第七章气液质量传递ppt课件

1、第 七 章 气 液 质 量 传 递. 微生物反响体系中气液传质举例 需氧培育中的氧传送 以气态烃为碳源的微生物的培育 光合微生物培育中O2和CO2 的传送 氢利用菌中H2、O2、CO2的传送 固氮微生物对N2的利用 在好气性微生物反响中，传质的关键性问题是氧的传送。.第一节 氧的溶解和微生物的耗氧.一、 氧在液体中的溶解1、溶解氧DO; Dissolved Oxygen) 作为环境要素对微生物反响有直接影响； 被好氧性微生物吸收耗费，并直接参与生长代谢过程，可视为一种营养性底物。. 难溶：25C、一个大气压，空气中的O2在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶解度更低

2、。 对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体积为10-16 m3，细胞的呼吸强度为2.610-3 molO2/(kgs)，菌体密度为1000 kg/m3，含水量80%，那么每立方米培育液的需氧量为： 10-16101510000.2 2.610-3 =0.052 molO2/(m3s) 0.25 0.052 = 4.8 (s) 培育液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必需延续通气。.氧的饱和浓度单位：mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大气压 气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相中的浓度，就会到达动态平衡，此时溶解到溶液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子

3、数。假设外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此浓度为饱和浓度或平衡浓度2、饱和浓度.3、影响饱和浓度值的要素1温度 随着温度升高，气体分子运动加快，使饱和浓度下降。 在1个大气压及不同温度 下纯氧在水中的溶解度mmol/L)温度 （C） 溶解度 0 2.18 10 1.70 15 1.54 20 1.38 25 1.26 30 1.16 35 1.09 40 1.03. 当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度的影响也可用以下阅历公式来计算适用浓度为433C)C* = 14.68/ (31.6 + t)C* -与1个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度，mol/m3t-

4、 溶液的温度，C .2 溶液的性质溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度是不同的。溶质浓度：通常浓度越高，溶解度越低溶液浓度mol/L 盐酸 硫酸 氯化钠 0 1.26 1.26 1.26 0.5 1.21 1.21 1.07 1.0 1.16 1.12 0.89 2.0 1.12 1.02 0.71在25、一个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol/L)发酵液中的DO比纯水中的 DO要小. 在系统总分压小于5个大气压的情况下，氧的溶解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用Henry定律表示： C* = PO2/H3氧分压C* 与气相PO2达平衡时溶液中的氧浓度，mm

5、olO2/LPO2 氧分压， PaH Henry常数与溶液性质、温度等有关，PaL/mmolO2气相中氧浓度添加，溶液中溶氧浓度亦随之添加，必要时可向发酵液中通入纯氧以提高溶氧。.二、微生物的摄氧率摄氧率OUR; Oxygen Utilization Ratio) - 单位时间内单位体积培育液中微生物摄取氧的量。记作 rO2 (mmol/Lh)rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度、培育液成分及浓度的不同而异。rO2值的范围普通在 25100 mmol/Lh.比耗氧速率-相对于单位质量的干菌体在单位时间内所耗费的氧量。也称谓吸强度；用QO2表示 (mmol O2 /g h) 因菌种和反响

6、条件而异，普通在1.515 mmol /g h. 在分批培育中，rO2和X随时间而变化，QO2也随时间变化。在对数生长期的后期，rO2到达最大值rO2max。由rO2max和稳态下的Xst可求得QO2max。 在恒化器延续培育的定常态下，rO2可表示为： rO2=QO2X 由于QO2是的函数，而是底物如O2)的函数，因此微生物的QO2与培育液中的DO的函数关系可表示为 QO2= QO2max DO/(Ko+DO).QO2随DO的添加而升高；当DO添加 到一定值时，QO2不再添加.临界溶氧浓度 -当不存在其他限制性基质时，假设溶氧浓度高于某定值，细胞的比耗氧速率坚持恒定；假设溶氧浓度低于该值，细

