6生物反应器中的氧传递(精)

6生物反应器中的氧传递教学基本内容：氧传递基本理论－双膜理论；体积溶氧系数kLa的三种测定方法；设备参数及操作变数对体积溶氧系数kLa的影响；发酵液流变学性质对体积溶氧系数kLa的影响；提高体积溶氧系数kLa和体积溶氧速率NV的措施。6.1双膜理论6.2kLa的测定方法6.3kLa与设备参数及操作变数之间关系6.4发酵液的流变学性质对kLa的影响6.5提高kLa和NV的措施授课重点：1.双膜理论。2.设备参数及操作变数对体积溶氧系数kLa的影响。3.发酵液的流变学性质对kLa的影响。4.提高体积溶氧系数kLa和体积溶氧速率NV的措施。难点：1.双膜理论2流变学理论本章主要教学要求：1.理解双膜理论。2.掌握影响kLa的影响因素，包括设备参数和操作变数，及发酵液流变学性质。3.熟悉提高体积溶氧系数kLa和体积溶氧速率NV的主要措施。6生物反应器中的氧传递微生物只能利用溶解于水中的氧，不能利用气态的氧。而氧是难溶气体，在1atm下、20ºC时，氧在纯水中的溶解度为0.21mmol/L，在发酵液中溶解度更低，每升发酵液中菌体数一般为108~109个，耗氧量非常大，如果终止供氧，几秒钟后发酵液中溶氧将降为零。因此，氧常常成为发酵过程的限制性基质，解决好氧传递总是成为发酵过程的关键问题。工业生产中，将除菌后的空气通入发酵液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气泡接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。氧的溶解实质上是气体吸收过程，是由气相向液相传递的过程。因此这一过程可用气体吸收的基本理论，即双膜理论加以阐明。6.1双膜理论这是一个放大的气泡，在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子与液膜内的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，氧的分子只能以扩散方式，即靠浓度并差推动而穿过双膜进入液相主流。另外，气泡内膜以外的气体分子处于湍流状态，称气体主流，主流中的任一点氧分子的浓度相等。液体主流也是如此。在双膜之间的两相界面上，氧的分压强与溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系。传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。传氧方向6-1气体吸收双膜理论图解液相气相气膜液膜气相主流液相主流PC气膜液膜PiCi从图中可以看出，通过气膜的传氧推动力为P-Pi，通过液膜时推动力为Ci-C。在稳定传质过程中，通过气、液膜的传氧速率N应相等。)()(CCkPPkNiLig(6-1)式中N：传氧速率(kmol/m2.h)kg：气膜传质系数[kmol/(m2.h.atm)]kL：液膜传质系数(m/h)设：P*为与液相主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强(atm)。C*为与气相主流中氧的分压强相平衡的氧的浓度(kmol/m3)。根据亨利定律：C*=P/H或P*=HCH为亨利常数，随气体及溶剂及温度而异，它表示气体溶于溶剂的难易。氧难溶于水，H值很大。将气膜、液膜作为一个整体考虑，则N=KG(P-P*)=KL(C*-C)(6-2)式中KG：以氧的分压差为总推动力的总传质系数[kmol/(m2.h.atm)KL：以氧的浓度差为总推动力的总传质系数(m/h)溶氧浓度C较易于测量，C*可以用公式C*=P/H算出(P为发酵罐进气氧分压)，故以(C*-C)为推动力较方便。总传质系数KL与kg及kL的关系如下：NCCKL*1LgiiikkHNCCNHPPNCCNCC11*氧气H值很大，因此kLKL所以N=kL(C*-C)(6-3)这说明氧气溶于水的速率是液膜阻力控制的。式5-3是单位界面上的每小时的传氧量。由于输送面积难于测量，N也是如此。