以氧分压差作为动力的传质系数课件

第六章发第六章发酵酵供供氧氧第六章发酵供氧第一节第一节 微生物的需氧和溶解氧的控制微生物的需氧和溶解氧的控制一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系呼吸强度：呼吸强度：Q QO2O2（mmol Ommol O2 2/g/g干菌体干菌体h h）耗氧速率：耗氧速率：r r（mmol Ommol O2 2/L/Lh h）第一节微生物的需氧和溶解氧的控制一、供氧与微生物呼二、微生物的临界氧浓度（二、微生物的临界氧浓度（C C临界）临界）菌体进行某种生理活动时，对发酵液菌体进行某种生理活动时，对发酵液中溶氧浓度的最低要求；不同菌种、同中溶氧浓度的最低要求；不同菌种、同种菌在不同生理期具有不同的种菌在不同生理期具有不同的C C临界值；临界值；三、发酵过程溶解氧的变化三、发酵过程溶解氧的变化四、溶解氧控制的意义四、溶解氧控制的意义二、微生物的临界氧浓度（C临界）第二节第二节传质理论传质理论一、氧的传递途径与传质阻力一、氧的传递途径与传质阻力分为供氧和耗氧分为供氧和耗氧供氧：供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。气液界面和液膜扩散到液体主流中。耗氧：耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内丝丛、细胞膜扩散到细胞内第二节传质理论一、氧的传递途径与传质阻力1.传递途径传递途径O2气膜气膜气液界面气液界面细胞膜细胞膜菌丝团菌丝团发酵液发酵液液膜液膜O2O2细胞细胞液膜液膜1.传递途径O2气膜气液界面细胞膜菌丝团发酵液液膜O2O2细2.供氧方面的阻力供氧方面的阻力气膜；气膜；气液界面；气液界面；液膜；液膜；发酵液发酵液是该过程的主要阻力是该过程的主要阻力3.耗氧方面的阻力耗氧方面的阻力胞外液膜；胞外液膜；菌丝丛；菌丝丛；细胞膜；细胞膜；胞内传递；胞内传递；是该过程的主要的耗氧阻力是该过程的主要的耗氧阻力2.供氧方面的阻力气膜；气液界面；液膜；发酵液是该过程的主要二、气体溶解过程：双膜理论二、气体溶解过程：双膜理论气气液界面液界面气膜动力：气膜动力：P-Pi液膜动力：液膜动力：Ci-CL阻力：阻力：1/kG阻力：阻力：1/kL气体扩散方向气体扩散方向气气膜膜液液膜膜CiCL空气空气泡泡PO2PPi发发酵酵液液二、气体溶解过程：双膜理论气液界面气膜动力：P-Pi液膜NA：氧传递速率；：氧传递速率；p，pi气相中和气、液界面处氧的气相中和气、液界面处氧的分压；分压；CL，Ci：液相中和气、液界面处氧的浓度；：液相中和气、液界面处氧的浓度；kG：气膜传质系数；：气膜传质系数；kL：液膜传质系数；：液膜传质系数；KG：以氧分压差为推动力的总传质系数；：以氧分压差为推动力的总传质系数；KL：以氧：以氧浓度差为推动力的总传质系数；浓度差为推动力的总传质系数；p*：与液相中氧浓度：与液相中氧浓度c相平衡时的氧分压；相平衡时的氧分压；C*：与气相中氧分压：与气相中氧分压p达平衡达平衡的氧的溶解度；的氧的溶解度；上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：NA：氧传递速率；p，pi气相中和气、液界面处氧的分根据亨氏定律，有：根据亨氏定律，有：则则NA的表达式可以写为：的表达式可以写为：根据亨氏定律，有：则NA的表达式可以写为：对易溶气体来讲：对易溶气体来讲：对难溶气体来讲：对难溶气体来讲：同样的方法可得出同样的方法可得出KL的表达式：的表达式：对易溶气体来讲：对难溶气体来讲：同样的方法可得出KL的表达式三、氧传质方程内界面面积：内界面面积：a；单位：；单位：m2/m3Ka：体积溶氧系数，溶氧速率方程为：体积溶氧系数，溶氧速率方程为：N：氧的传递速率：氧的传递速率kmol/（m3h）；KLa：以浓度差为动力的体积溶氧系数（：以浓度差为动力的体积溶氧系数（h-1）；）；KGa：以分压差为动力的体积溶氧系数：以分压差为动力的体积溶氧系数kmol/（m3hMpa）；cL：发酵液中氧浓度（：发酵液中氧浓度（kmol/m3）；）；c*：与气相中氧分压：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度（平