6 生物反应器中的氧传递
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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。
工装制作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，每升发酵液中菌体数一般为108~109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
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。
传氧方向
6-1pet镭射膜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支撑板C无线演示控制器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*=HC
H为亨利常数，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)
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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：
2Na2SO3+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+2NaI
O2 ~ Na2SO3 ~ I2 ~ Na2S2O3
1 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，25ºC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。
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