第七章 發(fā)酵工業(yè)中氧的供需

1、COOHCHOHCHCHO32321. 1. 微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1)(1)呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率） QO2 ：單位質(zhì)量干菌體在單位：單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量。表示微生物的絕對耗氧量。時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量。表示微生物的絕對耗氧量。 單位：單位：m mmol O2/（kg干菌體干菌體 h）。(2) 攝氧率（耗氧速率）攝氧率（耗氧速率） ：單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)：單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧的量。消耗氧的量。 單位：單位：kg(干重干重)/m32. 2. 呼吸強(qiáng)度與攝氧率的關(guān)系呼吸強(qiáng)度與攝氧率的關(guān)系2. 2. 呼吸強(qiáng)度與攝氧率的關(guān)系

2、呼吸強(qiáng)度與攝氧率的關(guān)系3. Q3. QO2O2與溶氧濃度與溶氧濃度C CL L關(guān)系關(guān)系(1) Ccr的定義的定義 微生物的呼吸強(qiáng)度受發(fā)酵液中氧的濃度的影響，各種微生微生物的呼吸強(qiáng)度受發(fā)酵液中氧的濃度的影響，各種微生物對發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)最低要求，即不影響呼吸所物對發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)最低要求，即不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度，稱為允許的最低溶氧濃度，稱為臨界氧濃度臨界氧濃度，以，以Ccr表示。表示。 CL Ccr，QO2 保持恒定保持恒定 CLCcr時(shí)，時(shí)， QO2 (QO2)m(3) 當(dāng)當(dāng)CL1.微生物本身遺傳特征的影響微生物本身遺傳特征的影響，如如 k0，QO2培養(yǎng)基的成分和濃度培養(yǎng)

3、基的成分和濃度 碳源種類碳源種類 耗氧速率：油脂或烴類耗氧速率：油脂或烴類葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 培養(yǎng)基濃度培養(yǎng)基濃度 濃度大濃度大, QO2 ; 濃度小濃度小, QO2菌齡的影響菌齡的影響: :一般幼齡菌一般幼齡菌QO2大大, ,晚齡菌晚齡菌QO2小小發(fā)酵條件的影響發(fā)酵條件的影響-pH值值 通過酶活來影響耗氧特征通過酶活來影響耗氧特征; -溫度溫度 通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T , DO2 代謝類型代謝類型(發(fā)酵類型發(fā)酵類型)的影響的影響-若產(chǎn)物通過若產(chǎn)物通過TCA循環(huán)獲取循環(huán)獲取, ,則則QO2高高, ,耗氧量大耗氧量大- 若產(chǎn)物通過若產(chǎn)物通過E

4、MP途徑獲取途徑獲取, ,則則QO2低低, ,耗氧量小耗氧量小一、一、供氧的實(shí)現(xiàn)形式供氧的實(shí)現(xiàn)形式二、發(fā)酵過程中氧的傳遞二、發(fā)酵過程中氧的傳遞1. 1. 氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力2. 2. 氣體溶解過程的雙膜理論氣體溶解過程的雙膜理論 3. 3. 氧傳遞方程氧傳遞方程4. 4. 發(fā)酵過程中溶氧與耗氧的變化發(fā)酵過程中溶氧與耗氧的變化5. 5. 影響氧傳遞的因素影響氧傳遞的因素 搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和攪拌緩和，通氣緩和 表面通氣，膜透析（擴(kuò)散）表面通氣，膜透析（擴(kuò)散） 搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少 通無菌

5、空氣并攪拌通無菌空氣并攪拌 氣升式氣升式 發(fā)酵罐水平發(fā)酵罐水平需氧量小需氧量小發(fā)酵罐發(fā)酵罐需氧量大需氧量大1.1.氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力氣膜傳遞阻力氣膜傳遞阻力氣液界面氣液界面?zhèn)鬟f阻力傳遞阻力液膜傳遞阻力液膜傳遞阻力液相傳遞阻力液相傳遞阻力細(xì)胞或細(xì)胞細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液團(tuán)表面的液膜阻力膜阻力固液界面固液界面?zhèn)鬟f阻力傳遞阻力細(xì)胞團(tuán)內(nèi)細(xì)胞團(tuán)內(nèi)傳遞阻力傳遞阻力細(xì)胞膜細(xì)細(xì)胞膜細(xì)胞壁阻力胞壁阻力細(xì)胞內(nèi)反細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力應(yīng)阻力n供氧方面主要阻力是氣膜和液膜阻力供氧方面主要阻力是氣膜和液膜阻力 n耗氧方面主要阻力是細(xì)胞團(tuán)內(nèi)與細(xì)胞膜阻力耗氧方面主要阻力是細(xì)胞團(tuán)內(nèi)與細(xì)胞膜阻力2.2.氣體溶解