另外kL也难于测量。在式3-3两边各乘以a，a为单位体积液体中气液两相的总界面积(m2/m3)，则得：NV=kLa(C*-C)式中NV：体积溶氧速率(kmol/m3.h)kLa：以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数(h-1)NV及C*、C均易于测量，据此可算出kLa。kLa是表征发酵罐传氧速率大小的参数。6.2kLa的测定方法(1)亚硫酸钠氧化法原理：以Cu为催化剂，溶解于水中的O2能立即将水中的SO32-氧化为SO42-，其氧化反应的速度几乎与SO32-浓度无关。实际上是O2一经溶入液相，立即就被还原掉。这种反应特性使溶氧速率成为控制氧化反应的因素。其反应式如下：2Na2SO3+O22Na2SO4剩余的Na2SO3与过量的碘作用Na2SO3+I2+H2ONa2SO4+2HI剩余的I2用标准Na2S2O3溶液滴定。I2+2Na2S2O3Na2S4O6+2NaIO2~Na2SO3~I2~Na2S2O31224可见，每溶解1molO2，将消耗2molNa2SO3，将少消耗2molI2，将多消耗4molNa2S2O3。因此可根据两次取样滴定消耗Na2S2O3的摩尔数之差，计算体积溶氧速率。公式如下：0090036004tVVMtVVMNV式中NV：两次取样滴定消耗Na2S2O3体积之差，M：Na2S2O3浓度，t：两次取样时间间隔，V0：取样分析液体积。将上述NV值代入公式CCNakVL*即可计算出kLa由于溶液中SO3-2在Cu2+催化下瞬即把溶解氧还原掉，所以在搅拌作用充分的条件下整个实验过程中溶液中的溶氧浓度C=0。在0.1Mpa(1atm)下，25ºC时空气中氧的分压为0.021MPa，根据亨利定律，可计算出C*=0.24mmol/L，但由于亚硫酸盐的存在，C*的实际值低于0.24mmol/L，因此一般规Cu2+定C*=0.21mmol/L。所以kLa=NV/0.21亚硫酸钠氧化法的优点是不需专用的仪器，适用于摇瓶及小型试验设备中kLa的测定。缺点是：测定的是亚硫酸钠溶液的体积溶氧系数kLa，而不是真实的发酵液中的kLa。(2)动态法用溶氧电极测量kLa向发酵液中通气供氧，在不稳定状态下，溶氧浓度的变化速率为：XQCCakdtdCOL2*)(变形后，得*2)(1CXQdtdCakCOL以C~)(2XQdtdCO作图，得一直线，直线斜率akmL1。测定方法：先提高发酵液中溶氧浓度，使其远高于临界溶氧浓度处，稳定后停止通气而继续搅拌，此时溶氧浓度直线下降，待溶氧浓度降至Ccrit之前，恢复供气，发酵液中溶氧即开始上升。在这种条件下，并不影响微生物生长。而且由于时间较短，X增量不计，QP为常量。用溶氧电极测定整个过程的溶解氧浓度C。在停气阶段，C的降低与t成线性关系，直线的斜率XQmO2。恢复通气后，C逐渐回升，在恢复平衡的过渡阶段内，C~)(2XQdtdCO为一直线，直线斜率akmL1。由此可计算出kLa。此方法的优点是：只需要单一的溶氧电极，可以测得实际发酵系统中的kLa值。(3)氧衡算法通过氧的衡算，直接测定溶氧速率。CCt动态法的典型c~t曲线)(2XQdtdCOC~)(2XQdtdCO曲线QO2XakmL1溶氧供需平衡时，XQNOV2对氧进行物料衡算：微生物消耗的氧=进入发酵罐的氧-排出发酵罐的氧VOFOFXQoutoutininO222根据公式CCNakVL*可计算出kLa。氧衡算法的优点是：可测量真实发酵体系的kLa，准确度好。6.3kLa与设备参数及操作变数之间关系准确地建立起kLa与设备参数、操作变数之间的关系式，对于设备的比拟放大是很重要的。如果在一个模型试验设备里，通过试验，在一定的条件下获得了满意的成绩。如果实践还证明溶氧速率是影响生产成绩的关键，那么，就可用适当的方法测定此模型设备的kLa值，再按相同的kLa值设计大的设备，包括设备的尺寸及操作参数。以通风式机械搅拌罐为例，Richard建立的关系式在2.5L~8500L的试验设备里得到证明。后来福田秀雄等人又在更大的试验设备里(从100L到42m3)对Richards的关系式加以修正。