四章传氧与通气搅拌11.4

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电流与氧分压呈正比关系。 据电极电流的高低,可测量溶液中氧的含量C。 如图:
计算体积溶氧系数

kLα=-1/斜率 溶氧电极法测定溶氧传递系数的特点: 能测得实际发酵系统中的溶氧系数。
六 影响传氧速率的因素(自学)
Nv = kLα(C*-C) 从影响kLα和C*-C的因子考虑
分析:影响传氧速率的因素
其中: C*- C =1/H(P*-P ) H为亨利常数(atm. m3 /kmolO2), H表示气体溶解于液体的难易程度。
以液相浓度为基准可得下式:
推动力 Ci C C Ci C* C N K L (C * C ) 阻力 1 kL 1 kG 1 k L H kG
第四章 传氧与通气搅拌
主要内容
一、细胞对氧来自百度文库需求(Oxygen demand and respiration) 二、氧的传递途径与传质阻力 三、双膜理论 四、传氧速率方程 五、搅拌器轴功率计算 六、影响传氧速率的因素
第一节 概述
细胞对氧的需求


28℃下,氧在发酵液中100%的空气饱和浓度只有 0.25 mmol/L左右,比糖的溶解度小7000倍。 在对数生长期,即使发酵液中的溶氧能达到100%空 气饱和度,若中止供氧,发酵液中溶氧可在几分钟之 内便耗竭,使溶氧成为限制因素。
0.7×10-9
kd―以氧分压为推动力的体积溶氧系数 [mol/mL.min.atm(pO2)] Ni―搅拌涡轮只数(个) Pg-单只搅拌器的搅拌功率(KW) V-培养液体积(m3) Vs―空截面气流速度(cm/min) N―转速(r/min) kLα (h-1 )
= 6×107
kd [mol/mL.min.atm(pO2)]
用 Na2S2O3 滴 定 剩 余 I2 , 每 滴 定 消 耗 1mol Na2S2O3,必有1/4mol溶氧;
故:
Nv=VN/1000Vm t 4 (mol/ml.min) 或 Nv=VN60/Vmt 4 (mol/L.h)
V-样液与空白液滴定用标准Na2S2O3(0.1mol/L)
体积差(mL) N-1/2Na2S2O4标定的量浓度 Vm-样液体积(ml) t-氧化时间 (min)
1/k3 较为显著。
2、耗氧及耗氧阻力
(1)耗氧:指氧分子自液体主流通过液膜、 菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。
细胞周围液膜阻力 1/k5; 液膜与细胞团间的液固界面 1/k6 。 细胞膜的阻力 1/k7 。 细胞内反应阻力1/k8 。 耗氧阻力主要是1/k6和 1/k7阻力引起。
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
二、氧的传递途径与传质阻力 1、供氧及供氧方面的阻力 (1)供氧:空气中的氧气从空气泡里通过气膜、 气液界面和液膜扩散到液体主体中。
(2)供氧方面的阻力 •气膜阻力1/k1 •气液界面阻力 1/k2 •液膜阻力 1/k3
(可示1/
KL)
•液流阻力 1/k4
氧是很难溶于水,所以在供氧方 面液膜是一个主要障碍,即
I= k1DαA (pO2/X)
I-电极的电流,A; k1-常数; D-膜中氧的扩散系数m/s; α-膜中氧的溶解度,mol/L; A-阴极表面积,m2; pO2-溶液中氧分压,Pa; X-气体渗透膜的厚度,m.
由于电极材料一定,物理特征与尺寸一定, 那么k1、D、α、A和X均确定,则:
I= K· 2 ,其中:K = k1DαA / X pO
由于pi、Ci难以测量,故上式改写为:
N = KG (p-p*) =KL (C*-C)
KG-以氧分压为总推动力的总传质系数 ( kmolO2 /m2.h.atm) KL-以氧浓度差为总推动力的总传质系数(m/h) P*-与液相主体中溶氧浓度C相平衡的氧分压(atm) C*-与气相主体中氧分压p相平衡的溶氧浓度 (kmolO2 / m3)
3.一般式
kLα=K’(Pg/V)avsb
(一)与kLα有关的因素
1.1 搅拌可提高kLα的机制: 大气泡打成小气泡,增加接触面积; 搅拌使气泡由直线运动变为螺旋上升,延长气液 接触时间; 搅拌使菌体分散,使固-液接触面积增加,且减 少菌体表面液膜厚度,利于氧的传递。
注意: 过度强烈的搅拌,产生的剪切作用大,对细 胞损伤,特别对丝状菌的发酵类型,更应考虑 到剪切力对菌体细胞的损伤。
2. 利用溶氧电极法 溶解氧电极: 利用复合膜电极测定气体中 的氧或溶解氧。
复合膜:具有高的氧分子渗透性 和贮氧功能.
阴极反应: O2 + 2H2O + 4e- — →4OH- 阳极反应: 4Ag + 4Cl- →4AgCl + 4e-
两级产生电流,电流的强弱 与溶液中的氧分压呈线性关系, 将电信号转换为溶氧浓度数值
氧溶解过程的双膜理论,其基本论点为 (1界面,2膜,3平衡): 1. 气相与液相主体间存在界面,界面靠气泡一 侧为气膜,液体一侧为液膜。 2. 氧分子借浓度差扩散透过双膜;氧气从气相到 液相主体,阻力来自两膜。 3. 气、液主体中,氧浓度平衡;气液界面上,氧 浓度平衡,无传质阻力。
通过气膜的传氧推 动力(浓度降)= 气相平均浓度(氧 分压p)-界面相 平均浓度(氧分 压pi) 通过液膜的传氧推 动力(浓度降)= 界面相平衡浓度 ( Ci ) - 液 相 平 均浓度(C)



