生化工程_堵国成_第六章传递过程

《生化工程》
Biochemical Engineering
第六章 传递过程
Gas bubble Stagnant region Stagnant region Biochemical reaction Cell aggregation
Bulk fluid Gas-liquid interface Liquid-aggregate interface
Cells Cell membrane


氧是细胞的成分之一
• 氧是许多细胞呼吸链电子传递系统未端的电子受体，最
后与氢离子结合成水，在呼吸链的电子传递过程中，释放 出大量能量，供细胞的维持、生长和合成反应使用。

例, 酵母绝对需氧量约为
6g O2/L·h.


氧是一种难溶气体
1atm,室温下(25℃)空气中的氧在水溶液中的溶解度约为 0.26 mmol/L=8.32 mg/L. 培养基中含有大量有机物和无机盐，因而氧在培养基中的溶 解度就更低。

因此，仅仅依靠氧气的自然溶解过程是远远不能满足微生物生 长的需要的。

需要强制供氧。

由于氧的溶解度很小，自然溶解的速率也较慢，因此需要不断 地往发酵液中通入氧气，以保证发酵液中菌体的生长需要。

影响传递的因素
• • • • • 流动模型 粘度 浓度 颗粒尺寸 密度


本章学习思路
1. 物质传递理论和微生物呼吸
引出
2. k L a的计算
k L a ，并介绍通风和搅拌的意义
机械搅拌罐Pg的计算
3. k L a 的调节 4. 计算举例 5. 小节


§6.1 氧传递过程
滞流区 气泡 滞流区 细胞团 生化反应
细胞 液相主体 气-液界面 液-细胞团界面 细胞培养体系中气-液传质过程 细胞膜
氧从气相主体扩散到气-液界面 通过气-液界面 通过在气泡外侧的滞流区扩散到达液相主体 从液相主体到达细胞或细胞团外的滞流液膜


§6.1 氧传递过程
滞流区 气泡 滞流区 细胞团 生化反应
细胞 液相主体 气-液界面 液-细胞团界面 细胞培养体系中气-液传质过程 细胞膜
通过滞流区与细胞团之间的界面 扩散进入细胞团，菌丝体团等 进入细胞


§6.1 氧传递过程
滞流区 气泡 滞流区 细胞团 生化反应
细胞 液相主体 气-液界面 OTR 细胞培养体系中气-液传质过程 液-细胞团界面 OUR 细胞膜
传氧速率Oxygen Transfer (OTR) 氧的气-液两相传质 摄氧速率Oxygen Uptake (OUR)


双膜理论
假设: 在气泡和液相主体之间存在着一个 界面： 气膜 和 液膜 在两相的界面的氧浓度之间存在一 个化学平衡： 亨利定律
CG 气膜
界面 液膜
CLi CGi
CL 液相主体
气相主体
M C Li = C Gi
双膜模型
CLi 和 CGi 分别是液相侧和气相侧的界面浓度,M为亨利系数. 在稳态状态时，氧气的传递通过气-液界面处的速率等于它传 递通过液膜一侧的速率以及通过气膜一侧的速率。

一般认为，气液界面和液相主体的传质阻力都很小，可以忽 略不计，因此，主要阻力来自于气膜和液膜。

氧气的传质速率 (mol O2/cm2·h)
界面 气膜 液膜
= k G (C G - C Gi )
(气膜侧) (液膜侧) CG CLi CGi 气相主体 液相主体 Two-Film Model
= k L (C Li - C L )
CL 和 CG 分别表示气相主体和液相 主体的氧浓度。

CL
由于氧的界面浓度很难测定，因此定义传质的总传质系数, 令
Flux = K L (C * − C L ) L
KL 是总传质系数
C * 与气相分压相平衡的液相氧浓度。

L


From the five equations,
Flux = k G (C G - C Gi ) Flux = k L (C Li - C L ) Flux = K L (C - C L )
MC Li = C Gi
M C* = C G L
* L
Flux = C * - C Li L kGM
整理
Flux = C Li - C L kL Flux = C* - C L L KL
1 1 1 = + K L k L Mk G
对于难溶的氧气, M>>1, kG 一般显著大于kL,
∴KL ≈ kL
因此, 可以认为所有的传质阻力集中在液膜一侧, 因此又称液膜控制.


