2ONa2SO4+2HI剩余的I2用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3溶液滴定。I2+2Na2S2O3Na2S4O6+2NaIO2~Na2SO3~I2~Na2S2O31224可見，每溶解1molO2，將消耗2molNa2SO3，將少消耗2molI2，將多消耗4molNa2S2O3。因此可根據(jù)兩次取樣滴定消耗Na2S2O3的摩爾數(shù)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