發(fā)酵工業(yè)中氧的供需

發(fā)酵工業(yè)中氧的供需第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日本章內容一、細胞對氧的需求(為什么要供氧？為什么要控制溶氧？）二、發(fā)酵過程中氧的傳遞（如何實現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？）三、影響氧傳遞的因素四、攝氧率、溶解氧、KLa的測定第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.氧傳遞方程在氣液傳質過程中，通常將KLa作為一項處理，稱為體積溶氧系數(shù)或體積傳質系數(shù)。在單位體積培養(yǎng)液中，氧的傳質速率（氣液傳質的基本方程式）為

第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日OTR—單位體積培養(yǎng)液中氧的傳遞速率，KLa—以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù)，

h-1,s-1

KGa—以分壓差為推動力的體積溶氧系數(shù),第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日4.發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關系細胞呼吸的本征要求:氧傳遞特征（發(fā)酵罐傳遞性能）若需氧量＞供氧量，則生產能力受設備限制，需進一步提高傳遞能力；若需氧量＜供氧量，則生產能力受微生物限制，需篩選高產菌：呼吸強，生長快，代謝旺盛。供氧與耗氧至少必須平衡，此時可用下式表示：

傳遞消耗第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日令則變換第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日無因次數(shù)Da為Damk?hler準數(shù)，物理意義是細胞的最大耗氧量與最大供氧量之比。當Da＜1時，細胞的耗氧量＜最大供氧量，存在耗氧限制，整個過程受呼吸速率控制；當Da＞1時，細胞的耗氧量＞最大供氧量，存在供氧限制，整個過程受氧傳遞速率控制。對于一個給定的發(fā)酵設備和微生物，C*、k0、(QO2)m已知，假定呼吸只與氧的限制有關，則,

第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日β為常數(shù),則

y亦x的函數(shù),有形式

第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日

對于一個培養(yǎng)物來說，最低的通氣條件可由式求得。

kLa亦可稱為“通氣效率”,可用來衡量發(fā)酵罐的通氣狀況，高值表示通氣條件富裕，低值表示通氣條件貧乏。第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液內某瞬間溶氧濃度變化可用下式表示:在穩(wěn)態(tài)時,則，則第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日由氣液傳遞速率方程2.kLa的影響因素（一）影響氧傳遞的因素1.影響推動力C*-CL的因素

影響比表面積a的因素影響液膜傳遞系數(shù)kL的因素可知，影響氧傳遞速率的因素（即影響供氧的因素）有：第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日1)

溫度氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，在1.01×105Pa和溫度在4～33℃的范圍內，與空氣平衡的純水中，氧的濃度可由以下經(jīng)驗公式計算:

t—溫度,℃

T↑，Cw*↓

，推動力↓

第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日2)

溶質電解質

1)對于單一電解質

Ce*—氧在電解質溶液中的溶解度,mol/m3

Cw*—氧在純水中的溶解度,mol/m3

CE—電解質溶液的濃度,kmol/m3

K—Sechenov常數(shù),隨氣體種類,電解質種類和溫度變化.第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日2)

溶質（續(xù)）2）對于幾種電解質的混合溶液：式中hi—第i種離子的常數(shù),m3/kmol

離子強度,kmol/m3

Zi—第i種離子的價數(shù),—第i種離子的濃度,kmol/m3

第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日2)溶質（續(xù)）B.

非電解質

式中Cn*—氧在非電解質溶液中的溶解度,mol/m3

CN—非電解質或有機物濃度,

kg/m3k—非電解質的Sechenov常數(shù),m3/kg第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日2)溶質C.

混合溶液(電解質+非電解質):疊加

Cm*—氧在混合溶液中的溶解度,

mol/m3溶質↑，Cm*↓第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日3)溶劑通常溶劑為水;

氧在一些有機化合物中溶解度比水中為高。

第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日4)氧分壓提高空氣總壓（增加罐壓），從而提高了氧分壓，對應的溶解度也提高，但增加罐壓是有一定限度的。保持空氣總壓不變，提高氧分壓，即改變空氣中氧的組分濃度，如：進行富氧通氣等。

第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日影響KLa的因素

發(fā)酵罐的形狀，結構（幾何參數(shù)）攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)）

通氣：表觀線速度Ws②操作條件

攪拌：轉速N，攪拌功率PG

發(fā)酵液體積V，液柱高度HL

③發(fā)酵液的性質：如影響發(fā)酵液性質的表面活性劑、離子強度、菌體量①設備參數(shù)第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日綜合①②③三類影響因素，有其中

d—攪拌器直徑，m;Ν—攪拌器轉速，s-1;ρ—液體密度，kg/m3;—液體粘度，Pa·s;

