發(fā)酵學(xué)第6章通氣與攪拌

1、氧是生物體生存的重要元素細(xì)胞的組成成分和各種產(chǎn)物的構(gòu)成元素細(xì)胞的組成成分和各種產(chǎn)物的構(gòu)成元素生物能量代謝的必需元素生物能量代謝的必需元素v好氧微生物在新陳代謝過程中（基質(zhì)的氧化、菌好氧微生物在新陳代謝過程中（基質(zhì)的氧化、菌體的生長(zhǎng)、產(chǎn)物的形成）需要氧氣，而氧氣本身體的生長(zhǎng)、產(chǎn)物的形成）需要氧氣，而氧氣本身是難溶性的氣體，在培養(yǎng)過程中不能像其它的可是難溶性的氣體，在培養(yǎng)過程中不能像其它的可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一樣，一次供應(yīng)就滿足要求，而只溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一樣，一次供應(yīng)就滿足要求，而只能維持很短的時(shí)間。能維持很短的時(shí)間。 難溶：難溶：2525、一個(gè)大氣壓，空氣中的、一個(gè)大氣壓，空氣中的O O2 2在純水中的在

2、純水中的溶解度僅溶解度僅0.25mol/m0.25mol/m3 3。發(fā)酵液中含有各種成分，其溶解。發(fā)酵液中含有各種成分，其溶解度更低。度更低。 對(duì)于菌體濃度為對(duì)于菌體濃度為10101515個(gè)個(gè)/m/m3 3的發(fā)酵液，假定每個(gè)菌體的的發(fā)酵液，假定每個(gè)菌體的體積為體積為1010-16-16 m m3 3，細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度為，細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度為2.62.61010-3 -3 molO molO2 2/(kgs)/(kgs)，菌體密度為菌體密度為1000 kg/m1000 kg/m3 3，含水量，含水量80%80%，則每立方米培養(yǎng)液的，則每立方米培養(yǎng)液的需氧量為：需氧量為： 1010-16-1610101

3、515100010000.2 0.2 2.6 2.61010-3 -3 =0.052 molO =0.052 molO2 2/(m/(m3 3s) s) 0.25 0.25 0.052 = 4.8 (s) 0.052 = 4.8 (s) 培養(yǎng)液中的溶解氧最多可用培養(yǎng)液中的溶解氧最多可用4.84.8秒，因此必須連續(xù)通氣。秒，因此必須連續(xù)通氣。v1.供給微生物生長(zhǎng)和代謝所需的氧氣。v 2. 使發(fā)酵液充分混合，以便形成均勻的微生物懸浮液，促使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)從發(fā)酵液向菌體內(nèi)及代謝產(chǎn)物從菌體內(nèi)向發(fā)酵液的傳遞。生化反應(yīng)器通氣與攪拌目的v第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵罐發(fā)酵罐v第二節(jié)第二節(jié) 工業(yè)發(fā)酵過程中氧的需求工業(yè)發(fā)酵過程

4、中氧的需求v第三節(jié)第三節(jié) 氧在溶液中的傳遞氧在溶液中的傳遞v第四節(jié)第四節(jié) 影響供氧的因素影響供氧的因素v第五節(jié)第五節(jié) 溶解氧、攝氧率和溶解氧、攝氧率和K Kl la a的測(cè)定的測(cè)定v一、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐v二、其他發(fā)酵罐第一節(jié) 發(fā)酵罐通風(fēng)發(fā)酵罐的類型v機(jī)械攪拌發(fā)酵罐v自吸式發(fā)酵罐v氣升式發(fā)酵罐v伍式發(fā)酵罐v文氏管發(fā)酵罐v罐身v軸封v消泡器v攪拌器v擋板v空氣分布管v換熱裝置 一、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐一、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐1.罐體v罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料一般為不銹鋼。v罐頂還裝有視鏡及燈鏡。v在罐頂上的接管有：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管。v在罐身上的接管有冷卻水進(jìn)出管、取