7、胞的比耗氧速率就会大大下降；那么该值即为临界溶氧浓度。DOcri 在好氧微生物反响中，普通取 DO DOcri以保证反响的正常进展。 微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1%25%.微生物 临界氧浓度 温度（）固氮菌 1.8-4.910-2 30大肠杆菌 8.210-3 37粘质沙雷氏菌 1.510-2 31假单胞菌 910-3 30酵母 4.610-3 34.5产黄青霉 2.210-2 24米曲霉 2.010-3 30一些微生物的呼吸临界氧浓度.三、影响微生物需氧量的要素1、微生物种类种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同2、培育基的组成与浓度培育基的组成对菌种的需氧量有显著的影响

8、，碳源的种类和浓度影响尤为显著。普通而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度的添加而添加。3、菌龄 不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程度也不同；普通菌龄低者，呼吸强度高。 例如；菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高4、培育条件 pH、温度等 普通温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高 5、有毒产物的构成及积累CO2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸作用亲密相关。CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因此发酵过程中不及时将培育液中的CO2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌的代谢。.第二节 培育液中氧的传送. 在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在发

9、酵液中，然后传送到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。 这是一系列的传送过程，这些传送过程又可分为供氧及耗氧两个方面。一、氧传送的阻力.氧传送的各种阻力表示图供氧阻力耗氧阻力.氧传送过程中各项阻力的表示图.供氧方面 包括经过气膜、气-液界面、液膜及液体主流的分散耗氧方面 包括氧分子自液体主流经过液膜、菌丝丛、细胞膜及细胞内的分散。氧传送可分供氧和耗氧两个方面：氧分子在一系列的分散中，各步均有一推进力氧的分压或浓度差来抑制各自的阻力。.1、供氧方面的阻力1气膜阻力 1/k1 ; 1/KG：为气体主流及气-液界面的气膜阻力，与空气情况有关。2 气液界面阻力1/k2；1/KI：与空气情况有关，只需具备高能

10、量的氧分子才干透到液相中去，而其他的那么前往气相。3液膜阻力1/k3; 1/KL ：为从气-液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。4液流阻力1/k4; 1/KLB：液体主流中传送的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。.2、耗氧方面的阻力1细胞周围液膜阻力1/k5; 1/KLC 与发酵液的成分和浓度有关。2菌丝丛或团内的分散阻力1/k6; 1/KA 与微生物的种类、生理特性形状有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。3细胞膜的阻力1/k7; 1/KW： 与微生物的生理特性有关。4细胞内反响阻力1/k8; 1/KR 氧分子与细胞内呼吸酶系反 应时的阻力

11、；与微生物的种类、生理特性有关。.1/k1 、1/k2与空气情况有关1/k3 、1/k4 、1/k5与发酵液成分、浓度有关1/k6 、1/k7 、1/k8与微生物的种类、特性、生理形状有关氧在传送过程中，需损失推进力以抑制上述阻力，过程中需抑制的 总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：R = 1/k1 +1/k2 +1/k3 +- +1/k81/Kt = 1/KG + 1/KI + 1/KL + 1/KLB + 1/KLC + 1/KIS + 1/KA + 1/KW + 1/KR. 供氧方面 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力1/k3 ; 1/KL 是氧溶于水时的限制要素。 良好的搅拌使

12、气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少1/k3、1/k4，加速氧的传送。.耗氧方面 实验和计算证明，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，即1/k5很小；而菌丝丛或菌丝团的阻力1/k6对菌丝体的摄氧才干影响显著。 在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。 在搅拌和合理的 工艺条件下，结团景象减少，因此能降低1/k6。 1/k8与微生物生长及代谢的条件有关，假设生长条件适宜，代谢产物能及时移去，那么1/k8就会减少，否那么就会增大。. 当氧的传送到达稳态时，总的传送速率与串联的各步传送速率相等，这时经过单位体积的传送速率为：nO2 = =推进力阻力Pi1/K inO2 氧的传送通量 (传

13、送速率) ，mol/(m3s)Pi 各阶段的推进力分压差，Pa1/K i 各阶段的传送阻力，Ns/molnO2 = = = = = C C 1 C 2 C 8 K 1/k1 1/k2 1/k8.二、气液相间的氧传送和氧传质方程式氧传送的主要阻力存在于气膜和液膜中.气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化.当气液传送过程处于稳态时，经过液膜和气膜的传送速率相等，即：nO2 = = = = ppI1/KGpp*1/KGCICL1/KLC*CL1/KLp 气体主体氧分压，Pa ; pI 气液界面氧分压， PaCI 气液界面氧浓度， mol/m3 ; CL 液相主体氧浓度， mol/m3 p* 与CL平衡

