第八章、第三讲.ppt

气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化 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： nO2 = = = = p－pI 1/KG p－p* 1/KG CI－CL 1/KL C*－CL 1/KL p — 气体主体氧分压，Pa ; pI — 气液界面氧分压， Pa CI — 气液界面氧浓度， mol/m3 ; CL — 液相主体氧浓度， mol/m3 p* — 与CL平衡的气相氧分压， Pa ; C*— 与p平衡的液相氧浓度， mol/m3 KG — 以氧分压为推动力的总传递系数, mol/(m2·s·Pa) KL — 以氧浓度为推动力的总传递系数，m/s 在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率可表示为： OTR = KL a ( C* －CL ) OTR — 单位体积培养液中的氧传递速率， mol/(m3·s) a — 比表面积， m2/m3 KL —以氧浓度为推动力的传递系数，m/s 氧传质方程： OTR = KL a ( C* －CL ) 由于“a”不易测得，因此常将 KLa作为一项来处理，称为体积氧传递系数或供氧系数，单位为 h-1 微生物对氧的需求速率，也即使氧不成为发酵的限制因素而必须满足的供氧速率： G/? = QO2·X·V = r ·V OTR = r QO2 ---- 微生物的呼吸强度，mmol O2/g(干菌体)·h X ---- 菌体浓度，g/L V --- 培养液体积，L r --- 培养物的摄氧率，mmolO2/L·h 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，则： KLa (C* - CL) = QO2 · X = r KLa = r C* - CL ◆ 若供氧速率大于需氧速率，即KLa (C* - CL) ＞r，此时发酵液中溶解氧浓度CL会不断增加，趋近于C* 。 ◆ 若需氧速率大于供氧速率，则CL 逐渐下降而趋向于零（尽管此时通气和搅拌可能仍在进行） 由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时（假定C* 在一定条件下也不变）， KLa 越大，发酵液中溶解氧浓度CL也越大；所以可用KLa的大小来衡量发酵设备的通气效率。 KLa = r C* - CL ◆ 实验室用的摇瓶和无搅拌的鼓泡装置，其KLa值约为1～100 h-1； ◆ 带搅拌的发酵罐，其KLa值约为200～1000 h-1。 （三）影响供氧的因素 据氧传质方程 OTR = KL · a · (C* - CL) 或 G/? = KLa ·V· (C* - CL) 影响供氧的主要因素是推动力(C* - CL) 和体积氧传递系数KLa。 影响氧传递推动力的因素 要提高推动力，只能设法提高C*或减少CL 1、提高氧饱和浓度（ C*） 要提高C*，可降低培养温度、提高氧分压和降低培养基浓度等。 但这几方面局限性都很大 2、降低溶氧浓度 （CL） 降低CL可通过减少空气流量等方法来达到，但溶氧浓度不能低于临解氧浓度。另外，减少空气流量本身会使KLa下降。 影响体积吸收系数KLa的因素 1、搅拌 作用： 1）把从空气管中引入发酵罐的空气打成碎泡，增加气-液接触面积“a”,亦即增加氧的传递面积。 2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。 3）增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体主流中的流体阻力，从而增大KLa值。 4) 减少菌丝结团现象，降低细胞壁表面的液膜阻力，改变细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围“废物”和“废气”的浓度，有利于微生物的代谢。 搅拌与通气效率之间的关系可用经验式表示： KLa = K[(P/V)?(Vs)?(?app)-?] K ---经验常数，与设备的形状、几何比例尺寸、通风装置的型式等有关 P/V --- 单位体积液体实际消耗的功率（指通气情况下的功率），KW/m3 Vs ---空气直线速率， m/h ?app --- 液体的表观黏度，Pa ·S ?、?、?为指数，与搅拌器和空气分布器的型式等有关，一般通过实验测得 2、空气流速 KLa = K[(P/V)?(Vs)?(?app)-? ◇ 从上式可见，KLa随空气速度的增加而增大。 Vs为气流的直线速度；其指数?约为 0.4～0.72，随搅拌器型式而异。 ◆ 若空气速度过大，将使叶轮发生“过载”，即叶轮不能分散空气，此时气流形成大气泡在轴的周围逸出。 当空气速度超过“过载”速度后，K La 并不随之而增加。 ◆ 一般来说，用一组