5、樣管和測(cè)控儀表接口。2.攪拌器v攪拌的作用： 液體通風(fēng)后進(jìn)入的氣泡在攪拌中隨著液體旋轉(zhuǎn)使之所走路程延長(zhǎng)，使發(fā)酵液中保持的空氣數(shù)量增加。 通過攪拌，大氣泡被攪拌器打碎，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中。v攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種。軸向式攪拌器軸向式攪拌器槳葉式螺旋槳式 徑向式（渦輪式）攪拌器徑向式（渦輪式）攪拌器平直葉彎葉箭葉3.擋板v擋板的作用： 改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。一般在容器內(nèi)壁面均勻安裝一般在容器內(nèi)壁面均勻安裝4塊擋板塊擋板寬度為容器直徑的寬度為容器直徑的1/121/10。4.消泡器消泡器的作用是將泡沫打

6、破。最常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。5.空氣分布裝置單管式分布裝置： 管口正對(duì)罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。環(huán)形管的分布裝置： 噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積。軸封v 軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。v 常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。 填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。 端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。 發(fā)酵罐的換熱裝置發(fā)酵罐的換熱裝置換熱裝置

7、換熱裝置夾套夾套內(nèi)盤管內(nèi)盤管優(yōu)先采用夾套，減少優(yōu)先采用夾套，減少容器內(nèi)構(gòu)件，便于清容器內(nèi)構(gòu)件，便于清洗，不占有效容積。洗，不占有效容積。夾套結(jié)構(gòu)夾套結(jié)構(gòu)夾套夾套在容器外側(cè)，用焊接或法蘭連接方式裝設(shè)各種形在容器外側(cè)，用焊接或法蘭連接方式裝設(shè)各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與容器外壁形成密閉的空間。狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與容器外壁形成密閉的空間。此空間內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容此空間內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料。器內(nèi)的物料。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工容易，罐內(nèi)這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工

8、作，有利于發(fā)酵。有利于發(fā)酵。其缺點(diǎn)是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)其缺點(diǎn)是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差降溫效果差內(nèi)盤管內(nèi)盤管當(dāng)反應(yīng)器的熱量?jī)H靠外夾套傳熱，換熱面積不夠時(shí)當(dāng)反應(yīng)器的熱量?jī)H靠外夾套傳熱，換熱面積不夠時(shí)常采用常采用內(nèi)盤管內(nèi)盤管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)浸沒在物料中，熱量損失小，傳熱效果好，檢修較困難。浸沒在物料中，熱量損失小，傳熱效果好，檢修較困難。分類分類螺旋形盤管螺旋形盤管豎式蛇管豎式蛇管 螺旋形盤管螺旋形盤管 dDdD對(duì)稱布置的幾組對(duì)稱布置的幾組豎式蛇管：豎式蛇管： 傳熱傳熱 擋板作用擋板作用豎式蛇管豎式蛇管v1.自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣

9、壓縮機(jī)，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。v應(yīng)用： 醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、維生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成績(jī)。二、其他發(fā)酵罐二、其他發(fā)酵罐1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)大罐體的結(jié)構(gòu)大致上與通用式致上與通用式發(fā)酵罐相同，發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于主要區(qū)別在于攪拌器的形狀攪拌器的形狀和結(jié)構(gòu)不同。和結(jié)構(gòu)不同。2）自吸式發(fā)酵罐的充氣原理）自吸式發(fā)酵罐的充氣原理 攪拌器由罐底向上伸入的主軸帶動(dòng)。攪拌器由罐底向上伸入的主軸帶動(dòng)。 葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片不斷排開周圍的液葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片不斷排開周圍的液體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo)氣管吸體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo)氣管吸入罐外空氣。吸入的空

10、氣與發(fā)酵液入罐外空氣。吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。流涌向液面，均勻分布。 3）自吸式發(fā)酵罐特點(diǎn)）自吸式發(fā)酵罐特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、油水分 離器、空氣貯罐、總過濾器設(shè)備，減少?gòu)S房占地面積。 減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30左右。 設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溶氧效率高，操作方便。缺點(diǎn)： 由于罐壓較低，對(duì)某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。1）工作原理：在罐內(nèi)中央有一個(gè)導(dǎo)流筒，將發(fā)酵液分為上升區(qū)（導(dǎo)流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導(dǎo)