6、過程的雙膜理論氣體溶解過程的雙膜理論雙膜理論的基本前提雙膜理論的基本前提(三點(diǎn)假設(shè)三點(diǎn)假設(shè))氣泡和包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡氣泡和包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面液體一側(cè)存在著一層液膜；一側(cè)存在著一層氣膜，在界面液體一側(cè)存在著一層液膜；氣膜內(nèi)氣體分子和液膜內(nèi)液體分子都處于層流狀態(tài)，氣膜內(nèi)氣體分子和液膜內(nèi)液體分子都處于層流狀態(tài)，氧以氧以濃度差方式透過雙膜濃度差方式透過雙膜 氣泡內(nèi)氣膜以外的氣體分子處于對流狀態(tài)，稱為氣體主流，氣泡內(nèi)氣膜以外的氣體分子處于對流狀態(tài)，稱為氣體主流，任一點(diǎn)氧濃度，氧分壓相等；液膜以外的液體分子處于對流狀態(tài)，任一點(diǎn)氧

7、濃度，氧分壓相等；液膜以外的液體分子處于對流狀態(tài)，稱為液體主流，任一點(diǎn)氧濃度稱為液體主流，任一點(diǎn)氧濃度、氧分壓相等。氧分壓相等。在雙膜之間界面上在雙膜之間界面上，氧分壓與溶于液體中氧濃度處于平衡氧分壓與溶于液體中氧濃度處于平衡關(guān)系關(guān)系 氧傳遞過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)氧傳遞過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳質(zhì)途徑上傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不各點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)間而變化隨時(shí)間而變化3.3.氧傳遞方程氧傳遞方程 在氣液傳質(zhì)過程中，通常將在氣液傳質(zhì)過程中，通常將KLa作為一項(xiàng)處理，稱為體積作為一項(xiàng)處理，稱為體積溶氧系數(shù)或體積傳質(zhì)系數(shù)。溶氧系數(shù)或體積傳質(zhì)系數(shù)。 在單位體積培養(yǎng)液中，氧的傳質(zhì)速率（在單位體積培養(yǎng)液中，氧的傳質(zhì)速

8、率（氣液傳質(zhì)的基本方氣液傳質(zhì)的基本方程式程式）為）為 OTR單位體積培養(yǎng)液中氧的傳遞速率單位體積培養(yǎng)液中氧的傳遞速率， KLa以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)，h-1,s-1 KGa以分壓差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)以分壓差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù), C* 與氣相中氧分壓與氣相中氧分壓P到達(dá)平衡時(shí)氧的濃度，到達(dá)平衡時(shí)氧的濃度，kmol/m3 P* 與液相中氧濃度與液相中氧濃度CL相平衡時(shí)氧的分壓，相平衡時(shí)氧的分壓，MPa)PP(H1K)PP(K)CC(KOTR*La*GaL*La )hm(olkm3)MPahm(olkm34. 4. 發(fā)酵過程中溶氧與耗氧的變化發(fā)酵過程中溶

9、氧與耗氧的變化4. 4. 發(fā)酵過程中溶氧與耗氧的變化發(fā)酵過程中溶氧與耗氧的變化由氣液傳遞速率方程由氣液傳遞速率方程)(*LLaCCKOTR 2. kLa的影響因素的影響因素5. 5. 影響氧傳遞的因素影響氧傳遞的因素1. 影響推動(dòng)力影響推動(dòng)力C*-CL的因素的因素 影響比表面積影響比表面積a的因素的因素影響液膜傳遞系數(shù)影響液膜傳遞系數(shù)kL的因素的因素可知，影響氧傳遞速率的因素（即影響供氧的因素）有：可知，影響氧傳遞速率的因素（即影響供氧的因素）有： 氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。在在1.01105Pa和和溫度在溫度在433的范圍內(nèi)，與空氣平衡的純水中，