14、的气相氧分压， Pa ; C* 与p平衡的液相氧浓度， mol/m3 KG 以氧分压为推进力的总传送系数, mol/(m2sPa)KL 以氧浓度为推进力的总传送系数，m/s.在稳定情况下，氧分子从气体主体分散到液体主体的传送速率可表示为：OTR = KL a ( C* CL ) OTR 单位体积培育液中的氧传送速率， mol/(m3s) a 比外表积， m2/m3 KL 以氧浓度为推进力的传送系数，m/s.G/ = KLa V (C* - CL)G -溶解于液体中的氧量，mmol - 气-液接触时间，h V - 培育液的体积，LCL - 液相中氧的浓度，mmol/LC* - 与气相中氧分压相平

15、衡的液相中的氧饱和浓度，mmol/LKL - 以浓度差表示推进力的传质系数氧传质系数，m/ha- 比外表积即单位体积的液体中所含的气-液接触面积，m2/m3 .氧传质方程：G/ = KLa V (C* - CL)OTR = KL a ( C* CL ).由于“a不易测得，因此常将 KLa作为一项来处置，称为体积氧传送系数或供氧系数，单位为 h-1微生物对氧的需求速率，也即使氧不成为发酵的限制要素而必需满足的供氧速率：G/ = QO2XV = r V OTR = rQO2 - 微生物的呼吸强度，mmol O2/g(干菌体)hX - 菌体浓度，g/LV - 培育液体积，L r - 培育物的摄氧率，

16、mmolO2/Lh . 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，那么：KLa (C* - CL) = QO2 X = rKLa =rC* - CL. 假设供氧速率大于需氧速率，即KLa (C* - CL) r，此时发酵液中溶解氧浓度CL会不断添加，趋近于C* 。 假设需氧速率大于供氧速率，那么CL 逐渐下降而趋向于零虽然此时通气和搅拌能够仍在进展. 由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时假定C* 在一定条件下也不变， KLa 越大，发酵液中溶解氧浓度CL也越大；所以可用KLa的大小来衡量发酵设备的通气效率。 KLa =rC* - CL. 实验室用的摇瓶和无搅拌

17、的鼓泡安装，其KLa值约为1100 h-1； 带搅拌的发酵罐，其KLa值约为2001000 h-1。.第三节 发酵液的流变特性. 微生物发酵液是由三个体系组成的，即液相、固相和气相 液相中有可溶性的营养物、可溶性盐类和微生物代谢产物；固相包括单个菌丝体或菌丝团菌丝丛、不溶性营养物和某些特殊的微生物代谢物；气相包括通入的无菌空气包括未溶解的氧、微生物代谢产生的CO2等气体、某些低分子量易挥发的物质等 由于微生物的代谢作用，发酵液中各种物质的组成不断变化，表现为发酵液的理化性质的不断变化，如固形物质的含量、发酵液的黏度、外表张力、离子强度等。 这些变化对三相体系之间的混合、氧的溶解速度、营养物质的

18、转移等均产生影响。.一、流体类型.在切向力作用下平行板内液体速度分布 在两块相互接近的平行板之间充溢液体，下板固定不动，给上板施加一作用力F，使上板以一定的速度运动。其中与上板接触的流体层以与上板一样的速度一同运动，与下板接触的流体那么坚持静止，中间各层因流体的内摩擦产生速度不等的平行运动，在流体层中产生速度 梯度。.剪应力 (shear stress) 单位流面子积上的切向力；F/A当剪应力与速度梯度成正比时，可用牛顿黏性定律来表示： 剪应力， N/m2 或 Pad /dx = 速度梯度或切变率(shear rate)，s1 液体黏度，(kgs)/m2 = d /dx= = / .牛顿型与非

19、牛顿型流体剪应力与切变率的关系1- 牛顿型流体2-平汉塑性流体3-拟塑性流体4-涨塑性流体5-凯松流体.牛顿型流体非牛顿型流体平汉塑性流体 拟塑性流体涨塑性流体 凯松流体.一 牛顿型 (Newtonian) 流体 1服从牛顿黏性定律；2剪应力与剪切速率之间呈直线关系；直线的斜率即为黏度 ；3黏度 只是温度的函数，与流变形状无关，因此是一常数。 也即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，且在发酵罐的全培育液中的任何部分的黏度一样。.二非牛顿型流体1不服从牛顿黏性定律2其黏度不是常数，它不仅是温度的函数，而且随流动形状而异，因此没有固定的黏度值。平汉塑性流体 拟塑性流体涨塑性流体 凯松流体3