11、流筒外），在上升區(qū)的下部安裝了空氣噴嘴，空氣噴咀以250300m/s的速度噴入上升管，借噴咀的作用使空氣泡分割細(xì)碎，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內(nèi)的發(fā)酵液輕，加上壓縮空氣的噴流動(dòng)能，使導(dǎo)流筒內(nèi)的液體上升，導(dǎo)流筒外液體下降而進(jìn)入上升管，形成反復(fù)的循環(huán)，供給發(fā)酵液所耗的溶解氣量，使發(fā)酵正常進(jìn)行。2.氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐v優(yōu)點(diǎn) 無機(jī)械攪拌結(jié)構(gòu)，最大限度的減少了染菌率，減少了機(jī)械剪切力，對(duì)長(zhǎng)菌絲的各種真菌尤為適宜。 無攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)約動(dòng)力約50。 氣體提升，充分的氣液混合，使氧氣的傳遞利用極大提高，特別適合對(duì)于溶氧要求高的產(chǎn)品。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作和維修方便。v缺點(diǎn) 不能代替好氣量較小的發(fā)酵

12、罐。2）氣生式發(fā)酵罐特點(diǎn)3.伍式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐主要部件是套筒、攪拌器。 工作原理工作原理v 這種發(fā)酵罐多應(yīng)用紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母。v 設(shè)備的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。攪拌時(shí)液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內(nèi)返回罐底，攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器?？諝庥煽招妮S導(dǎo)入，經(jīng)過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側(cè)上升，由套筒內(nèi)部下降，形成循環(huán)。4.文氏管發(fā)酵罐工作原理： 用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。優(yōu)點(diǎn)：吸氧的效率高，氣、液

13、、固三相均勻混合，設(shè)備簡(jiǎn)單，無須空氣壓縮機(jī)及攪拌器，動(dòng)力消耗省。缺點(diǎn)：氣體吸入量與液體循環(huán)量之比降低，對(duì)于耗氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。v一、微生物對(duì)氧的需求一、微生物對(duì)氧的需求v二、氧在液體中的溶解特性二、氧在液體中的溶解特性v三、影響微生物需氧量的因素三、影響微生物需氧量的因素第二節(jié)工業(yè)發(fā)酵過程中氧的需求第二節(jié)工業(yè)發(fā)酵過程中氧的需求1）微生物攝氧率（微生物攝氧率（OUR; Oxygen Utilization Ratio) 單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)消耗的氧量單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)消耗的氧量mmolO2/(Lh)，記作，記作，因因微生微生物物種類、代謝途徑、菌體濃度、溫度、培養(yǎng)液成分及濃度的不同而

14、異。種類、代謝途徑、菌體濃度、溫度、培養(yǎng)液成分及濃度的不同而異。 2）呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度(QO2) 單位重量的干菌體每小時(shí)消耗的氧量單位重量的干菌體每小時(shí)消耗的氧量mmolO2/(gh)，也稱比耗氧速率，也稱比耗氧速率1.耗氧速率微生物的耗氧速率可用兩個(gè)物理量表示：微生物的耗氧速率可用兩個(gè)物理量表示：二者關(guān)系：二者關(guān)系： QO2XX：每升培養(yǎng)液中菌體干重，：每升培養(yǎng)液中菌體干重，g/L一、微生物對(duì)氧的需求在溶氧濃度低時(shí)，呼吸強(qiáng)度隨溶解氧濃度的增加而增加，當(dāng)溶氧濃度達(dá)到某一值后，呼吸強(qiáng)度不再隨溶解氧濃度的增加而變化，此時(shí)的溶氧濃度稱為呼吸臨界氧濃度，C臨界2.呼吸臨界氧濃度 作為環(huán)境因素對(duì)微生物反