虽然氧在培养液中溶解度很低,但在培养 过程中不需要使溶氧浓度达到或接近饱和值, 而只要超过某一临界溶氧浓度即可。 当CL > Ccritical,细胞的QO2保持不变, 当CL < Ccritical,细胞的QO2下降,细胞处于 半厌氧状态,代谢活动受到影响。 微生物的临界溶氧浓度约是饱和浓度的 1%~25%。
四、传氧速率方程
稳定传质过程中,两膜的氧传递速率可 表示为:
N = kG (p-pi) = kL (Ci-C)
N-传(溶)氧速率(kmolO2 / m2.h) kG-气膜传质系数(kmolO2 / m2.h.atm) kL-液膜传质系数(m/h) p-气相主流中氧分压(atm); pi-气液界面相氧分压(atm) C-液相主流中氧浓度(kmolO2 / m3); Ci-气液界面相氧浓度(kmolO2 / m3)
4、氧的分压 1)适当提高氧分压 增加罐压:氧溶解度增加;但二氧化碳溶解度同时增加,对 设备耐压要求也提高; 采用含氧较多的空气或纯氧(深冷分离后与再空气混合、吸 附分离法、膜分离法):经济成本增加; 2)防止暂时氧中毒:二氧化碳浓度过低,影响相应生化过程。
解决氧气供应方法:通气与搅拌
通气与搅拌目的 1. 供应氧气,供微生物生长及代谢; 2. 使发酵液均匀混合,促进物质能量传递: 底物 发酵液→ 菌体; 代谢物质 菌体→ 发酵液. 3.打碎气泡,提高溶氧效率
通风发酵的关键问题:提高溶氧速率
常见机械搅拌发酵罐
Effect of dissolved O2 concentration on the QO2 of a microorganism
由于 Nα= Nv=kLα(C*-C),C=0 故 kLα=Nv / C* , 由于C*=0.21 mmol/L kLα=Nv / 0.21 (1/h)
亚硫酸盐法测定溶氧传递系数的特点: 溶氧速度与亚硫酸钠的浓度无关,且反 应速度快,无需特殊仪器。 不能完全真实反映培养条件下的溶氧情 况。 培养设备容积在4-80L范围内测定较准 确。
这时的[DO]值称为 临界溶氧浓度。
QO2
Ccritical
微生物的临界溶氧 浓度大约是饱和浓 度的1%~25%。
Dissolved Oxygen Concentration
Specific O2 uptake increases with increase in dissolved O2 levels to a certain point Ccrit
问题1 问题2
氧从空气泡传递到细胞的 过程中需要克服哪几种阻力?
氧的整个传递过程可分为 供氧和耗氧两个方面,请分 别指出这两个过程的传氧路 线?
结论: 氧的传递过程中,从气相到液相过程是 限制步骤,液膜阻力1/KL控制因素。 提高氧的传递速率,需提高从气相到 液相的传质(溶氧)速率。
三、双膜理论
Nv=kLα(C*-C) 影响传氧速率的因素有kLα和推动力(C*-C) 其中: 与推动力(C*-C)有关的:发酵液的深度、罐 容、氧分压及发酵液的性质等。 与kLα有关的:搅拌、空气线速度、空气分布器 的形式和发酵液的黏度等;
kLα的经验公式(理论推算)
1.Richard关系式(适合机械搅拌通气搅拌 罐,2.5-8500L)