20、根据剪应力与切变率间的关系，分为：.1、拟塑性pseudoplastic流体 主要特征是黏度随着剪应速率的增高而降低。 流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈凸形曲线关系，阐明剪切速率的添加，剪应力的添加随之减小，即添加流速会降低流体的粘性阻力。K 均匀度常数稠度系数， Pas n 流态指数 流态指数n 表示非牛顿流体性质的显著程度， n = 1为牛顿型流体； n 值偏离1愈远，非牛顿型流体性质愈显著。 = K n其流变特性可表示为：0n1. 拟塑性流体，在不同搅拌转速下，所显示出的黏度不同；在同一搅拌转速下，培育液中的剪应速率随着分开搅拌涡轮的径向间隔，按指数倍数降低，故分开涡轮的径向间

21、隔越远，黏度越高。 许多高分子化合物如黄原胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素等的水溶液，许多丝状菌如青霉、曲霉、链霉菌等的培育液都表现出拟塑性。.2、涨塑性dilatant流体 主要特征是黏度随着剪应速率的添加而增高。 流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈凹形曲线关系，阐明剪切速率的添加，剪应力也随之添加，流体的流动阻力随之加大。 = K n 其流变特性可表示为：n 1值越大，非牛顿特性就越显著。 链霉素、四环素、庆大霉素的前期发酵液，很稀的酵母悬浮液呈涨塑性。.3、平汉bingham塑性流体 主要特征是当剪应力小于屈服应力时，液体不发生流动，只需当剪应力超越屈服应力时才发生流动。 它的流态曲

22、线也呈直线，但不经过原点。 = 0 + 0 屈服应力(在纵轴上的截距) ，Pa 刚性系数， Pas 其流变特性可用下式表示:黑曲霉、产黄青霉、灰色链霉菌等丝状菌的发酵液呈平汉塑性。.4、凯松(Casson)流体 其流变特性可表示为：1/2 = C1/2 + KC 1/2C1/2 屈服应力，PaKC 凯松黏度, Pa1/2 s1/2有研讨阐明青霉素发酵液为凯松流体 剪应力与剪切速率的关系表现为一不经过原点的曲线。.非牛顿流体没有确定的黏度值，通常把一定切变率下剪应力与此切变率之比称为表观黏度(a) 。a = / 平汉塑性流体、拟塑性流体和凯松流体的表观黏度随切变率的增大而减小；涨塑性流体的表观黏

23、度那么随切变率的增大而增大。.发酵罐中的非牛顿流体的平均切变率与搅拌转速成正比： = N 平均切变率，s1N 搅拌器转速，s1 无因次常数 对于不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器，常数 值在10-13之间； 对于两层的涡轮浆式搅拌器可取11.5。. 产生菌 产物 流变学性质产黄青霉 青霉素 拟塑性盾壳霉 甾类羟化 平汉塑性诺尔斯氏链霉菌 制霉菌素 牛顿型雪白链霉菌 新生霉素 平汉塑性灰色链霉菌 链霉素 平汉塑性内孢霉 葡萄糖糖化酶 平汉塑性部分丝状菌发酵液的流变学性质二、发酵液的流变学不同的发酵液可呈不同的流体类型. 发酵液，特别是含有固形物数量较多的发酵液，往往表现为非牛顿流体特性

24、。 普通每升含有20克或更多的菌体和固形物的培育液，均呈现非牛顿型流体中的平汉塑性流体性质。放线菌摇瓶发酵菌丝球霉菌、放线菌的菌丝体在发酵中虽不呈典型的颗粒状，但错综复杂交错的网状菌丝丛和松散构造的菌丝球状体可看作是固形物。. 在发酵过程中，培育液流动模型参数会随着细胞浓度、形状的变化，培育基物质的耗费，代谢产物的积累以及补料等发生明显的变化，表现出时变性。发酵液的流变类型也可发生变化。如有人测得：链霉素发酵在24小时为塑性流体，发酵液黏度达90Pas；在48小时和96小时为牛顿性流体，其黏度为18Pas和38Pas。.第四节 影响供氧的要素.据氧传质方程OTR = KL a (C* - CL