15、應(yīng)有直接影響；作為環(huán)境因素對(duì)微生物反應(yīng)有直接影響； 被好氧性微生物吸收消耗，并直接參與生長(zhǎng)代謝過程，被好氧性微生物吸收消耗，并直接參與生長(zhǎng)代謝過程，可視為一種營(yíng)養(yǎng)性底物?？梢暈橐环N營(yíng)養(yǎng)性底物。1、溶解氧（DO; Dissolved Oxygen)二、氧在液體中的溶解特性二、氧在液體中的溶解特性2、飽和濃度氣體和溶液接觸一定時(shí)間后，氣體分子在氣氣體和溶液接觸一定時(shí)間后，氣體分子在氣-液二相中液二相中的濃度，就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)溶解到溶液中的氣的濃度，就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)溶解到溶液中的氣體分子數(shù)等于逸出溶液的氣體分子數(shù)。若外界條件不體分子數(shù)等于逸出溶液的氣體分子數(shù)。若外界條件不變，氣體在溶液中

16、的濃度就不再隨時(shí)間而變化，此濃變，氣體在溶液中的濃度就不再隨時(shí)間而變化，此濃度為飽和濃度或平衡濃度度為飽和濃度或平衡濃度3.影響飽和濃度值的因素1）溫度 隨著溫度升高，氣體分隨著溫度升高，氣體分子運(yùn)動(dòng)加快，使飽和濃子運(yùn)動(dòng)加快，使飽和濃度下降。度下降。在1個(gè)大氣壓及不同溫度 下純氧在水中的溶解度（mmol/L)2） 溶液的性質(zhì)溶質(zhì)種類：溶質(zhì)種類：氣體在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度是不同的。氣體在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度是不同的。溶質(zhì)濃度：溶質(zhì)濃度：通常濃度越高，溶解度越低通常濃度越高，溶解度越低在25、一個(gè)大氣壓下純氧在不同溶液中的溶解度 (mmol/L)發(fā)酵液中的發(fā)酵液中的DODO比純水中的比純水

17、中的 DODO要小要小 在系統(tǒng)總分壓小于在系統(tǒng)總分壓小于5 5個(gè)大氣壓的情況下，氧的溶解度與總個(gè)大氣壓的情況下，氧的溶解度與總壓和其他氣體的分壓無關(guān)，只與氧分壓成直線相關(guān)，可用壓和其他氣體的分壓無關(guān)，只與氧分壓成直線相關(guān)，可用HenryHenry定律表示：定律表示： C* = PO2/H3）氧分壓C C* * 與氣相與氣相P PO2O2達(dá)平衡時(shí)溶液中的氧濃度，達(dá)平衡時(shí)溶液中的氧濃度，mmolOmmolO2 2/L/LP PO2 O2 氧分壓，氧分壓， PaPaH H Henry Henry常數(shù)（與溶液性質(zhì)、溫度等有關(guān)），常數(shù)（與溶液性質(zhì)、溫度等有關(guān)），PaPaL/mmolOL/mmolO2 2

18、氣相中氧濃度增加，溶液中溶氧濃度亦隨之增加，必氣相中氧濃度增加，溶液中溶氧濃度亦隨之增加，必要時(shí)可向發(fā)酵液中通入純氧以提高溶氧。要時(shí)可向發(fā)酵液中通入純氧以提高溶氧。三、影響微生物需氧量的因素三、影響微生物需氧量的因素菌體處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段的呼吸強(qiáng)度較高，生長(zhǎng)階菌體處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段的呼吸強(qiáng)度較高，生長(zhǎng)階段的攝氧率大于產(chǎn)物合成期的攝氧率。段的攝氧率大于產(chǎn)物合成期的攝氧率。 1.1.微生物種類和生長(zhǎng)階段微生物種類和生長(zhǎng)階段2.2.培養(yǎng)基組成培養(yǎng)基組成3.3.培養(yǎng)液中溶解氧濃度培養(yǎng)液中溶解氧濃度C CL L的影響的影響碳源濃度在一定范圍內(nèi)，需氧量隨碳源濃度的增加而增加。碳源濃度在一定范圍內(nèi)，需氧量隨碳源