传氧速率Oxygen Transfer Rate (OTR)
(flux) ⋅ (interfacial area) OTR = (reactor liquid volume)
A = k L (C − C L ) ⋅ V = k L a(C * − C L ) L
* L
where kL — 传氧系数oxygen transfer coefficient (cm/h) a — 传质比表面积 (cm2/cm3) kLa — 体积传氧系数 (h-1)
C * — 溶解氧饱和浓度 (mg/L) L
C L — 发酵液中实际的溶解氧浓度 (mg/L)
OTR－传氧速率 (mg L-1 h-1)


摄氧速率Oxygen Uptake Rate (OUR)
μX OUR = q O 2 X = YX O 2
Where
q
O 2
— 比摄氧速率
(mg O2/g dw·h)
YX O 2— 细胞对氧的得率系数 (g dw/g O2)
X — 细胞浓度 (g dw/L) 在稳态条件下, OUR=OTR, 即,
μX = k L a(C * − C L ) L YX O 2
dC L = OTR − OUR dt
在非稳态条件下,


代表性微生物的临界溶氧值
微生物种类 临界溶氧浓度 （mg/L） 0.24 0.44 0.13 0.64 0.58 百分饱和度% 3.4 6.3 1.9 9.1 8.3
Escherichia Coli Serratia Marcdsceus Saccharmyces Cerevisiae Penicillium Chrysogenum Aspergillus Niger


在传氧受限制的条件下，生长速率随着溶解氧的变化而线性 变化。

增加传氧速率OTR措施
Flux = k G (C G − C Gi )
增加气相中氧气的浓度 富氧空气 纯氧
Flux = K L (C * − C L ) L
增加液相中氧的饱和浓度 – 增加操作压力，如保持罐压(2~3atm).


增强搅拌
1. Agitation increases “a”, the surface area to volume ratio. 2. Agitation delays the escape of air bubbles from the liquid. 3. Agitation prevents coalescence of air bubbles. 4. Agitation increases “kL”, the liquid film mass transfer coefficient.


如何测定kLa
• 1.非稳态法
在操作前，将反应器充满水或培养基，精确测定液体中饱和 氧的浓度. 通入N2以排除去O2. 通入空气，在线测定溶解氧浓度， 直至达到氧饱和。

因此, 即,
dC L = k L a ⋅ (C * − C L ) L dt
ln(C * − C L ) = − k L a ⋅ t L
根据 ln(CL*-CL) 对 t 作图, 由此可得到 kLa.


CL
t
Ln(CL*-CL)
-kLa
t


如何在线测定OTR,OUR,kLa
2.稳态法:
将整个反应器当作是一个呼吸计, 需要的电极： pO2 尾气分析仪
OUR k La = * CL − CL
CL* 溶解氧饱和浓度 (mg/L) CL 发酵液中实际的溶解氧浓度(mg/L)
OUR－传氧速率 (mg L-1 h-1) 每升发酵液每小时消耗氧气的毫克数
需要难精确测定尾气中氧气的浓度以及发酵液中溶解氧的浓度.


