[工學(xué)]第七章 發(fā)酵工業(yè)中氧的供需ppt課件

1、/jpkc本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、細(xì)胞對(duì)氧的需求一、細(xì)胞對(duì)氧的需求( (為什么要供氧？為什么要為什么要供氧？為什么要 控制溶氧？控制溶氧？二、發(fā)酵過程中氧的傳送如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何二、發(fā)酵過程中氧的傳送如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？控制溶氧？三、影響氧傳送的要素三、影響氧傳送的要素四、攝氧率、溶解氧、四、攝氧率、溶解氧、KLaKLa的測定的測定/jpkc7.1 微生物對(duì)氧的需求微生物對(duì)氧的需求一氧在微生物發(fā)酵中的作用一氧在微生物發(fā)酵中的作用二可利用氧的特征二可利用氧的特征二微生物的耗氧特征二微生物的耗氧特征四溶解氧控制的意義四溶解氧控制的意義jpkc

2、./jpkc一氧在微生物發(fā)酵中的作用一氧在微生物發(fā)酵中的作用對(duì)于好氣性微生物而言對(duì)于好氣性微生物而言n呼吸作用呼吸作用 n直接參與一些生物合成反響直接參與一些生物合成反響 COOHCHOHCHCHO3232/jpkc二可利用氧的特征二可利用氧的特征n只需溶解形狀的氧才干被微生物利用。只需溶解形狀的氧才干被微生物利用。/jpkc1.1.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 QO2 ：單位質(zhì)量干菌體在：單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)耗費(fèi)氧的量。單位時(shí)間內(nèi)耗費(fèi)氧的量。 單位

3、：單位：mmolO2/mmolO2/kgkg干菌體干菌體hh。(2) (2) 攝氧率攝氧率耗氧速率：單位體積培育液在單位時(shí)耗氧速率：單位體積培育液在單位時(shí)間內(nèi)耗費(fèi)氧的量。單位：間內(nèi)耗費(fèi)氧的量。單位： =QO2x x =QO2x x細(xì)胞濃度，細(xì)胞濃度，kg(kg(干重干重)/m3)/m3)(32hmmmolO/jpkc2. QO2與溶氧濃度CL關(guān)系(1) 當(dāng)CLCcr時(shí)， QO2 (QO2)m(2) 當(dāng)CL Ccr，QO2 堅(jiān)持恒定堅(jiān)持恒定nCL1./jpkc3. 培育過程中細(xì)胞耗氧的普通規(guī)律培育過程中細(xì)胞耗氧的普通規(guī)律n培育初期：培育初期：

4、QO2逐漸增高，逐漸增高，x較小。較小。n在對(duì)數(shù)生長初期：到達(dá)在對(duì)數(shù)生長初期：到達(dá)(QO2 )m，但此時(shí)，但此時(shí)x較低，較低，n 并不高。并不高。nC. 在對(duì)數(shù)生長后期：到達(dá)在對(duì)數(shù)生長后期：到達(dá)m, 此時(shí)此時(shí) QO2 (QO2 )m ， x葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 n培育基濃度培育基濃度n 濃度大濃度大, QO2 ; 濃度小濃度小, QO2n菌齡的影響菌齡的影響:普通幼齡菌普通幼齡菌QO2大大,晚齡菌晚齡菌QO2小小/jpkc4. 影響微生物耗氧的要素續(xù)影響微生物耗氧的要素續(xù)n 發(fā)酵條件的影響發(fā)酵條件的影響n pH值值 經(jīng)過酶活來影響耗氧特征經(jīng)過酶活來影響耗氧

5、特征;n 溫度溫度 經(jīng)過酶活及溶氧來影響耗氧特征：經(jīng)過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T , DO2 n 代謝類型代謝類型(發(fā)酵類型發(fā)酵類型)的影響的影響n 假設(shè)產(chǎn)物經(jīng)過假設(shè)產(chǎn)物經(jīng)過TCA循環(huán)獲取循環(huán)獲取,那么那么QO2高高,耗耗氧量大氧量大n 假設(shè)產(chǎn)物經(jīng)過假設(shè)產(chǎn)物經(jīng)過EMP途徑獲取途徑獲取,那么那么QO2低低,耗耗氧量小氧量小/jpkcn溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響能夠是不同溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響能夠是不同的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物構(gòu)成階段的最適的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物構(gòu)成階段的最適需氧量。需氧量。 n氧傳送速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量

6、的限制要素。氧傳送速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制要素。n目前目前, ,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率率, ,就能大大降低空氣耗費(fèi)量就能大大降低空氣耗費(fèi)量, ,從而降低設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力從而降低設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力耗費(fèi)耗費(fèi), ,且減少泡沫構(gòu)成和染菌的時(shí)機(jī)且減少泡沫構(gòu)成和染菌的時(shí)機(jī), , 大大提高設(shè)備利大大提高設(shè)備利用率。用率。四溶解氧控制的意義四溶解氧控制的意義/jpkc7.2 發(fā)酵過程中氧的傳送發(fā)酵過程中氧的傳送 一供氧的實(shí)現(xiàn)方式一供氧的實(shí)現(xiàn)方式二發(fā)酵過程中氧的傳送二發(fā)酵過程中氧的傳送1. 氧的傳送途徑與傳質(zhì)阻力氧的傳送途

