生物反应器中的氧传递(精)(共10页).doc
《生物反应器中的氧传递(精)(共10页).doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物反应器中的氧传递(精)(共10页).doc(10页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上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6.2 kLa的测定方法6.3 kLa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
2、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、20C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108109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
3、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双膜理论液相气相气膜液膜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
4、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。P液膜气膜Ci气相主流液相主流PiC 传氧方向6-1气体吸收双膜理论图解从图中可以看出,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。 (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
5、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: 氧气H值很大,因此kLKL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
6、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。6.2 kLa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:Cu2+2N
7、a2SO3+O2 2Na2SO4剩余的Na2SO3与过量的碘作用Na2SO3 + I2 + H2O Na2SO4 + 2HI剩余的I2用标准Na2S2O3溶液滴定。I2+ 2Na2S2O3 Na2S4O6+2NaIO2 Na2SO3 I2 Na2S2O31 2 2 4可见,每溶解1mol O2,将消耗2mol Na2SO3,将少消耗2mol I2,将多消耗4mol Na2S2O3。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: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
8、代入公式即可计算出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,25C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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物反应器 中的 传递 10
限制150内