如何在线测定OTR,OUR,kLa
3.动态法
First Second First stage: 停止通气 Second stage: 恢复通气 When t=t0, CO2=C0 t=t1, CO2=C1 t=t2, CO2=C2
仅需要pO2电极


First
Second
分 析
Second stage:
dC L = kLa (C L* − C L ) − qO X dt When t=t1, CO2=C1 t=t2,CO2=C2
2
qO2 ⋅ X ⋅ (t2 − t1 ) + (C 2 − C1 )
= kLa ⋅ ∫ (C * −C ) dt
t1 t2
First stage:
dC L OUR = = −qO2X dt
qO2= - OUR/X
kLa =
qO2 ⋅ X ⋅ (t2 − t1 ) + (C 2 − C1 )
∫t
t2
1
(C * −C ) dt
OTR=kLa(C
* -C ) O2 O2


4.稳态法和动态法的结合
t=0
稳态
pO 2(%)
120 100 80 60 40 20 0 0 30 60 90 time(h) 120
5 4 3 2 1 0 biomass(g/L)
动态
时间尺度：
(小时)
(秒)
左图：OUR=OTR=kLa(C*-C)
右图：OUR=-(C1-C0)/(t1-t0) =0.075
kLa=OUR/(C*-C)=0.075/(100-80)=13.5 h-1


影响kLa的因素
物系的性质
粘度，扩散系数，表面张力
操作条件
温度，压力，通气量，搅拌转数
反应器的结构
反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式


空气的过滤








§6.2 机械搅拌罐反应器的传递特性


一、搅拌器的型式及流型


筒身高度H 罐径D 档板宽度W 液位高度HL 搅拌器直径d 两搅拌器间距s 下搅拌器距底部的间距B


(一)、搅拌桨型号


搅拌桨对发酵的影响


1、轴流


(a) A310 (C) A320
(b) A315 (d) A6000
图1 莱宁公司的系列搅拌器




图2 EKATO公司的INTERPRO搅拌器
图3 ROBIN公司的HPM搅拌器
（a）ZCX搅拌器
（b）KSX搅拌器


2、径流






(二)、搅拌桨装配组合


赤霉素
红霉素


盐酸四环素






二、搅拌器轴功率计算
学习思路:
P0 → Pg → k L a


(一)搅拌功率P0的计算
P nd 2 ρ X n 2d Y = K( ) ( ) 3 5 n d ρ μ g NP = K (ReM ) X (FrM )Y
n:搅拌器的转速 d:搅拌器的直径 ρ:流体的密度 μ:流体的粘度 g:重力加速率
NP:功率准数 ReM:搅拌情况下的雷诺准数 FrM:搅拌情况下的Froude准数 X,Y的值与流动状态有关。

(1)单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体功率 P0的计算
P0 D 2 Nρ m = K( ) 3 5 ρN D μ
N p = K Re M
m
Np
Re M
功率准数
修正雷诺准数


P0计算思路
计算的前提条件： ReM≥104；几何相似的设备中选择一定 型式的搅拌桨。

1）由已知条件计算ReM； 2）根据图4-8“各类搅拌器的Np~ReM”，且ReM≥104时确定 搅拌桨型号查得NP； 3）由式 （W） 计算P0。

由此可见，P0与搅拌桨型式、设备和流体有关系。

P0 = N p ⋅ N ⋅ D 5 ⋅ ρ
3


(2)多只涡轮不通气条件下输入搅拌液体 功率计算
Pm = m P0
Sm αSm )]0.3 β = 0.86[(1 + )(1 − D H L − 0.9D
(m − 1) log m − long(m − 1) α= log m
β


涡轮数 2 3 4 5
Pm计算公式
P2 = P1 × 20.86 [(1 + S2 S2 )]0.3 )(1 − H L − 0.9D D
S取值
S2 = H L − 1.9D 2
H L − 2.27 D 2.74
P3 = P1 × 30.86 [(1 +
S3 S3 log 4.5 0.3 × )(1 − )] D H L − 0.9D log 3.0
S3 =
P4 = P1 × 40.86 [(1 +
S4 1.71S4 )(1 − )]0.3 D H L − 0.9D
S4 =
H L − 2.61D 3.42
H L − 2.93D 4.06
P5 = P1 × 50.86 [(1 +
S5 2.03S5 )(1 − )]0.3 H L − 0.9D D
S5 =

。