这是迄今为止获得广泛引用的一个比拟放大用的关系式。福田秀雄修正式：kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56vS0.7×10-9式中Pg搅拌器轴功率kd以氧分压差为推动力的体积溶氧系数[mol/(mL.min.atm)]N搅拌转速(r/min)V装液体积(m3)vS空截面气速(cm/min)Ni搅拌涡轮只数6.4发酵液的流变学性质对kLa的影响6.4.1流变学基础6.4.1.1流变学的定义流变学即Rheology，最初由宾汉倡导。它本是力学的一个分支，是研究物质在力作用下变形或流动的科学，除了力的作用外，力的作用时间对变形的影响也是研究内容之一。因此流变学中，物体的力学参数不仅有力、变形，还有时间。流变学的研究内容包括弹性力学和粘性流体力学。6.4.1.2流动状态方程（1）粘性和粘度粘性是表现流体流动性质的指标。水和油都是很容易流动的液体。但当我们将水和油分别倒在玻璃平板上，就会发现水的摊开速度比油要快，也就是说，水比油更容易流动。这一现象说明油比水更粘。这种阻碍流体流动的性质称为粘性。粘性从微观上讲，就是流体受力作用，其质点间相对运动时产生阻力的性质。这种阻力来自内部分子运动和分子引力。粘性的大小用粘度来表示。根据变形的形式，粘度还可分为以下几种。（2）剪切速率与剪切应力当流体在一定速度范围内流动时，就会产生与流动方向平行的层流流动，流体内部在垂直于流动方向就会形成速度梯度。层与层之间存在着粘性阻力。取一微元单位进行分析：两层间接触面积A两层间垂直距离dy下层流速v上层流速v+dv剪切变形时间dt剪切变形：dx剪切变形用弧度表示：dydx剪切速率表示单位时间内的剪切变形（用弧度表示）。yvvv+dvyxx+dxxθ剪切速率dydvdydtdxdtdydxdt//剪切应力dAdF表观粘度a（3）流体状态方程流动状态方程反映的是应力与应变的关系。na06.4.1.3流体分类根据流动状态方程中0的有无和n的取值范围，非牛顿流体可分如下几类。（1）牛顿型流体（00，1n）流动状态方程符合牛顿定律，即剪切应力与剪切速率成正比的流体，即。严格地讲理想的牛顿流体没有弹性，且不可压缩，各向同性。因此自然界中完全的牛顿型流体是不存在的，只能把在一定范围内，基本符合牛顿流动定律的液体按牛顿流体处理。（2）非牛顿型流体a.假塑性流体（10n)εσεσb.胀塑性流体（1n）典型例子：生淀粉糊。当给淀粉中加入水，混合成糊状后，缓慢倾斜容器，淀粉糊会像液体那样流动。但如果施加更大的剪切应力，如用力快速搅拌淀粉，那么淀粉稀糊反而会变“硬”，失去流动的性质。如果用筷子迅速搅动，甚至阻力会使筷子折断。c.塑性流体（00）6.4.2发酵液的流变学性质对kLa的影响对于真实的发酵液，无论是牛顿型或非牛顿型流体，随着发酵过程的进行，kLa会受许多因素的综合影响而变化。即使对于牛顿型发酵液，随着基质的消耗，菌体的增殖以及代谢产物的积累，有关的物性参数都随之变化，特别是丝状菌发酵液情况的改变更为复杂化。有人证明，在亚硫酸盐的水溶液中添加1.35%的死菌丝体，kLa下降50%。Brierley等证明当黑曲霉菌丝浓度达到2%时，kLa下降80%以上。有人曾对内孢霉菌的伪塑性发酵液(通用型发酵液)，当发酵进行到第50h，醪液呈高度伪塑性时，其kLa降低较牛顿型流体更为显著。另外，某些代谢过程中可能产生表面活性物质，如蛋白质之类，或者水中添加表面活性剂等，当超过一定浓度时，能使kL剧烈下降。据报道，鼓泡通气条件下，水中添加硫酸月桂酸钠10ppm，kLa下降45%左右；在涡轮搅拌罐中添加SLS4ppm，kLa净增εσεσ宾汉流体εσ非宾汉流体15%。当菌体的对数生长期到来时，菌体的耗氧速率大增，将导致原有供氧、耗氧平衡破坏，有可能使液内溶氧降低至临界浓度以下。此时必须采取措施提高kLa。此时若不能及时提高kLa，使溶氧在临界值以下停留了较长时间，很可能使生产完全失败。此时溶氧浓度便会迅速自动回升，直至饱和，这标志着菌体的呼吸基本停止。6