10、氧的濃度的范圍內(nèi)，與空氣平衡的純水中，氧的濃度可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算: t溫度溫度, T ，Cw* ，推動(dòng)力，推動(dòng)力 6 .316 .14*tCw 設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù) 單位體積的液體的攪拌功率的指數(shù)單位體積的液體的攪拌功率的指數(shù)隨培養(yǎng)裝置的規(guī)模而隨培養(yǎng)裝置的規(guī)模而相應(yīng)變化相應(yīng)變化 如如: 小試小試 9L=0.95 中試中試 500L=0.67 生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模 27T54T=0.50 可見可見, 在放大過程中在放大過程中, KLa在相同條件下會(huì)減小在相同條件下會(huì)減小。 如如20T的伍式發(fā)酵罐的伍式發(fā)酵罐: =0.72, =0.11 對于對于值值:彎葉彎葉平葉平葉箭葉箭葉 對于對

11、于值值:彎葉彎葉箭葉箭葉平葉平葉 但是破碎細(xì)胞能力但是破碎細(xì)胞能力: 平葉平葉箭葉箭葉彎葉彎葉 翻動(dòng)流體能力翻動(dòng)流體能力: 箭葉箭葉彎葉彎葉平葉平葉 此外，攪拌器的直徑大小、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的此外，攪拌器的直徑大小、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對相對位置等對KLa都有影響都有影響. 平葉平葉箭葉箭葉彎葉彎葉發(fā)酵過程中攪拌轉(zhuǎn)速和溶氧的變化發(fā)酵過程中攪拌轉(zhuǎn)速和溶氧的變化箭葉：在箭葉：在4h左右溶氧就從左右溶氧就從90的下降到的下降到14.8%，通過不斷提高轉(zhuǎn)數(shù)，通過不斷提高轉(zhuǎn)數(shù)DO水平始終維持在水平始終維持在20%左右。左右。平葉：在平葉：在8h左右才下降到左右才下降到23.4

12、3%; 中后期中后期DO水平則一直在水平則一直在40%以上。以上。慶大霉素的生產(chǎn)水平提高了慶大霉素的生產(chǎn)水平提高了40%40%以上以上 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速NPG KLa 攪拌作用攪拌作用(影響影響KLa原理原理) 將通入培養(yǎng)液的空氣分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝并，將通入培養(yǎng)液的空氣分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝并，從而增大氣液相的接觸面積，即從而增大氣液相的接觸面積，即aKLa溶氧溶氧 攪拌產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時(shí)間，溶氧攪拌產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時(shí)間，溶氧 攪拌造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳遞過攪拌造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳遞過程的阻力，即

13、程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧溶氧 攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中接觸面積的增攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中接觸面積的增加，使推動(dòng)力均一；同時(shí)，也減少菌體表面液膜的厚度，有利加，使推動(dòng)力均一；同時(shí)，也減少菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞于氧的傳遞 N并不是越大越好并不是越大越好 剪切力剪切力， 對細(xì)胞損傷對細(xì)胞損傷，對形態(tài)破壞對形態(tài)破壞 PG,發(fā)酵期間攪拌熱發(fā)酵期間攪拌熱,增加傳熱負(fù)荷增加傳熱負(fù)荷 N 在通氣量在通氣量Q較低時(shí)較低時(shí), QWs KLa 表面活性劑的濃度表面活性劑的濃度KLa受兩種受兩種趨勢影響趨勢影響 菌絲濃度對菌絲濃度對KLa的影響的影響一、氧在

14、水中的溶解度一、氧在水中的溶解度 氧往往成為好氧發(fā)酵的限制性因素氧往往成為好氧發(fā)酵的限制性因素二、提高溶氧速率的措施二、提高溶氧速率的措施機(jī)械攪拌可以提高通風(fēng)效果的原因機(jī)械攪拌可以提高通風(fēng)效果的原因在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行好氧菌培養(yǎng)的具體方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行好氧菌培養(yǎng)的具體方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行好氧菌培養(yǎng)的具體方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行好氧菌培養(yǎng)的具體方法三、發(fā)酵過程中溶解氧的變化及濃度控制三、發(fā)酵過程中溶解氧的變化及濃度控制三、發(fā)酵過程中溶解氧的變化及濃度控制三、發(fā)酵過程中溶解氧的變化及濃度控制第四節(jié)第四節(jié) 溶解氧、攝氧率、溶解氧、攝氧率、KLa的測定的測定 原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性KI

