反应工程

5.2.2氧传递对细胞生长的影响2222222***,max,max*=()()Monod==()OLLOLOLOXOLLOLOLOXOLOLOXOXLOLOLOOLOOLOLOLLOOLdCOTROURdtOTRkaCCOURqCdCkaCCqCdtdCdtCOURqCqCkaCCKCrCCCkaKC培养液中溶解氧浓度的变化若细胞生长符合形式，在稳态下，即：2222222,max***,max*,max*==,=Da==DaOOLOLOLLOOLOOLOOLOLOLOLOOLOOLLOLOLOLXrCCCkaKCKCCKCCrCCkaCKCrkaCr令，则1-最大耗氧速率丹克莱尔数最大传质速率较大，则氧的传递速率较小细胞得不到足够的氧下降氧的消耗速率减小；产物生成速率减小。5.2.3最低溶氧浓度22,min,min**,mimaxn**,minOUR*=OUR*==(OTR)()[1OLOLOLOXLOLOOLOXOLOLLCCCCqCCCCkqCkaC假定：存在临界摄氧率（），此时存在，能满足细胞自由生长的需氧最低量。（若,细胞代谢将发生变化。）合理操作下反应器最大传质速率临界摄氧率（：浪费；：细胞代谢异常）即（）（）最低溶氧？？？（）*]LOLaC*,mi*,minn,min1)OUROUR,ORUUOROOLLOLPPLOLCCrCaqkC若（）则此时，传氧速率产物的生成速率。措施：优化调控细胞的代谢活性；提高反应器的传质效率。2）如大型反应器，会出现浓度分布。此时，大型反应器要维持要求的摄氧率和产物生成与和（）有关与反应器中物速率,则需保证较料高的混合成度有的最低关限制溶氧浓度。P（133页：图5-22）5.2.4液固相和细胞团内氧的传递2=()2=/..=02=LSLOLOSOSLLSpLpOSLSLSOLLSOLOTRkaCCCDkdDmSdmCOTROTRkaCknaCmax稳态时，氧通过细胞团外液膜的传质速率细胞或细胞团外表面处的氧浓度。假定细胞或细胞团为球形，在细胞密度与液体密度非常接近的条件下：氧在液相中的分子扩散系数，细胞或细胞团的直径，当时液，最固相间氧的传大递（）------LSLSLOLpLSDnaCOUdnaROTR单位体积培养液中细胞个数；每个细胞通常，（），表明细胞周围液膜传质平均阻表面积。力较小。2222,max22X2()..,;0,0.P13852OOOeOOOOOOeOOOLRdCdCCDqdrrdrKCCCrDdCrRCCrdr假定细胞团为球体，其半径为，密度为与固定化酶的内扩散反应过程模型相似，得：细胞团密度，亦即细胞团的质量浓度离球心处氧的浓度；氧在细胞内的有效扩散系数边界条件:==求解可用数值法细胞团内氧的传递（例图-3）表明细胞团中央，细胞呼吸受到限制。KLa的测定方法动态法稳态法亚硫酸盐法葡萄糖氧化法测定方法：1)稳态时（细胞生长旺盛），停止向培养液中通气(A点)；2)溶氧浓度下降至一定水平(B点)，并且不低于最小溶解氧浓度时，恢复通气；3)溶解氧逐渐升高，直至达到新的稳态(C点)。ACBtCOL一、动态法单位体积发酵液的氧衡算：222**()()0==OLLOLOLOLOLOOOLOLdCkaCCrdtkaCCddrtrC所以，氧衡溶解氧的变化率摄氧速即：率算：1）A点，细胞生长旺盛，溶解氧水平不再随时间发生变化，突然停止供气和搅拌，则气液两相间不存在样的传递，即2）B点，恢复供气和搅拌，溶氧回升，即22**()1()OLLOLOLOOOLOLLLOdCkdCCrdtaCCrdtCka可改写成：根据恢复通气后溶氧变化的曲线，求出一定的溶氧浓度对应的dCOL/dt(即曲线的斜率)。将(dCOL/dt+rO2)和COL作图，可得一直线，斜率为-1/kLa，COL*为COL轴的截距。斜率：-1/kLaCOL*dCOL/dt+rO2COL优点：可用溶氧电极测定溶氧随时间变化而简单求出kLa;受溶液中其它离子干扰少；可在线快速、连续地测量，所得信息可迅速为发酵过程控制所参考。缺点：在溶氧（DO）低于细胞临界溶解氧浓度时不能用。（因此时过程受传质限制，停止通氧时，测得摄氧率不为常数。）停止通气时测定摄氧率，是假定界面面积a=0。（实际上此时发酵液中的气泡并不会马上消失，即：kLa不会马上为0，因此，COL对t的关系在开始可能不成直线。）用“溶氧电极”，存在传感器的响应滞后问题。稳定状态下2*()OLOLOLrkaCC2*OLOLOLrkaCC222,,=OinOinoutOoutLrFPFPVRT（-）/()即：耗氧速率等于供氧速率。利用氧电极测定反应液中溶解氧浓度C，kLa可由下式求出。稳定状态下对氧衡算Fin、Fout：分别为进出反应器的空气的体积流量。PO2,in、PO2,out：分别为进出反应器的空气的氧分压。二、稳态法正常条件下，亚硫酸根离子的氧化反应非常快，远大于氧的溶解速度。当Na2SO3溶液的浓度在0.018~0.45mol内，温度在20~45℃时，反应速度几乎不变。所以，氧一旦溶解于Na2SO3溶液中立即被氧化，反应液中的溶解氧浓度为零。此时，氧的溶解速度（氧传递速度）成为控制氧化反应速度的决定因素。用碘量法测定过量的Na2SO3消耗速率，进而求出氧的传递速率OTR。三、亚硫酸盐法化法2223224232224223224622222uoCorCNaSOONaSONaSOIHONaSOHINaSOINaSONaI（a）（b）（c）反应机理：操作步骤：（黄原胶或CMC为模拟介质）1）从第一个鼓入气泡开始计时，反应4~20min，定时取样；2）将样品用过量的标准碘液混合，与氧反应剩余的N2SO3全部与I2作用；3）过量的标准I2液用硫代硫酸钠（Na2S2O3）滴定；4）根据计量学，由硫代硫酸钠的消耗量计算出与氧反应的亚硫酸钠的消耗量。•优点：方法简便，在研究反应器的性能、放大和操作条件的影响时很有用。•局限性：模拟的物化性质不可能与实际发酵液完全一样；该方法要求较高的离子浓度，而高离子浓度会使界面面积和传质系数减小。/(2')NaNaOHtV是在有氧条件下，利用葡萄糖氧化酶的催化作用，通过葡萄糖生成葡萄酸的反应，测定kLa的方法。利用一定浓度的氢氧化钠溶液滴定一定量反应液至中性，由氢氧化钠的消耗求出氧的溶解速度Na。式中：t——取样时间间隔；V’——滴定样品量。四、葡萄糖氧化法kLa值可由下式给出：*/()LOLOLkaNaCC式中：COL——溶氧仪给出的溶解氧浓度值。