第七章 生物反应器中的物质传递
微生物反应过程传质的几种水平
?胞内传质
?细胞膜－胞外传质
?超细胞传质
? 对于需氧的微生物反应，还存在一个氧
从气相通过扩散进入液相，进而又经扩
散进入絮凝体内部供给细胞进行呼吸的
传递过程
氧在传递过程中存在的传递阻力
① 氧从气相主体扩散到气－液界面的阻力
② 通过气－液界面的阻力
③ 通过气泡外测的滞流液膜, 到达液相主体的阻力
④ 液相主体中的传递阻力
⑤ 通过细胞或细胞团外的滞流液膜, 到达细胞团与液
体界面的阻力
⑥ 通过液体与细胞团之间界面的阻力
⑦ 细胞团内在细胞与细胞之间的介质中的扩散阻力
⑧ 进入细胞的阻力
① ～④项属供氧方面的阻力；⑤～⑧项为
耗氧方面的阻力。当单个细胞以游离状
态悬浮于液体中时第⑦项阻力消失
§ 1.微生物的氧消耗速度与氧的需求
? 溶解氧
气相中氧分压的影响服从亨利定律
（ Henry′ s law）
氧的消耗速度
? 氧比消耗速度（呼吸速度）的关系式为
? 如果
? 如果碳源消耗于菌体、水和 CO2外，不生成代谢
产物，则
因此
氧消耗速度 为
XQr OO ??
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§ 2.气体吸收
? 气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶
解的物质传递过程。
? 物质传递速度的机理，主要模型有根据
Whiteman建议的稳定模型（ 1923年提出）
与 Higbie提供的不稳定模型（ 1935年提
出），前者以双膜学说（ two-film
theory）。
稳定模型
三种假定：
1,在气, 液两相的主流内, 溶解气体主要通过对
流传递, 可是沿着气液界面的气, 液两侧各存
在着层流薄膜, 溶质气体只靠分子扩散在两界
膜内移动 。
2,溶解气体在两界膜内的浓度分布与时间无关
（ 稳定状态 ） 。
3,在界面处, 气相中的分压与液相中的浓度之
间常常达到平衡, 在那里完全不存在物质传递
的阻力 。
? 通过气膜的传氧推动力为，继续通过液
膜时推动力为。在稳定传质过程中，通
过两膜的传氧速率应相等,
? 此 pi式中和 ci均无法测量, 故此式无实用
价值 。 为了实用, 应将不可测量的参数
改写成与之有函数关系并且可以测量的
其它参数 。
? 用总传质系数代替分传质系数, 用总的
传质推动力代替分推动力, 把上式改写
为：
? 总传质系数 分别与膜传质系数
的关系为
? 对于氧的难溶于水来说,H很小，气膜传
递阻力 与液膜传递阻力相比
可忽略，即，因此
不稳定模型
? 这个模型是指气体不稳定地被吸收到不
紊乱的液体（即静止或层流流动的液体）
中的情况。如果含有某一溶解气体的气
相与某液体相接触时，则液侧界面近傍
的浓度分布随时间变化，不成为稳定状
态。若只考虑不稳定分子扩散的吸收，
则在时间内平均吸收速率可用下式表示：
影响 的因子
? 需氧微生物反应器的性能，用体积系数
表示，体积系数高的设备性能好
akL
体积溶氧系数的测定方法
① 亚硫酸盐氧化法
② 极谱法
③ 氧的物料衡算法
④ 溶氧电极法
应用溶氧电极测定
? 通气搅拌系统的体积传氧系数 为溶
解氧积累 akL
测定的三个用途
? 1,对生物反应器的传氧性能进行测定, 以便
选择最佳条件进行操作, 并对其进行评价 。
? 2,对发酵过程传氧性情况进行了解, 以便判
断发酵过程的供氧情况 。
? 3,为通风罐的研究过程找出设备参数 （ 如 ）,
操作变数 （ 如 N－搅拌器转数 Q－通风量 ） 与
的关系, 以便进行运用发酵罐的放大和合理设
计 。