25、) 或 G/ = KLa V (C* - CL) 影响供氧的主要要素是推进力(C* - CL) 和体积氧传送系数KLa。.一、 影响氧传送推进力的要素要提高推进力，只能设法提高C*或减少CL1、提高氧饱和浓度 C*要提高C*，可降低培育温度、提高氧分压和降低培育基浓度等。但这几方面局限性都很大2、降低溶氧浓度 CL 降低CL可经过减少空气流量等方法来到达，但溶氧浓度不能低于临解氧浓度。另外，减少空气流量本身会使KLa下降。.二、影响体积吸收系数KLa的要素1、搅拌作用：1把从空气管中引入发酵罐的空气打成碎泡，添加气-液接触面积“a,亦即添加氧的传送面积。2使液体构成涡流，从而延伸气泡在液体中的

26、停留时间。3添加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体主流中的流体阻力，从而增大KLa值。4) 减少菌丝结团景象，降低细胞壁外表的液膜阻力，改动细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围“废物和“废气的浓度，有利于微生物的代谢。.几种微生物在不同搅拌转速下发酵时的KLa、r和C*值 微生物 搅拌器转速 空气流速 KLa r C* r/min L/Lmin 1/h mg/Lh mg/LPs.ovalis 300 1.0 95 288 5.9 500 1.0 153 360 5.9 700 1.0 216 432 5.9啤酒酵母 300 1.0 90 576 6.7 500 1.0 169

27、720 6.7 700 1.0 219 864 6.7. 从上表可见，搅拌转速对KLa的影响很大，对微生物的摄氧率也有影响，但对C*无影响。 但过高的搅拌速度不但浪费动力，还会损伤菌体，引起菌体自溶及减产等。.搅拌与通气效率之间的关系可用阅历式表示：KLa = K(P/V)(Vs)(app)-K -阅历常数，与设备的外形、几何比例尺寸、通风安装的型式等有关P/V - 单位体积液体实践耗费的功率指通气情况下的功率，KW/m3Vs -空气直线速率， m/happ - 液体的表观黏度，Pa S、为指数，与搅拌器和空气分布器的型式等有关，普统统过实验测得.2、空气流速KLa = K(P/V)(Vs)(

28、app)- 从上式可见，KLa随空气速度的添加而增大。Vs为气流的直线速度；其指数约为 0.40.72，随搅拌器型式而异。. 假设空气速度过大，将使叶轮发生“过载，即叶轮不能分散空气，此时气流构成大气泡在轴的周围逸出。当空气速度超越“过载速度后，K La 并不随之而添加。 普通来说，用一组搅拌器时，过载空气流速为90m/h；用二组搅拌器时那么可添加到150m/h。.3、培育液的物理性质 在发酵过程中，菌本身的繁衍及其代谢可引起发酵液物理性质的不断变化，如改动培育液的外表张力、黏度和离子浓度等；而这些变化会影响气体的溶解度、发酵液中气泡的直径和稳定性及其合并为大气泡的速度等。发酵液的性质还影响液

29、体的湍动以及界面或液膜的阻力，因此显著地影响氧的传送效率。 发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、消泡剂等均可改动培育液的理化性质；在消费上也可利用这些手段来改善发酵液的物理性质。.4、空气分布器和发酵液高度对通气效率的影响 消费实际证明，多孔环状鼓泡器的效果并不比单孔鼓泡器好。且多孔鼓泡器易堵。高位发酵罐添加发酵罐的高度(D:H=1:7) ；添加了气-液接触时间，提高了氧的利用率。.5、其它要素 影响发酵罐溶氧的主要要素是：单位体积液体的搅拌功率P/V，搅拌转数和空气的截面流速。另有些要素也在一定程度上影响溶氧.1搅拌器组数和间距对溶氧的影响 据径高比和发酵液的特性决议 普通来说，当H/D = 2. 5 时，用多组搅拌器可提高溶氧系数10%， 当H/D = 4并采用较大的空气流速和较大的功率时，多组搅拌器可提高溶氧系数25%