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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 k a 的三种测定方法；设备参数及操作 L 变数对体积溶氧系数 k a 的影响；发酵液流变学性质对体积溶氧系数k a 的影响；提高 L L 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 k a 的影响 L 6.5 提高 k a 和 N 的措施 L V 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 k a 的影响。 L 3. 发酵液的流变学性质对 k a 的影响。 L 4. 提高体积溶氧系数 k a 和体积溶氧速率 N 的措施。 L V 难点： 1. 双膜理论 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、20ºC 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 8 9 液中菌体数一般为 10 ~10 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 气相 液相 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 气 液 膜 膜 气 Ci 液 相 相 主 主 Pi 流 C 流