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）；）；p：气相中氧分压（：气相中氧分压（MPa）；）；p*：与液相中氧浓度：与液相中氧浓度c平衡的氧分压（平衡的氧分压（MPa）；）；H：亨利常数（：亨利常数（m3MPa/kmol）三、氧传质方程内界面面积：a；单位：m2/m3Ka：供氧与耗氧至少必须平衡供氧与耗氧至少必须平衡供氧与耗氧至少必须平衡第三节第三节影响氧传递速率的因素影响氧传递速率的因素一、搅拌一、搅拌目的：增加溶氧、促进微生物悬浮混合（1）搅拌改善溶氧速率）搅拌改善溶氧速率打碎气泡，增加接触面积液体做涡流运动，增加接触时间发酵呈湍流，减少液膜阻力，KLa增加打散菌体，使推动力均一第三节影响氧传递速率的因素一、搅拌（2）、搅拌器的形式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距、在罐内的相对位置搅拌器形式：轴向式:浆式、锚式、框式、推进式径向式：涡轮式涡轮式的特点：直径小，转速快，搅拌效率高，功率消耗较低（2）、搅拌器的形式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距、在罐搅拌转速P H搅 Q搅H搅 :液流速度压头 Q搅:搅拌循环量在湍流状态下，PH搅 Q搅n3d5 而 Q搅nd3 H搅 n2d2搅拌组数对溶氧的影响搅拌转速二、空气线速度KLa与空气线速度Vs的关系KLa Vs在0.40.72之间二、空气线速度三、空气分布管空气分布管的形式、喷口直径、管口与罐底距离空气分布装置：单管、多孔环管、多孔分支环管d/D0.30.4时，管口距罐底2040mmd/D0.250.3时，管口距罐底4060mm三、空气分布管四、氧分压平衡状态时液体中氧的溶解度五、发酵罐内液体柱高度四、氧分压六、发酵罐体积发酵罐大罐气液接触时间长、氧的溶解度高，搅拌和通风小些七、发酵液的物理性质粘度、表面张力、离子浓度六、发酵罐体积第四节第四节 溶氧系数的测定溶氧系数的测定一、亚硫酸盐氧化法一、亚硫酸盐氧化法1.1.原理原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。当亚硫酸盐浓度为当亚硫酸盐浓度为0.0180.0180.47mol/L0.47mol/L，温度，温度20204545之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。来求得氧的溶解量。第四节溶氧系数的测定一、亚硫酸盐氧化法2.操作操作反应原理：反应原理：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：再用再用Na2S2O3滴定剩余的碘：滴定剩余的碘：将一定温度（将一定温度（2045）的自来水加入实验罐，加）的自来水加入实验罐，加入化学纯的入化学纯的Na2SO3晶体，使亚硫酸根约为晶体，使亚硫酸根约为1M，再加化学，再加化学纯的纯的CuSO4晶体，使晶体，使Cu2+浓度约为浓度约为10-9M，待完全溶解后，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时冒出的同时，立即计时,氧化时间控制在氧化时间控制在520min.2.操作反应原理：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：再用Na2S3.计算方法计算方法:N：体积溶氧系数：体积溶氧系数S：取样量：取样量C：硫代硫酸钠浓度：硫代硫酸钠浓度mol/Lt t：两次取样的时间间隔：两次取样的时间间隔P P：发酵罐的罐压：发酵罐的罐压实验前后各用移液管取实验前后各用移液管取10100mL样液，立即移入新吸样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用Na2S2O3标准液标准液滴定至终点滴定至终点3.计算方法:N：体积溶氧系数S：取样量C：硫代硫酸钠浓度m优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反应速度快，不需要特殊仪器缺点：影响因素多，工作容积只能在480L以内测定才比较可靠优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反应速度快，不需要特殊仪器二、取样极谱法二、取样极谱法原理：当电压为原理：当电压为0.61.0V时，其扩散电流时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。