生物反應器中的物質(zhì)傳遞

生物反應器中的物質(zhì)傳遞第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三微生物反應過程傳質(zhì)的幾種水平胞內(nèi)傳質(zhì)細胞膜－胞外傳質(zhì)超細胞傳質(zhì)

第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三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(nèi)部供給細胞進行呼吸的傳遞過程

第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三氧在傳遞過程中存在的傳遞阻力

第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三①

氧從氣相主體擴散到氣－液界面的阻力②

通過氣－液界面的阻力③

通過氣泡外測的滯流液膜，到達液相主體的阻力④

液相主體中的傳遞阻力⑤

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⑥

通過液體與細胞團之間界面的阻力⑦

細胞團內(nèi)在細胞與細胞之間的介質(zhì)中的擴散阻力⑧

進入細胞的阻力第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三①～④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

第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三

§1.微生物的氧消耗速度與氧的需求

溶解氧

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；－亨利常數(shù)，因溫度而異。

氣體在鹽水溶液中的溶解度比在純水中的要小，這種現(xiàn)象稱為鹽類效應，一般可用下列Setchnow式表示：第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三氧的消耗速度

氧比消耗速度（呼吸速度）的關(guān)系式為

如果如果碳源消耗于菌體、水和CO2外，不生成代謝產(chǎn)物，則

因此第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三氧消耗速度為第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三§2.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(zhì)傳遞過程。

物質(zhì)傳遞速度的機理，主要模型有根據(jù)Whiteman建議的穩(wěn)定模型（1923年提出）與Higbie提供的不穩(wěn)定模型（1935年提出），前者以雙膜學說（two-filmtheory）著稱。后者以滲透學說（penetrationtheory）而聞名。從工程學角度說，前者簡便，主要適用于需氧微生物的反應器設計。

第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三穩(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到平衡，在那里完全不存在物質(zhì)傳遞的阻力。第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三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應相等.

此pi式中和ci均無法測量，故此式無實用價值。為了實用，應將不可測量的參數(shù)改寫成與之有函數(shù)關(guān)系并且可以測量的其它參數(shù)。第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三用總傳質(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：第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三總傳質(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，H很小，氣膜傳遞阻力與液膜傳遞阻力相比可忽略，即，因此

第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三不穩(wěn)定模型

這個模型是指氣體不穩(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)定分子擴散的吸收，則在時間內(nèi)平均吸收速率可用下式表示：

第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三影響的因子

需氧微生物反應器的性能，用體積系數(shù)表示，體積系數(shù)高的設備性能好

第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三體積溶氧系數(shù)的測定方法①亞硫酸鹽氧化法②極譜法③氧的物料衡算法④溶氧電極法第十七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三應用溶氧電極測定

通氣攪拌系統(tǒng)的體積傳氧系數(shù)為溶解氧積累

第十八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三測定的三個用途

1．對生物反應器的傳氧性能進行測定，以便選擇最佳條件進行操作，并對其進行評價。2．對發(fā)酵過程傳氧性情況進行了解，以便判