19、濃度的增加而增加。 當(dāng)培養(yǎng)液中的溶解氧濃度當(dāng)培養(yǎng)液中的溶解氧濃度CL高于菌體的高于菌體的C長(zhǎng)臨長(zhǎng)臨時(shí)，菌體的時(shí)，菌體的呼吸就不受影響。呼吸就不受影響。 溫度越高，營(yíng)養(yǎng)成分越豐富，其呼吸強(qiáng)度的臨界值也增加溫度越高，營(yíng)養(yǎng)成分越豐富，其呼吸強(qiáng)度的臨界值也增加 4.4.培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件5.5.二氧化碳的影響二氧化碳的影響 二氧化碳是菌體代謝產(chǎn)生的氣態(tài)終產(chǎn)物，它的生成與菌體二氧化碳是菌體代謝產(chǎn)生的氣態(tài)終產(chǎn)物，它的生成與菌體的呼吸作用有關(guān)。的呼吸作用有關(guān)。在水中的溶解度是氧溶解度的在水中的溶解度是氧溶解度的30倍倍 。因而發(fā)酵過程中不及。因而發(fā)酵過程中不及時(shí)將培養(yǎng)液中的時(shí)將培養(yǎng)液中的CO2排出，勢(shì)必影響菌

20、的呼吸，進(jìn)而影響排出，勢(shì)必影響菌的呼吸，進(jìn)而影響菌的代謝。菌的代謝。v一、氧傳遞的阻力v二、氧的傳遞方程第三節(jié)氧在溶液中的傳遞第三節(jié)氧在溶液中的傳遞 在好氧發(fā)酵中，氣態(tài)氧必須先溶解于發(fā)酵液中，然后在好氧發(fā)酵中，氣態(tài)氧必須先溶解于發(fā)酵液中，然后才能傳遞到細(xì)胞表面，再經(jīng)過簡(jiǎn)單的擴(kuò)散作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，才能傳遞到細(xì)胞表面，再經(jīng)過簡(jiǎn)單的擴(kuò)散作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，參與菌體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)。參與菌體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)。 這是一系列的傳遞過程，這些傳遞過程需要克服供氧這是一系列的傳遞過程，這些傳遞過程需要克服供氧方面和需氧方面的各種阻力才能完成。方面和需氧方面的各種阻力才能完成。一、氧傳遞的阻力一、氧傳遞的阻力氧傳遞過

21、程中各項(xiàng)阻力的示意圖1 1、供氧方面的阻力、供氧方面的阻力1）氣膜阻力（ 1/k1 ）：為氣體主流及氣為氣體主流及氣- -液界面的氣膜阻力，液界面的氣膜阻力，與空氣情況有關(guān)。與空氣情況有關(guān)。2） 氣液界面阻力（1/k2）：與空氣情況有關(guān)，只有具備高與空氣情況有關(guān)，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。3）液膜阻力（1/k3）：為從氣為從氣- -液界面至液體主流間的液膜阻液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。4）液流阻力（1/k4）：液體主流中傳遞的阻力；也與發(fā)酵液液體主流中傳

22、遞的阻力；也與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。的成分和濃度有關(guān)。2、耗氧方面的阻力1）細(xì)胞周圍液膜阻力（1/k5） 與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。2）菌絲叢或團(tuán)內(nèi)的擴(kuò)散阻力（1/k6） 與微生物的種類、生理特性狀態(tài)有關(guān)，單細(xì)胞的細(xì)菌和酵與微生物的種類、生理特性狀態(tài)有關(guān)，單細(xì)胞的細(xì)菌和酵母菌不存在這種阻力；對(duì)于菌絲，這種阻力最為突出。母菌不存在這種阻力；對(duì)于菌絲，這種阻力最為突出。3）細(xì)胞膜的阻力（1/k7）： 與微生物的生理特性有關(guān)。與微生物的生理特性有關(guān)。4）細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力（1/k8） 氧分子與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反氧分子與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反 應(yīng)時(shí)的阻力；與微生物的種應(yīng)時(shí)的阻力；與微生