二、取样极谱法操作：将从发酵罐中操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱取出的样品置入极谱仪的电池中，并记下仪的电池中，并记下随时间而下降的发酵随时间而下降的发酵液中的氧浓度液中的氧浓度CL的数的数值值KLa=Qo2X/C*-CL=斜率斜率/C*-CLC*操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的电池中，并记下随时间 驱出溶解氧，开始通气后，在被测定的发酵罐中用氮气定时取样，用极谱仪测出溶氧浓度dc/dt=KLa(C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa t+常数KLa2.303斜率三、排气法三、排气法C*驱出溶解氧，开始通气后，在被测定的发酵罐中用氮气定时取四、复膜电极测定四、复膜电极测定 和和 氧分析仪测定氧分析仪测定原理：用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分离开来，避免外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响四、复膜电极测定和氧分析仪测定测定发酵液中溶解氧浓度、菌的好氧率r及溶氧系数该式可写成:测定发酵液中溶解氧浓度、菌的好氧率r及溶氧系数该式可写成:测定和计算气膜体积溶氧系数测定和计算气膜体积溶氧系数五、溶氧系数的换算五、溶氧系数的换算以氧浓度差作为动力的传质系数；以氧浓度差作为动力的传质系数；以氧分压差作为动力的传质系数；以氧分压差作为动力的传质系数；以大气压作为动力来讨论的传质系数；以大气压作为动力来讨论的传质系数；以压力差作为动力的溶氧系数；体积吸收系数以压力差作为动力的溶氧系数；体积吸收系数五、溶氧系数的换算以氧浓度差作为动力的传质系数1.KV与与Kd的换算的换算:2.KL a与与KG a的换算的换算:在标准状况（在标准状况（0.101M Pa，25）下饱和溶氧浓度为：）下饱和溶氧浓度为：0.2 mmol O2/L，氧分压为，氧分压为0.021M Pa。1.KV与Kd的换算:2.KLa与KGa的换算:在标准3.kd与与KLa、KGa换算：换算：KGa：Kd是以大气压为动力的溶氧系数。根据气体分压定律，其中对是以大气压为动力的溶氧系数。根据气体分压定律，其中对溶氧有贡献的仅是氧分压部分，即溶氧有贡献的仅是氧分压部分，即KLa：再根据其单位进行换算：再根据其单位进行换算：3.kd与KLa、KGa换算：KGa：Kd是以大气压为动力若直接以氧分压为推动力，在计算时就不要若直接以氧分压为推动力，在计算时就不要0.021。若直接以氧分压为推动力，在计算时就不要0.021。第六节 空气中的微生物与除菌方法一、空气中的微生物含量、种类随空气状况而异；北方少，南方多，高空少，城市多，农村少就种类而言，通常细菌芽孢、霉菌孢子居多；空气中的微生物一般附着在尘埃、雾滴上；第六节空气中的微生物与除菌方法一、空气中的微生物二、空气除菌方法1.加热灭菌：采用加热手段（电、蒸汽、空压机）将空气加热到灭菌温度进行灭菌。2.静电电除尘：被电离的空气离子在向电极快速移动过程中撞击上空气中的尘埃、菌体后，使菌体、尘埃移向电极，最终沉降吸附在电极上，以达到除尘除菌的目的。3.介质过滤除尘、除菌 实际使用时根据具体发酵选用除菌方式，一般常用过滤除菌的方法。二、空气除菌方法三、介质过滤除菌按过滤机制不同可分为绝对过滤和深层过滤。绝对过滤：是利用微孔滤膜，其空隙小于0.5m，甚至小于0.1m深层过滤：以纤维（棉花、玻璃纤维、尼龙）、颗粒状介质（活性炭）为过滤层（介质层厚），其空隙大于50m；以超细玻璃纤维、石棉板、烧结金属板、聚四氟乙烯等作为过滤介质（介质层薄），其空隙大于0.5m；三、介质过滤除菌（一）、绝对过滤介质之间的空隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被滤除。