Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
порядков превышает толщину гипотетической пленки, и транспорт кислорода
из пузырьков воздуха в жидкость можно представить так, как это сделано на
рис. 10.10. В газовой пленке йарциальное давление кислорода меняется от
ро2 - парциального давления во всем объеме газовой фазы до ро2 i -
парциального давления в газо-
440
Глава 10
вой пленке непосредственно у границы раздела фаз; соответственно в жидкой
пленке концентрация растворенного кислорода меняется от Co2i -
равновесной концентрации при насыщении,, соответствующей ро2 ь до Со2 -
концентрации во всем объеме жидкости.
Поскольку кислород на поверхности раздела не накапливается, скорость
переноса кислорода на единицу площади в газовой и жидкой пленках будет
одинакова и равна
(Роз -Po2i) = К (Co2i-с0г), (76>
где ka и kh - коэффициенты массопереноса соответственно для газовой и
жидкой пленок. Для воздуха и других газовых смесей, содержащих кислород,
po2i и Co2t определить нельзя; в этих случаях используются коэффициенты
переноса Ка для газа и kL для жидкости:
А^оа = -Ко (Ро2-Р*о2) = Кь (с*о2-с0г), (77)
где р*о2 - равновесное парциальное давление, соответствующее Со2, а с*о2
- равновесная концентрация, соответствующая парциальному давлению ро2-
Тогда, согласно закону Генри, получаем
Ро2 - Но2 с* о2> (78)
Р* оа = но2Со2, (79)
Po2i ~ Но2 Co2j. (80)
Сделав подстановку в уравнения (75) и (76), имеем
1 1 . но2
Kq ka
1 1
Кь Н0, kQ
(81)
(82)
Величины, обратные коэффициентам массопереноса, называются коэффициентами
сопротивления транспорту, т. е. \jka и 1/?l - соответственно коэффициенты
сопротивления в газовой: и жидкой пленках, a 1/Kg и I/Kl - соответственно
коэффициенты сопротивления для всего объема газа и всего объема жидкости.
Их относительные значения зависят от растворимости газа. При абсорбции
очень хорошо растворимого газа, например аммиака в воде, постоянная Генри
Hnh3 очень мала, и последним членом в уравнении, аналогичном (81), можно
пренебречь, так что коэффициент массопереноса для газовой
Химическая технология и биотехнология
441
фазы Ка практически равен коэффициенту для газовой пленки kG; абсорбция
лимитируется процессами, происходящими в газовой пленке. При абсорбции
(транспорте) кислорода, который растворяется в воде слабо, постоянная Но2
очень велика, так что в уравнении (82) член 1/Ho2&g очень мал и им можно
пренебречь. Коэффициент массопереноса для жидкой фазы Кг. ¦практически
равен коэффициенту массопереноса для жидкой пленки kb\ абсорбция
кислорода лимитируется процессами, протекающими в пленке жидкости. Когда
газовая фаза содержит кислород, po2i = po2 и kG - бесконечно большая
величина, так что абсорбция в этом случае также лимитируется процессами в
жидкой пленке.
В большинстве аэробных биореакторов кислород поступает в культуральную
среду из пузырьков воздуха, диспергированных в ней; в этом случае
необходимо оценить скорость массо-передачи кислорода в единице объема, и
уравнение (77) принимает следующий вид:
Яо2 - KLa (с*о2 cQJ, (83)
где Ко2 - скорость переноса кислорода на единицу объема жидкости, а -
удельная площадь поверхности раздела фаз газ - жидкость, т. е. площадь
поверхности раздела фаз на единицу объема жидкости. При насыщении
с*о2=Со2 и перенос кислорода не происходит. Однако находящиеся в среде
микроорганизмы будут потреблять кислород в процессе своей
жизнедеятельности, так что с*о2 станет больше Со2 и начнется перенос. В
случае модели двух пленок Кь определяется следующим образом:
(84>
где 3) - коэффициент диффузии, б - толщина пленки жидкости. Для другой
модели поглощения газа Кг. определяется иным способом. В модели Хигби
Кь= 2VW?, (85)
а в модели Данквертса
Къ=УШ~о, (86)
где t* - это время нахождения элементарного объема жидкости на
поверхности раздела, a tD - эквивалентное время диффузии.
Транспорт кислорода из пузырька в жидкую среду - это лишь часть общего
процесса переноса кислорода к бактериаль-
442
Глава 10
ным клеткам. Как было показано для переноса кислорода из; пузырьков в
жидкость, транспорту препятствуют разного рода факторы, один из которых
является лимитирующим. Понятие сопротивления переносу можно
распространить и на последующие стадии процесса. Кислород, поступив в
культуральную среду, должен затем транспортироваться к месту его
использования в микроорганизме. Сопротивление переносу складывается
Длина пути переноса (масштаб не соблюден)
Рис. 10.11. Различные типы сопротивления транспорту кислорода из пузырька
газа к месту его использования микроорганизмом (обобщение модели Уитмена;
обозначения см. в тексте).
из сопротивления со стороны жидкой фазы (1/йв), которым' для невязких,
ньютоновских жидкостей в условиях полной турбулентности можно пренебречь,
из сопротивления со стороны жидкой пленки, прилегающей к поверхности
бактериальной клетки, хлопьям, осадку или к поверхности мицелия (1/&м) и
либо внутриклеточного сопротивления в случае дисперсионных культур, либо
межклеточного (включая и внутриклеточное) в случае хлопьев, осадков и