23、物的種類、生理特性有關(guān)。類、生理特性有關(guān)。 由于氧很難溶于水，所以供氧方面的由于氧很難溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/1/k k3 3 ）是）是氧溶于水時(shí)的限制因素。氧溶于水時(shí)的限制因素。 良好的攪拌使氣泡和液體充分混合而產(chǎn)生湍流，可減少良好的攪拌使氣泡和液體充分混合而產(chǎn)生湍流，可減少1/1/k k3 3、1/1/k k4 4，加速氧的傳遞。，加速氧的傳遞。 實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證實(shí)，細(xì)胞壁上與液體主流中氧的濃度差很小，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證實(shí)，細(xì)胞壁上與液體主流中氧的濃度差很小，即即1/1/k k5 5很小很?。欢?；而菌絲叢（或菌絲團(tuán)）的阻力（或菌絲團(tuán)）的阻力（1/1/k k6 6）對(duì)菌絲體）對(duì)菌絲體的攝氧

24、能力影響顯著。的攝氧能力影響顯著。 在耗氧方面的主要阻力是在耗氧方面的主要阻力是1/1/k k6 6、1/1/k k7 7、1/1/k k8 8。 在攪拌和合理的在攪拌和合理的 工藝條件下，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少，因而能降低工藝條件下，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少，因而能降低1/1/k k6 6。 1/1/k k8 8與微生物生長(zhǎng)及代謝的條件有關(guān)，若生長(zhǎng)條件合適，與微生物生長(zhǎng)及代謝的條件有關(guān)，若生長(zhǎng)條件合適，代謝產(chǎn)物能及時(shí)移去，則代謝產(chǎn)物能及時(shí)移去，則1/1/k k8 8就會(huì)減少，否則就會(huì)增大。就會(huì)減少，否則就會(huì)增大。 微生物發(fā)酵過程中，通入發(fā)酵罐內(nèi)的氧不斷的溶解于微生物發(fā)酵過程中，通入發(fā)酵罐內(nèi)的氧不斷的溶解于培養(yǎng)液中

25、，以供菌體細(xì)胞代謝之用。這種由氣態(tài)氧轉(zhuǎn)變培養(yǎng)液中，以供菌體細(xì)胞代謝之用。這種由氣態(tài)氧轉(zhuǎn)變成液態(tài)氧的過程與液體吸收氣體的過程相同，所以可以成液態(tài)氧的過程與液體吸收氣體的過程相同，所以可以用描述氣體溶解于液體的雙膜理論中的傳質(zhì)公式表示用描述氣體溶解于液體的雙膜理論中的傳質(zhì)公式表示:N = KL a ( C* CL )kLa ，稱為稱為液相體積氧傳遞系數(shù)液相體積氧傳遞系數(shù)。二、氧傳遞方程式二、氧傳遞方程式 在發(fā)酵過程中，當(dāng)溶氧濃度不變時(shí)，氧溶于液相的速在發(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：率等于微生物對(duì)溶氧的需求速率，則：KLa (C* - CL) = QO

26、2 X = r 若供氧速率大于需氧速率，即若供氧速率大于需氧速率，即K KL La (a (C C* * - - C CL L) ) r r，此，此時(shí)發(fā)酵液中溶解氧濃度時(shí)發(fā)酵液中溶解氧濃度C CL L會(huì)不斷增加，趨近于會(huì)不斷增加，趨近于C C* * 。 若需氧速率大于供氧速率，則若需氧速率大于供氧速率，則C CL L 逐漸下降而趨向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）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)（假定由上式可看出，當(dāng)微生物的攝氧率不變時(shí)（假定C C* * 在在一定條件下也不變），一定條件下也不變）， K KL La a 越大，發(fā)酵