DL—擴散系數(shù),m2/s;σ—界面張力，N/m;

Ws—表觀線速度，m/s;g—重力加速度,9.81m/s2KLa的準數(shù)關聯(lián)式

第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日寫成準數(shù)式(無因次式)

＝準數(shù)第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日＝氣流準數(shù)準數(shù)第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日KLa影響因素的分析依據(jù)：以小型罐中牛頓型流體測定的結果為例：合并化簡得：＝0.06KLa=0.06第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日問題：當設備一定，發(fā)酵液性質一定，即d；ρ、、σ、DL、g兩類因素不變，可否建立KLa與操作條件間的獨立關聯(lián)式：如

第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日不行，實測后必須以進行分析。當通氣是重要影響因素時，建立小型罐成功發(fā)酵的關聯(lián)式或建立放大的關聯(lián)式要特別小心。①當其他條件一定，改變N、Ws測相應的KLa，不能根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立方程

KLa≠KNαWsβ

②當規(guī)模擴大后，想建立等KLa放大的關聯(lián)式更困難，只考慮N、Ws

時，則KLa與相差甚遠，關系復雜。第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日實際工作中，通常以“單位體積攪拌功率”代替“N”建立KLa表達式，則實測時擬合得很好∵PG/V不僅包含了“N”的變化，也真實反映了流態(tài)的影響(即Ws、N與設備及發(fā)酵液特性共同作用).第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日在PG的計算中要滿足下列條件:①P的計算與Rem值有關:Rem﹤10x=-1層流

Rem﹥104x=0湍流

P：不通氣攪拌功率PG:通氣攪拌功率第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日PG計算與P和Na有關:Na﹤0.035時

PG/P=1-12.6NaNa≥0.035時

PG可見,PG不僅與N、Ws相關，而且反映了流態(tài)，且通過流態(tài)與d、ρ、等相關?！嘁詠矸治鲇绊懸蛩氐诙隧?，共四十二頁，2022年，8月28日A.攪拌對KLa的影響轉速N↑→PG↑→KLa↑攪拌作用(影響KLa原理)將通入培養(yǎng)液的空氣分散成細小的氣泡，防止小氣泡的凝并，從而增大氣液相的接觸面積，即a↑→KLa↑→溶氧↑攪拌產生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間，溶氧↑攪拌造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳遞過程的阻力，即1/KL↓→KL↑→KLa↑→溶氧↑攪拌使菌體分散，避免結團，有利于固液傳遞中接觸面積的增加，使推動力均一；同時，也減少菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日攪拌對KLa的影響（續(xù)）N并不是越大越好

剪切力↑，對細胞損傷↑，對形態(tài)破壞↑

PG↑,發(fā)酵期間攪拌熱↑,增加傳熱負荷

N↑第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日B.通氣對KLa的影響:

在通氣量Q較低時,Q↑→Ws↑→KLa↑第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日C.通氣、攪拌的關聯(lián)對KLa的影響

從公式上看,

PG↑,Ws↑,KLa↑,但Ws的增加是有上限的,

當Ws

＞(Ws)m,Ws會通過、

來影響PG,導致PG嚴重下降.∴Ws

＞(Ws)m，PG↓，KLa

↓Rem=第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日當通氣量超過一定上限時,攪拌器就不能有效地將空氣泡分散到液體中去,而在大量氣泡中空轉,發(fā)生“過載”現(xiàn)象,此時攪拌功率PG會大大下降,

KLa也會大大下降。只有Q↑，N↑同時提高，PG才不會大大下降，KLa↑。C.通氣、攪拌的關聯(lián)對KLa的影響

第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日表觀空氣速度與KLa的關系第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日A.設備規(guī)模的影響單位體積的液體的攪拌功率的指數(shù)α隨培養(yǎng)裝置的規(guī)模而相應變化如:小試

9L→α=0.95

中試

500L→α=0.67

生產規(guī)模

27T～54T→α=0.50

可見,在放大過程中,

KLa在相同條件下會減小.第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日B.設備形狀結構的影響:如20T的伍式發(fā)酵罐:α=0.72,?=0.11第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日C.攪拌器形式的影響:α、β數(shù)值不同

對于α值:彎葉>平葉>箭葉對于β值:彎葉>箭葉>平葉但是破碎細胞能力:

平葉>箭葉>彎葉翻動流體能力:箭葉>彎葉>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的相對位置等對KLa都有影響.

第三十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日平葉箭葉彎葉第三十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日A.表面活性劑的影響

氣液界面厚度↑,1/kL↑,kL↓

氣泡變小↓,a↑低濃度表面活性劑時,以