2、空气线速度
1)通气效率随着空气量增多而增大; 2)只增加通风量,不增加转速,会形成大气泡,发生 “过载” ,搅拌效率和溶氧速率下降; 3)不同搅拌方式下发生过载时的空气线速度(m/h) 平桨(21)<一个桨叶(90)<二个桨叶(150) 3、空气分布管 1)单管:大多采用此种类型; 2)多孔环管:小孔容易堵塞; 3)多孔分支管(或多孔十字管):小孔容易堵塞;
(6-5)
kL为液膜传质系数; kG为气膜传质系数; Ci为气液界面上的平衡浓度; C为反应液主流中氧的浓度; C*为与气相氧分压相平衡的氧浓度; H为亨利常数; KL为以液膜为基准的总传质系数。
N = KL (C*-C) ≈kL (C*-C)
N 为 每 单 位 界 面 上 每 小 时 的 传 氧 量 ( kmolO2 / m2.h),无法测量,故两边同乘α(气液两相的接触 面积m2/m3):
1.2 搅拌器各项参数对kLα的影响
搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距、 在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。 形式:轴向式(螺旋桨、箭尾浆)和径向式(六弯叶涡轮)。 作用:下组打碎气泡,上组混合作用。 挡板:增加液流的径向流动。 搅拌器的相对位置:非牛顿型发酵液间距宜小,在2d以下,牛 顿型发酵液可在(3~4)d。 转速n和叶径d 当空气流量较小,动力消耗较小时,以小叶径、高转速为好; 动力消耗较大时,d大小对通气效果影响不大; 当空气流量大,功率消耗小时,高转速为好; 当粘度较大,采用大叶径、低转速、多组搅拌为好; 粘度低,采用小叶径、高转速较好。 搅拌组数对溶氧的影响:粘度大,采用三组搅拌;粘度较小, 采用两组搅拌;每组搅拌之间的相对位置要合适;
五 体积溶氧系数kLα的测定 1. 亚硫酸盐法测定: 氧的溶解速度(氧传递速度) 是控制氧化反应速度的决定因素。
原理: 2Na2SO3 + O2
2+ 2+ Cu 或Co
2Na2SO4 2Na2SO4 + 2HI Na2S4O6+ 2NaI 无色
Na2SO3 + I2 (过量)+ H2O 2Na2S2O3 + I2 (剩余) 蓝色
kLα=K’(Pg/V)0.4vs0.5 N
0.5
K’-设备的形状系数 Pg/V―搅拌轴功率(马力/米3) 1kw=1.36马力,1马力=0.735kw vs―空截面气流速度(cm/min) N―转速(r/min)
2. 福田秀雄修正式(100L-42m3通气搅拌罐)
kd = (2.36 +3.30 Ni) (Pg/V)0.56 vs0.7 N
Nα= Nv = kLα(C*-C)
Nα-体积溶氧速率(kmolO2 / m3.h) kLα-以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数(1/h) α-单位体积培养液中气液两相的总接触面 积(m2/m3)
例题: 已知在1atm标准大气压下, C*=0.21mmol/L(与大气压相平衡的液相氧 浓度),若在此条件下,一种发酵液的 kLα为105.4/h。 求:当发酵液液相中溶氧浓度C分别为 0.48mg/L,2.4mg/L和4.8mg/L时的溶氧速 率。
第二节
氧溶解度换算:
氧的传递及双膜理论
气相中氧气分压Po2与液相中的氧溶解度C关系: 亨利定律 Po2 =HC

Po2 :气相中氧气的分压,atm C: 与Po2平衡时的氧气溶解度,mol/m3 H :与温度有关的亨利系数

在1标准大气压,25°C下,纯氧溶解度1.26 mol/m3;35°C下,溶解度1.09 mol/m3;
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