27、液中溶解氧濃度越大，發(fā)酵液中溶解氧濃度C CL L也越大；也越大；所以可用所以可用K KL La a的大小來衡量發(fā)酵設(shè)備的通氣效的大小來衡量發(fā)酵設(shè)備的通氣效率。率。 KLa =rC* - CL 實(shí)驗(yàn)室用的搖瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其實(shí)驗(yàn)室用的搖瓶和無攪拌的鼓泡裝置，其KL La a值值約為約為1 1100 h100 h-1 -1； 帶攪拌的發(fā)酵罐，其帶攪拌的發(fā)酵罐，其K KL La a值約為值約為2002001000 h1000 h-1 -1。第四節(jié)影響供氧的因素第四節(jié)影響供氧的因素影響發(fā)酵過程中供氧的主要因素有推動(dòng)力和液相體積氧傳遞系數(shù)。v一、影響氧傳遞推動(dòng)力的因素一、影響氧傳遞推動(dòng)力的因素v

28、二、影響液相體積氧傳遞系數(shù)二、影響液相體積氧傳遞系數(shù)KL的因素的因素一、影響氧傳遞推動(dòng)力的因素一、影響氧傳遞推動(dòng)力的因素2.降低發(fā)酵液中溶解氧濃度降低發(fā)酵液中溶解氧濃度CL1）溫度：降低培養(yǎng)溫度，但不能改變微生物的最適生長(zhǎng)溫度2）溶質(zhì)含量：降低培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，但不能改變最優(yōu)培養(yǎng)基的配方3）氧分壓：提高發(fā)酵罐內(nèi)的氧分壓（可行）減少通氣量或降低攪拌轉(zhuǎn)速（CL不能低于C臨界）1.提高飽和溶氧濃度提高飽和溶氧濃度C二、影響液相體積氧傳遞系數(shù)二、影響液相體積氧傳遞系數(shù)KL的因素的因素影響因素：影響因素：攪拌功率攪拌功率空氣流速空氣流速發(fā)酵液的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)酵液的物理化學(xué)性質(zhì)泡沫狀態(tài)泡沫狀態(tài)空氣分

29、布器形狀空氣分布器形狀發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)v 1.1.把空氣分割成小氣泡把空氣分割成小氣泡，增加氣液接觸面積，而且小氣泡的上升的速，增加氣液接觸面積，而且小氣泡的上升的速度要比大氣泡慢，因此接觸時(shí)間也增長(zhǎng)。度要比大氣泡慢，因此接觸時(shí)間也增長(zhǎng)。v 2.2.攪拌使液體作攪拌使液體作渦流運(yùn)動(dòng)渦流運(yùn)動(dòng)，使氣泡不是直線上升，而是做螺旋運(yùn)動(dòng)上，使氣泡不是直線上升，而是做螺旋運(yùn)動(dòng)上升，延長(zhǎng)了氣泡的運(yùn)動(dòng)路線，即增加了氣液的接觸時(shí)間。升，延長(zhǎng)了氣泡的運(yùn)動(dòng)路線，即增加了氣液的接觸時(shí)間。v 3.3.攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng)，從而攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng)，從而減少了氣泡周圍液膜的厚度減少了氣泡周圍液膜的厚度，減少，減少液

30、膜阻力，因而增大了液膜阻力，因而增大了K KL La av 4.4.減少菌絲結(jié)團(tuán)減少菌絲結(jié)團(tuán)，利于對(duì)氧的吸收，利于對(duì)氧的吸收v 5.5.盡快盡快排除廢氣排除廢氣，有利于細(xì)胞代謝，有利于細(xì)胞代謝1.攪拌功率對(duì)攪拌功率對(duì)KL的影響的影響攪拌提高溶氧系數(shù)的機(jī)制：但攪拌速度過快，剪切速度增大，菌體會(huì)受到損傷，且浪費(fèi)動(dòng)力但攪拌速度過快，剪切速度增大，菌體會(huì)受到損傷，且浪費(fèi)動(dòng)力2.2.空氣流速空氣流速氣泛現(xiàn)象：氣泛現(xiàn)象：在特定條件下，通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣流速達(dá)在特定條件下，通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣流速達(dá)到某一值時(shí)，使攪拌功率下降，當(dāng)空氣流速再增加時(shí)，攪到某一值時(shí)，使攪拌功率下降，當(dāng)空氣流速再增加時(shí)，攪拌功率不再下

