生物反应中的物质传递

生物反应中的物质传递第1页，课件共44页，创作于2023年2月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，课件共44页，创作于2023年2月氧在传递过程中存在的传递阻力

第3页，课件共44页，创作于2023年2月①

氧从气相主体扩散到气－液界面的阻力R1②

通过气－液界面的阻力R2③

通过气泡外测的滞流液膜，到达液相主体的阻力R3④

液相主体中的传递阻力R4⑤

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R5⑥

通过液体与细胞团之间界面的阻力R6⑦

细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力R7⑧

进入细胞的阻力R8第4页，课件共44页，创作于2023年2月①～④项属供氧方面的阻力；⑤～⑧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⑦项阻力消失

第5页，课件共44页，创作于2023年2月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。微生物反应体系中可找到气－液、固－液、液－液等体系的物质传递实例。

第6页，课件共44页，创作于2023年2月

第一节

微生物的氧消耗速度

与氧需求

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，课件共44页，创作于2023年2月氧属于难溶性气体，其溶解度在10ppm以下，气相中氧分压的影响服从亨利定律（Henry’slaw）为与平衡时的氧溶解度

H－亨利常数，第8页，课件共44页，创作于2023年2月

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，课件共44页，创作于2023年2月盐类效应

: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，课件共44页，创作于2023年2月二、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=菌体燃烧需氧量+氧消耗量+代谢产物燃烧需氧量式中：第11页，课件共44页，创作于2023年2月根据上式得：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，课件共44页，创作于2023年2月氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为

如果氧的维持常数如果碳源消耗于除菌体、水和CO2外，不生成代谢产物，则

因此

第13页，课件共44页，创作于2023年2月氧消耗速度为第14页，课件共44页，创作于2023年2月课堂讨论微生物反应过程的传质有哪几种水平？什么是超细胞传质？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，课件共44页，创作于2023年2月三、QO2与DO的关系

第16页，课件共44页，创作于2023年2月在<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，课件共44页，创作于2023年2月四、伴随着生长的氧适应

一般，DO对微生物的生长速度和呼吸速度将产生影响。如果DO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化，然而要将这些复杂的变化定量化是困难的。为了维持需氧代谢，常常控制一定的培养条件，使DO保持在以上。

第18页，课件共44页，创作于2023年2月第二节气体吸收

气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶解的物质传递过程。

物质传递速率的机理主要模型有：

Whitman的稳定模型（1923年提出）—双膜学说（two-filmtheory）

Higbie的不稳定模型（1935年提出）—渗透学说（penetrationtheory）第19页，课件共44页，创作于2023年2月一、稳定模型

三种假定：1.

在气、液两相的主流内，溶解气体主要通过对流传递，可是沿着气液界面的气、液两侧各存在着层流薄膜，溶质气体只靠分子扩散在两界膜内移动。2．溶解气体在两界膜内的浓度分布与时间无关（稳定状态）。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20页，课件共44页，创作于2023年2月第21页，课件共44页，创作于2023年2月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N应相等.

因pi和ci均无法测量，故此式无实用价值。第22页，课件共44页，创作于2023年2月令：根据亨利定律：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分推动力，把上式改写为：式中：第23页，课件共44页，创作于2023年2月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，课件共44页，创作于2023年2月－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，课件共44页，创作于2023年2月二、不稳定模型

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0-t时间内平均吸收速率N可用下式表示：

第26页，课件共44页，创作于2023年2月三、影响的因子

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。为了提高性能，只要增加kL或a就可以了。一般kL受液体流动状态的影响，可是在实际设备中其依赖性不强。因此，决定kLa值大小主要是a值的大小。

第27页，课件共44页，创作于2023年2月第28页，课件共44页，创作于2023年2月直径在0.8mm以下的气泡犹如钢体球的性质，用下式表示：气泡直径在2.5mm以上，气泡变形成为旋转椭圆体，界面变动的结果，kL增大，用下式表示：

第29页，课件共44页，创作于2023年2月上两式中：

Sherwood数：

Grashof数：

Schmidt数：

第30页，课件共44页，创作于2023年2月

值与气体负荷Hu成正比例，与平均气泡直径dG成反比，三者之间存在下列关系：设不通气时的液体深度为hw，通气时的液体深度为ha，为了与的定义基准相配合，Hu可按下式定义：dG可按下式定义：ni是直径为dGi的气泡个数

第31页，课件共44页，创作于2023年2月四、体积溶氧系数的测定方法

氧气吸收的体积传递系数，可采用下列几种方法测定：①亚硫酸盐氧化法②极谱法③氧的物料衡算法④溶氧电极法第32页，课件共44页，创作于2023年2月㈠亚硫酸盐氧化法（经典方法）

原理：常用Na2SO3，它在溶液中浓度1M左右时，在相当大的范围内，并在Cu2+存在时，被氧化的速度很快，氧溶解速度控制了氧化反应。

第33页，课件共44页，创作于2023年2月每分钟溶解氧的摩尔数：

第34页，课件共44页，创作于2023年2月用亚硫酸盐氧化法测体积溶氧系数kLa将实验测定的Nv代入式可算出kLa。在整个氧化过程中，溶液中溶氧的浓度为0，即C=0。在亚硫酸盐氧化法的具体条件下，规定。已知：∴

第35页，课件共44页，创作于2023年2月㈡溶氧电极法

优点：①耐高温②连续测量1、原理：把溶解氧转化为电流信号。阳极：阴极：电流直接指示溶解氧浓度。

第36页，课件共44页，创作于2023年2月氧的流动速率：

第37页，课件共44页，创作于2023年2月

要求材料透氧能力越小越好

第38页，课件共44页，创作于2023年2月2．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A点：B点：

第39页，课件共44页，创作于2023年2月连续培养时，也可求值

：稳态时可由通气进出口的氧分压差求得：

第40页，课件共44页，创作于2023年2月3、根据电极显示值求C值

当总压为1bar，温度为20℃时，将水蒸汽分压忽略，则相应的浓度可根据Henry定律计算：

第41页，课件共44页，创作于2023年2月温度T=30℃时水中氧的亨利常数液相氧的饱和浓度值

将电极显示值E(%饱和)换算成氧浓度为若E=100，则

第42页，课件共44页，创作于2023年2月测定的三个用途

1．对生物反应器的传氧性