15、溶液，溶液，生成氫氧化錳生成氫氧化錳沉淀，沉淀，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸錳，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸錳，再在反應(yīng)液中加入再在反應(yīng)液中加入H2SO4, 釋放出游離的碘，釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)然后用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3液滴定液滴定。 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2十十Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十十Na2S4O6氧濃度與擴(kuò)散電流的關(guān)系氧濃度與擴(kuò)散電流的關(guān)系 ADFLiCCLCL2ADFLiCLL2 復(fù)膜氧電極類

16、型：極譜型；原電池型復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型 原理：復(fù)膜氧電極測得的實(shí)際為氧從液相主體到陰極的擴(kuò)原理：復(fù)膜氧電極測得的實(shí)際為氧從液相主體到陰極的擴(kuò) 散速率。當(dāng)擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單位面積氧的擴(kuò)散散速率。當(dāng)擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單位面積氧的擴(kuò)散速率為：速率為： no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根據(jù)根據(jù)Faraday定律，原電池型氧電極的穩(wěn)定電流為：定律，原電池型氧電極的穩(wěn)定電流為： i=4F A no2= 4F A K (PL-Pc)=K PL 溶氧電極測定的實(shí)際是液體中的氧分壓溶氧電極測定的實(shí)際是液體中的氧分壓 復(fù)膜氧電極示意

17、圖復(fù)膜氧電極示意圖 （a）極譜型）極譜型 （b）原電池型）原電池型0dtdCL 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)，LOoooiiiLLXVQRTpQRTpQdtdCV2)(12oooiiiLORTpQRTpQVXQ 如果在某一時(shí)刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來如果在某一時(shí)刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪拌轉(zhuǎn)速，則的攪拌轉(zhuǎn)速，則（CLCcr）XQdtdCOL2 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 氧溶解速度與亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反應(yīng)速度快，不氧溶解速度與亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反應(yīng)速度快，不需特殊儀器。需特殊儀器。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 不及極譜法準(zhǔn)確；不及極譜法準(zhǔn)確； 只能評價(jià)發(fā)酵罐的傳氧性能，且工作容積在只能評價(jià)發(fā)酵罐的傳氧性能，且工作容積在4-80L

18、以內(nèi)以內(nèi)才較準(zhǔn)確可靠；才較準(zhǔn)確可靠； 不能對發(fā)酵過程實(shí)測，不能對發(fā)酵過程實(shí)測，Na2SO3對微生物生長有影響，對微生物生長有影響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳遞。且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳遞。 原理原理 當(dāng)電解電壓為當(dāng)電解電壓為0.61.0V時(shí)，擴(kuò)散電流的大小與液體中時(shí)，擴(kuò)散電流的大小與液體中溶解氧的濃度呈正比關(guān)系。溶解氧的濃度呈正比關(guān)系。 由式由式 求得求得KLa 優(yōu)點(diǎn)：可以測定培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中的溶解氧濃度，進(jìn)而優(yōu)點(diǎn)：可以測定培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中的溶解氧濃度，進(jìn)而可計(jì)算出溶氧系數(shù)?？捎?jì)算出溶氧系數(shù)。 缺點(diǎn)：樣品取出發(fā)酵罐后，外壓自罐壓降至大氣壓，測得缺點(diǎn)：樣品取出發(fā)酵罐后，外壓自罐壓降至大氣壓，測得的氧濃度已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測得的的氧濃度已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測得的QO2與在發(fā)與在發(fā)酵罐中的實(shí)際情況不完全一致，因而誤差較大。酵罐中的實(shí)際情況不完全一致，因而誤差較大。LLOLLaCCCCXQCCK*2*斜率 對發(fā)酵液中的氧進(jìn)行物料衡算對發(fā)酵液中的氧進(jìn)行物料衡算)(*LLaLCCKdtdC0dtdCL)/(*LLaCCK對大型發(fā)酵罐，可用平均推動(dòng)力對大型發(fā)酵罐，可用平均推動(dòng)力 )()