介质的空隙小于0.5m，（一）、绝对过滤介质之间的空隙小于被滤除的微生物，当空气流（二）、介质过滤1、介质过滤机理1）惯性碰撞作用 当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动，在接近纤维时，气流碰到纤维而受阻，空气就改变运动方向绕过纤维继续前进。但微生物等颗粒由于具有一定的质量，在以一定速度运动时具有惯性，碰到纤维时，由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维表面上，这叫做惯性滞留作用当气流达到一定速度时，它是介质过滤除尘的主要作用。（二）、介质过滤1、介质过滤机理2）阻截作用 在气流速度在临界速度以下，由于速度很低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，在滞留区内气流速度更慢，在滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留，这种作用称为阻截作用。2）阻截作用3）布朗运动 很小的颗粒在流动速度很慢的气流中能产生一种不规则直线运动，称为布朗运动3）布朗运动 4）重力沉降：当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。5）静电吸附：很多微生物都带电荷（譬如枯草芽孢杆菌孢子中20带正电荷，15带负电荷）；诱导电荷的产生。4）重力沉降：当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒2、过滤效率：过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤设备过滤能力的指标。2、过滤效率：穿透率（P）为：过滤效率：过滤前空气中的微粒数；：过滤后空气中的微粒数；：穿透率；穿透率（P）为：过滤效率：过滤前空气中的微粒数；：过滤后空：过滤前空气中的微粒数；将上式变形后积分：过滤前空气中的微粒数；或 这就是对数穿透定律，表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数，常数K的值与空气流速、纤维充填密度和直径、空气中微粒大小等因素有关。或这就是对数穿透定律，表示进入滤层的微粒数与穿透滤3、影响介质过滤效率的因素1）介质的种类2）介质的直径3）介质密度；4）空气流速；5）介质厚度；6）空气中微粒的大小3、影响介质过滤效率的因素1）介质的种类四、空气过滤器类型1、分类1）以纤维状物（棉花、玻璃纤维、涤纶、微尼纶等）或颗粒状物质（如活性炭）为介质所构成的过滤器.特点：过滤层厚度大，体积大，压力降大，操作麻烦2）以微孔滤纸、滤板、滤棒构成的过滤器。特点：过滤层薄、体积小、压降小，操作简单，价格贵四、空气过滤器类型1、分类2、过滤器的结构类型2、过滤器的结构类型以氧分压差作为动力的传质系数课件以氧分压差作为动力的传质系数课件以氧分压差作为动力的传质系数课件以氧分压差作为动力的传质系数课件五、空气过滤流程1、对空气的要求无菌、干燥、有一定的温度，一定的压力 一般流程如下：高空采风无油润滑空气压缩贮罐冷却一次过滤二次过滤进入发酵罐五、空气过滤流程1、对空气的要求2、典型的空气除菌流程1）将空气冷却至露点以上的流程适用范围：气候干燥地区2、典型的空气除菌流程1）将空气冷却至露点以上的流程一次冷却一次析水的空气预处理流程适用范围：空气湿含量较大地区一次冷却一次析水的空气预处理流程适用范围：空气湿含量较大地高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程 特点：两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到3035，第二级冷却至2025，经分水后加热到3035，因为温度升高，相对湿度下降。高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程特点以氧分压差作为动力的传质系数课件利用热空气加热冷空气的流程适用范围：空气湿含量中等地区利用热空气加热冷空气的流程适用范围：空气湿含量中等地区冷热空气直接混合式空气除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程作业：1、根据传质理论，试述影响氧传递速率的因素2、简述空气介质过滤除菌机理3、试画出适合空气湿含量较大地区所需的一种空气预处理流程（用文字表示）作业：