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生物反應(yīng)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(yīng)過程傳質(zhì)的幾種水平胞內(nèi)傳質(zhì)細(xì)胞膜-胞外傳質(zhì)超細(xì)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(yīng),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(xì)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(xì)胞或細(xì)胞團外的滯流液膜,到達細(xì)胞團與液體界面的阻力⑥

通過液體與細(xì)胞團之間界面的阻力⑦

細(xì)胞團內(nèi)在細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中的擴散阻力⑧

進入細(xì)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(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(yīng),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(xué)說(two-filmtheory)著稱。后者以滲透學(xué)說(penetrationtheory)而聞名。從工程學(xué)角度說,前者簡便,主要適用于需氧微生物的反應(yīng)器設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器的性能,用體積系數(shù)表示,體積系數(shù)高的設(shè)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(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

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(yīng)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

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