生物反應(yīng)中的物質(zhì)傳遞

生物反應(yīng)中的物質(zhì)傳遞第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六對于需氧的微生物反應(yīng)，還存在一個氧從氣相通過擴(kuò)散進(jìn)入液相，進(jìn)而又經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入絮凝體內(nèi)部供給細(xì)胞進(jìn)行呼吸的傳遞過程

第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六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，星期六①

氧從氣相主體擴(kuò)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(dá)液相主體的阻力R3④

液相主體中的傳遞阻力R4⑤

通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到達(dá)細(xì)胞團(tuán)與液體界面的阻力R5⑥

通過液體與細(xì)胞團(tuán)之間界面的阻力R6⑦

細(xì)胞團(tuán)內(nèi)在細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中的擴(kuò)散阻力R7⑧

進(jìn)入細(xì)胞的阻力R8第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六①～④項屬供氧方面的阻力；⑤～⑧項為耗氧方面的阻力。當(dāng)單個細(xì)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，星期六微生物反應(yīng)是在液相中伴隨著微生物生長發(fā)生的反應(yīng)。如果參與反應(yīng)的底物以不同于液相的其它相加入時，整個反應(yīng)體系便成為非均相體系。微生物反應(yīng)體系中可找到氣－液、固－液、液－液等體系的物質(zhì)傳遞實例。

第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六

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(yīng)，應(yīng)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，星期六氧屬于難溶性氣體，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，星期六

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(guān)系。

第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六鹽類效應(yīng)

: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，星期六二、氧的消耗速度微生物反應(yīng)總的需氧量是與以燃燒反應(yīng)為基準(zhǔn)的物料平衡也有關(guān)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，星期六根據(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(guān)系，從工程學(xué)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，星期六氧比消耗速度（呼吸速度）的關(guān)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，星期六氧消耗速度為第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六課堂討論微生物反應(yīng)過程的傳質(zhì)有哪幾種水平？什么是超細(xì)胞傳質(zhì)？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，星期六三、QO2與DO的關(guān)系

第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六在<時，對DO的依賴性可認(rèn)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，星期六四、伴隨著生長的氧適應(yīng)

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(yīng)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(fù)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，星期六第二節(jié)氣體吸收

氣體吸收是氣相成分單向往液相擴(kuò)散溶解的物質(zhì)傳遞過程。

物質(zhì)傳遞速率的機(jī)理主要模型有：

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

Higbie的不穩(wěn)定模型（1935年提出）—滲透學(xué)說（penetrationtheory）第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六一、穩(wěn)定模型

三種假定：1.

在氣、液兩相的主流內(nèi)，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(cè)各存在著層流薄膜，溶質(zhì)氣體只靠分子擴(kuò)散在兩界膜內(nèi)移動。2．溶解氣體在兩界膜內(nèi)的濃度分布與時間無關(guān)（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(dá)到平衡，在那里完全不存在物質(zhì)傳遞的阻力。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六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(zhì)過程中，通過兩膜的傳氧速率N應(yīng)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，星期六令：根據(jù)亨利定律：仿照熱力學(xué)的方法，

用總傳質(zhì)系數(shù)代替分傳質(zhì)系數(shù)，用總的傳質(zhì)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，星期六總傳質(zhì)系數(shù)分別與膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)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，星期六－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，星期六二、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?qū)恿髁鲃拥囊后w）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(cè)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(kuò)散的吸收，則在0-t時間內(nèi)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，星期六三、影響的因子

需氧微生物反應(yīng)器的性能，用體積溶氧系數(shù)表示，體積溶氧系數(shù)高的設(shè)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(shè)備中其依賴性不強(qiáng)。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，星期六第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六直徑在0.8mm以下的氣泡猶如鋼體球的性質(zhì)，用下式表示：氣泡直徑在2.5mm以上，氣泡變形成為旋轉(zhuǎn)橢圓體，界面變動的結(jié)果，kL增大，用下式表示：

第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六上兩式中：

Sherwood數(shù)：

Grashof數(shù)：

Schmidt數(shù)：

第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六

值與氣體負(fù)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(guān)系：設(shè)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(zhǔn)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，星期六四、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，星期六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(dāng)大的范圍內(nèi)，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(yīng)。

第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六每分鐘溶解氧的摩爾數(shù)：

第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六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，星期六㈡溶氧電極法

優(yōu)點(diǎn)：①耐高溫②連續(xù)測量1、原理：把溶解氧轉(zhuǎn)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，星期六氧的流動速率：

第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六

要求材料透氧能力越小越好

第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六2．應(yīng)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(diǎn)：B點(diǎn)：

第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六連續(xù)培養(yǎng)時，也可求值

：穩(wěn)態(tài)時可由通氣進(jìn)出口的氧分壓差求得：

第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3、根據(jù)電極顯示值求C值

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

第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六溫度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，星期六測定的三個用途

1．對生物反應(yīng)器的傳氧