KLA的测定

a K L

的测定方法

一、 培养过程中氧的传递动力学

在氧的传递过程中需要克服一系列传递阻力，从而需要损失动力，传递过程的总推力就是气相与细胞内的氧分压之差，这一总推力消耗于从气相到细胞内的各项串联的传递阻力。当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时通过单位面积的传递速率

。

个阶段的传递阻力，—；差），各阶段的推动力（分压—；氧的传递通量，—其中：阻力推动力mol N p s m mol k p n k p n i

a

i

O i

i

O //1)./(/1s

2

22∆∆==

1.1 气—液相间的氧传递

在上述的气—液传递过程中，气液界面的阻力1/k I 可以忽略，1/k LB 很小,也可以忽略，因此，阻力主要存在于气膜和液膜中。气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化的情况见图1。

当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相等，即

;

/);../(;/);../(/;

/;/;;;/1/1/1/12

2

3

*

*

3

3

I

*

*

2

C s m s m mol s m s m mol m mol m mol m mol k p k K p K p C p C P C p p p p p p K C C k C C K P

p k p p n L

a

G L

a

G a

L

L

a

i

a i a

L

L

L L I G

G i

O 液膜传质系数，—气膜传质系数，—传质系数，以氧浓度为推动力的总—总传质系数，以氧分压为推动力的的—；

平衡的液相氧浓度与—平衡的氧分压与—；液相主体氧浓度—气液界面氧浓度—气液界面氧分压，—气液界面氧分压，—气相主体氧分压，—其中：-=-=-=-

= 根据亨利定律

HC p =

其中H 是亨利常数。

对于难容气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力之比忽略不计，即1/Hk G <<1/k L ，因此k L ≈K L 。在单位体积培养液中，氧的传递速率为

(

)

。

比表面积，—传递速率，单位体积培养液中的氧—其中：323*

/);./(OTR OTR m m a s m mol a C C K L

L -=

通常将K L 与a 合并在一起，作为一个参数处理，称为容量传递系数（S -1）。 二、 影响a K L 的因素

气液比表面积的测定比较困难，通常将K L 与a 合并在一起，作为一个参数处理。

2.1 操作条件的影响

对于带有机械搅拌的通气培养装置，搅拌器对物质的传递有几个方面的作用：（1）将通入培养液的空气分散成细小的细胞，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积；（2）搅拌作用是培养液产生涡流，延长气泡在培养液中的停留时间；（3）搅拌造成液体的湍动，减小气泡外滞留液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力;（4）搅拌作用是培养液的成分均匀分布，使细胞均匀地悬浮在培养液中，有利于营养物质的吸收和代谢物的分散。 2.2 液体性质的影响

液体的性质，诸如密度、粘度、表面张力、扩散系数等等的变化，都会对

K L a 带来影响。在同样的发酵罐中和同样的操作条件下，进行通气搅拌，如果液体的性质有较大的不同，则K L a 也不同。液体的粘度对K L a 影响也很大。液体的粘度增大时，由于滞留液膜的厚度增加，传质阻力也增加。同时粘度也影响扩散系数。

2.3 其他因素

(1) 表面活性剂 培养液中，消沫用的油脂等是具有亲水端和疏水端的表面活性物质，他们分散在气液界面，增大传递阻力，是K L 下降。

（2）离子强度 在电解质溶液中生成的气泡比水中的小得多，因而有较大的比表面积。在同一气—液接触反应器中，在同样的操作条件下，电解质溶液的K L a 比水大，而且随电解质浓度的增加，K L a 也有较大的增加。

（3）细胞 培养液中细胞浓度的增加，会使K L a 变小。 三 K L a 的测定 3.1 亚硫酸氧化法

（1）适用情况 本方法存在着亚硫酸与氧气的反应，并且反应速率很快，因此本方法只适用于非培养情况下测定反应器的氧传递速率。

（2）原理 在反应器中加入含有铜离子或钴离子为催化剂的亚硫酸溶液，进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠。由于反应进行得很快，反应速率由气液相的氧传递速度控制，而与亚硫酸钠浓度无关（在0.018—0.5kmol/m 3）。用碘量法测定亚硫酸消耗的速率，即可求得氧传递速率OTR 。

因为氧化反应速度很快，液相氧浓度C L =0，所以

P K C K a a L G *

OTR ==

从而可以求出K L a 或K G a 。

（3）缺点及改进方法

自1944年首先采用亚硫酸氧化法研究通气搅拌罐的氧传递特性以来，这种方法得到了广泛应用，但是亚硫酸钠溶液与实际的培养液往往在物理性质上有很大的区别，不能很好的模拟培养液的情况。并且，在计算K L a 是有一个问题，就是亚硫酸钠溶液的C*无法测定，许多文献就以K G a 或K D 表示传递系数。Zlokarnik 指出氧气在0.5kmol/m 3的亚硫酸钠中和0.5kmol/m 3硫酸钠溶液中溶解度相同，建议在亚硫酸钠溶液中的溶解度可用在同样的硫酸钠溶液中的溶解度代替。 3.2 物料衡算（稳态法）

对培养液中的物料进行衡算，有

(

)

r a C C K dt

dC L L --=*

L *

处于稳态时，0L =dt

dC ，于是

(

)

C C K L L r a -=*

/

摄氧率可以有进气排气氧分压变化求出。对于理想混合的反应器，C*为与排气氧中氧分压平衡的的氧浓度。如果已知培养液中氧的溶解特性，测定了排气氧分压和液相氧浓度，即可求出K L a 。

在大型发酵罐中一般不能获得理想混合，这时可用平均推动力（C*—C L ）m