第七章氣液質(zhì)量傳遞(編輯修改稿)
2025-02-03 21:29 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 pI — 氣液界面氧分壓， Pa CI — 氣液界面氧濃度， mol/m3 。 CL — 液相主體氧濃度， mol/m3 p* — 與 CL平衡的氣相氧分壓， Pa 。 C*— 與 p平衡的液相氧濃度， mol/m3 KG — 以氧分壓為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù) , mol/(m2sPa) KL — 以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)， m/s 在穩(wěn)定情況下，氧分子從氣體主體擴(kuò)散到液體主體的傳遞速率可表示為： OTR = KL a ( C* － CL ) OTR — 單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率， mol/(m3〃s) a — 比表面積， m2/m3 KL — 以氧濃度為推動(dòng)力的傳遞系數(shù)， m/s G/? = KLa V (C* CL) G 溶解于液體中的氧量， mmol ? 氣 液接觸時(shí)間， h V 培養(yǎng)液的體積， L CL 液相中氧的濃度， mmol/L C* 與氣相中氧分壓相平衡的液相中的氧飽和濃度，mmol/L KL 以濃度差表示推動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)（氧傳質(zhì)系數(shù)），m/h a 比表面積（即單位體積的液體中所含的氣 液接觸面積）， m2/m3 氧傳質(zhì)方程： G/? = KLa V (C* CL) OTR = KL a ( C* － CL ) 由于“ a”不易測得，因此常將 KLa作為一項(xiàng)來處理，稱為 體積氧傳遞系數(shù) 或 供氧系數(shù) ，單位為 h1 微生物對(duì)氧的需求速率，也即使氧不成為發(fā)酵的限制因素而必須滿足的供氧速率： G/? = QO2XV = r V OTR = r QO2 微生物的呼吸強(qiáng)度， mmol O2/g(干菌體 )〃h X 菌體濃度， g/L V 培養(yǎng)液體積， L r 培養(yǎng)物的攝氧率， mmolO2/L〃h 在發(fā)酵過程中，當(dāng)溶氧濃度不變時(shí)，氧溶于液相的速率等于微生物對(duì)溶氧的需求速率，則： 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，此時(shí)發(fā)酵液中溶解氧濃度 CL會(huì)不斷增加，趨近于 C* 。 ◆ 若需氧速率大于供氧速率，則 CL 逐漸下降而趨向于零（盡管此時(shí)通氣和攪拌可能仍在進(jìn)行） 由上式可看出，當(dāng)微生物的攝氧率不變時(shí)（假定 C* 在一定條件下也不變）， KLa 越大，發(fā)酵液中溶解氧濃度CL也越大；所以可用 KLa的大小來衡量發(fā)酵設(shè)備的通氣效率。 KLa = r C* CL ◆ 實(shí)驗(yàn)室用的搖瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其 KLa值約為 1～ 100 h1； ◆ 帶攪拌的發(fā)酵罐，其 KLa值約為 200～ 1000 h1。 第三節(jié) 發(fā)酵液的流變特性 ◆ 微生物發(fā)酵液是由三個(gè)體系組成的，即液相、固相和氣相 液相中有可溶性的營養(yǎng)物、可溶性鹽類和微生物代謝產(chǎn)物； 固相包括單個(gè)菌絲體或菌絲團(tuán)（菌絲叢）、不溶性營養(yǎng)物和某些特殊的微生物代謝物； 氣相包括通入的無菌空氣（包括未溶解的氧）、微生物代謝產(chǎn)生的 CO2等氣體、某些低分子量易揮發(fā)的物質(zhì)等 ◆ 由于微生物的代謝作用，發(fā)酵液中各種物質(zhì)的組成不斷變化，表現(xiàn)為發(fā)酵液的理化性質(zhì)的不斷變化，如固形物質(zhì)的含量、發(fā)酵液的黏度、表面張力、離子強(qiáng)度等。 這些變化對(duì)三相體系之間的混合 、氧的溶解速度、營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移等均產(chǎn)生影響。 一、流體類型 在切向力作用下平行板內(nèi)液體速度分布 在兩塊相互靠近的平行板之間充滿液體，下板固定不動(dòng)，給上板施加一作用力 F，使上板以一定的速度 ?運(yùn)動(dòng)。 其中與上板接觸的流體層以與上板相同的速度一起運(yùn)動(dòng)，與下板接觸的流體則保持靜止，中間各層因流體的內(nèi)摩擦產(chǎn)生速度不等的平行運(yùn)動(dòng)，在流體層中產(chǎn)生速度 梯度。 剪應(yīng)力 (shear stress) —— 單位流體面積上的切向力； F/A 當(dāng)剪應(yīng)力與速度梯度成正比時(shí)，可用牛頓黏性定律來表示： ? — 剪應(yīng)力， N/m2 或 Pa d? /dx = ? — 速度梯度或 切變率 (shear rate)， s－ 1 ? — 液體黏度， (kg〃s)/m 2 ?? = ?（ d? /dx） = ? ? ? = ?? / ? 牛頓型與非牛頓型流體剪應(yīng)力與切變率的關(guān)系 1 牛頓型流體 2平漢塑性流體 3擬塑性流體 4漲塑性流體 5凱松流體 牛頓型流體 非牛頓型流體 平漢塑性流體 擬塑性流體 漲塑性流體 凱松流體 一） 牛頓型 (Newtonian) 流體 1）服從牛頓黏性定律； 2）剪應(yīng)力與剪切速率之間呈直線關(guān)系；直線的斜率即為黏度 ? ； 3）黏度 ? 只是溫度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關(guān)，因此是一常數(shù)。 也即意味著發(fā)酵罐中攪拌轉(zhuǎn)速的快慢對(duì)黏度沒有影響，且在發(fā)酵罐的全培養(yǎng)液中的任何局部的黏度相同。 二）非牛頓型流體 1）不服從牛頓黏性定律 2）其黏度 ?不是常數(shù)，它不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而異，因此沒有固定的黏度值。 平漢塑性流體 擬塑性流體 漲塑性流體 凱松流體 3）根據(jù)剪應(yīng)力與切變率間的關(guān)系，分為： 擬塑性（ pseudoplastic）流體 ◆ 主要特征是黏度隨著剪應(yīng)速率的增高而降低。 ◆ 流體的剪應(yīng)力與剪切速率間不呈直線關(guān)系，而呈 凸形曲線 關(guān)系，表明剪切速率的增加，剪應(yīng)力的增加隨之減小，即增加流速會(huì)降低流體的粘性阻力。 K— 均勻度常數(shù)（稠度系數(shù)）， Pas n — 流態(tài)指數(shù) 流態(tài)指數(shù) n 表示 非牛頓流體性質(zhì)的顯著程度， n = 1為牛頓型流體； n 值偏離 1愈遠(yuǎn)，非牛頓型流體性質(zhì)愈顯著。 ? = K ? n ◆ 其流變特性可表示為： 0＜ n＜ 1 ◆ 擬塑性流體，在不同攪拌轉(zhuǎn)速下，所顯示出的黏度不同；在同一攪拌轉(zhuǎn)速下，培養(yǎng)液中的剪應(yīng)速率隨著離開攪拌渦輪的徑向距離，按指數(shù)倍數(shù)降低，故離開渦輪的徑向距離越遠(yuǎn)，黏度越高。 ◆ 許多高分子化合物如黃原膠、聚丙烯酸鈉、
范文總結(jié)相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1