31、降。此時(shí)的空氣流速稱為拌功率不再下降。此時(shí)的空氣流速稱為“氣泛點(diǎn)氣泛點(diǎn)”。提高發(fā)酵罐供氧能力：提高發(fā)酵罐供氧能力：提高攪拌功率，適當(dāng)降低空氣流速提高攪拌功率，適當(dāng)降低空氣流速KL隨空氣流速的增加而增加。但空氣流速過隨空氣流速的增加而增加。但空氣流速過大，攪拌器會(huì)出現(xiàn)大，攪拌器會(huì)出現(xiàn)“氣泛氣泛”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 一般來說，用一組攪拌器時(shí)，過載空氣流速為一般來說，用一組攪拌器時(shí)，過載空氣流速為90m/h90m/h；用二組攪拌器時(shí)則可增加到用二組攪拌器時(shí)則可增加到150m/h150m/h。3.發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響v菌體的生長(zhǎng)和代謝導(dǎo)致發(fā)酵液的性質(zhì)（表面張力、菌體的生長(zhǎng)和代謝導(dǎo)致發(fā)酵液

32、的性質(zhì)（表面張力、黏度、離子強(qiáng)度）發(fā)生改變，因而改變培養(yǎng)液中黏度、離子強(qiáng)度）發(fā)生改變，因而改變培養(yǎng)液中氣泡的大小、穩(wěn)定性以及液體的流動(dòng)和界面液膜氣泡的大小、穩(wěn)定性以及液體的流動(dòng)和界面液膜阻力進(jìn)而影響阻力進(jìn)而影響K KL La a 。發(fā)酵液粘度菌濃v在較稠厚的發(fā)酵液中形成流態(tài)性泡沫是難以自行消除的 其中的氣體很難得到及時(shí)更新，影響呼吸 如氣泡包圍攪拌葉輪，導(dǎo)致氣液不能充分混合4.4.泡沫的影響泡沫的影響5 5、空氣分布器和發(fā)酵液高度對(duì)通氣效率的影響、空氣分布器和發(fā)酵液高度對(duì)通氣效率的影響空氣分布器有分散空氣的作用空氣分布器有分散空氣的作用環(huán)形空氣分布器的直徑要環(huán)形空氣分布器的直徑要小于小于攪拌器

33、的直徑攪拌器的直徑高位發(fā)酵罐增加發(fā)酵罐的高度增加發(fā)酵罐的高度(D:H=1:7) (D:H=1:7) ；增加了氣；增加了氣- -液接觸時(shí)間，提高液接觸時(shí)間，提高了氧的利用率。了氧的利用率。v目的：隨時(shí)了解發(fā)酵過程的供氧、需氧情目的：隨時(shí)了解發(fā)酵過程的供氧、需氧情況和判斷設(shè)備的供氧效果，從而有效的控況和判斷設(shè)備的供氧效果，從而有效的控制發(fā)酵過程制發(fā)酵過程第五節(jié)第五節(jié) 溶解氧、攝氧率和溶解氧、攝氧率和K Kla la的測(cè)定的測(cè)定v1、溶解氧電極、溶解氧電極 覆膜溶解氧電極：主要由兩個(gè)電極、電解質(zhì)和覆膜溶解氧電極：主要由兩個(gè)電極、電解質(zhì)和一張能透氣的塑料薄膜組成一張能透氣的塑料薄膜組成一、溶解氧濃度的測(cè)定一、溶解氧濃度的測(cè)定v2、溶氧電極的標(biāo)定、溶氧電極的標(biāo)定C* I Iv3、溶解氧的測(cè)定、溶解氧的測(cè)定CL =I C*I I 當(dāng)溫度降至培養(yǎng)溫度且未接種時(shí)的電流值定當(dāng)溫度降至培養(yǎng)溫度且未接種時(shí)的電流值定為溶氧為溶氧100%。 v4、相對(duì)溶解氧濃度的測(cè)定、相