7、徑與傳質(zhì)阻力2. 氣體溶解過程的雙膜實(shí)際氣體溶解過程的雙膜實(shí)際 3. 氧傳送方程氧傳送方程4.發(fā)酵過程耗氧與供氧的動(dòng)態(tài)關(guān)系發(fā)酵過程耗氧與供氧的動(dòng)態(tài)關(guān)系/jpkc(一一) 供氧的實(shí)現(xiàn)方式供氧的實(shí)現(xiàn)方式 搖瓶程度：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和 外表通氣，膜透析分散 搖瓶程度：轉(zhuǎn)速快，裝量少 通無菌空氣并攪拌 氣升式 發(fā)酵罐程度發(fā)酵罐程度需氧量小需氧量小發(fā)酵罐發(fā)酵罐需氧量大需氧量大/jpkc氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐n利用空氣噴嘴噴出高速的空氣，利用空氣噴嘴噴出高速的空氣，空氣以氣泡式分散于液體中，在空氣以氣泡式分散于液體中，在通氣的一側(cè)，

8、液體平均密度下降，通氣的一側(cè)，液體平均密度下降，在不通氣的一側(cè)，液體密度較大，在不通氣的一側(cè)，液體密度較大，因此產(chǎn)生與通氣側(cè)的液體產(chǎn)生密因此產(chǎn)生與通氣側(cè)的液體產(chǎn)生密度差，從而構(gòu)成發(fā)酵罐內(nèi)液體的度差，從而構(gòu)成發(fā)酵罐內(nèi)液體的環(huán)流。氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)是能環(huán)流。氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)是能耗低，液體中的煎切作用小，構(gòu)耗低，液體中的煎切作用小，構(gòu)造簡單。在同樣的能耗下，其氧造簡單。在同樣的能耗下，其氧傳送才干比機(jī)械攪拌是通氣發(fā)酵傳送才干比機(jī)械攪拌是通氣發(fā)酵罐要高得多。罐要高得多。 1.1.氧的傳送途徑與傳質(zhì)阻力氧的傳送途徑與傳質(zhì)阻力/jpkc氧從氣泡到細(xì)胞的傳送過程表示圖氧從氣泡到細(xì)

9、胞的傳送過程表示圖/jpkc酵母的呼吸強(qiáng)度與溶氧濃度的關(guān)系酵母的呼吸強(qiáng)度與溶氧濃度的關(guān)系/jpkc疣孢漆斑霉在分批培育時(shí)呼吸強(qiáng)度的變化疣孢漆斑霉在分批培育時(shí)呼吸強(qiáng)度的變化 /jpkc氧在空氣中的分壓氧溶解于液相的濃度氣 液 接 觸 面氣 膜 液 膜擴(kuò) 散 方 向ppiCiCLp - piCLCi-雙膜實(shí)際的氣液接觸雙膜實(shí)際的氣液接觸/jpkc穩(wěn)態(tài)過程中，在穩(wěn)態(tài)過程中，在KLa一定時(shí)，細(xì)胞濃度對(duì)呼吸強(qiáng)度的影響一定時(shí)，細(xì)胞濃度對(duì)呼吸強(qiáng)度的影響 氣膜傳送阻力氣膜傳送阻力1/kG 氣液界面?zhèn)魉妥枇?/p>

10、液界面?zhèn)魉妥枇?/kI 液膜傳送阻力液膜傳送阻力1/kL 液相傳送阻力液相傳送阻力1/kLB 細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外表的液膜阻力細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外表的液膜阻力1/kLC 固液界面?zhèn)魉妥枇桃航缑鎮(zhèn)魉妥枇?/kIS 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳送阻力細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳送阻力1/kA 細(xì)胞膜、細(xì)胞壁阻力細(xì)胞膜、細(xì)胞壁阻力1/kW 反響阻力反響阻力1/kR供氧方面的阻力供氧方面的阻力耗氧方面的阻力耗氧方面的阻力/jpkcn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/jpkc(1)(

11、1)雙膜實(shí)際的根本前提雙膜實(shí)際的根本前提( (三點(diǎn)假設(shè)三點(diǎn)假設(shè)) )n氣泡和包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在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；氣膜內(nèi)氣體分子和液膜一側(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形狀，氧以濃度差方式內(nèi)液體分子都處于層流形狀，氧以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(duì)透過雙膜；氣泡內(nèi)氣膜以外的氣體分子處于對(duì)流形狀，稱為氣體主流，任一點(diǎn)氧濃度，氧分流形狀，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(duì)流形狀，壓相等；液

12、膜以外的液體分子處于對(duì)流形狀，稱為液體主流，任一點(diǎn)氧濃度、氧分壓相等。稱為液體主流，任一點(diǎn)氧濃度、氧分壓相等。/jpkcn在雙膜之間界面上，氧分壓與溶于液體中氧在雙膜之間界面上，氧分壓與溶于液體中氧濃度處于平衡關(guān)系濃度處于平衡關(guān)系 ：n氧傳送過程處于穩(wěn)定形狀時(shí)，傳質(zhì)途徑上各氧傳送過程處于穩(wěn)定形狀時(shí)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)間而變化。點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)間而變化。iiCP iiHCP /jpkc(2) 傳質(zhì)實(shí)際傳質(zhì)實(shí)際n傳質(zhì)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，總的傳質(zhì)速率與串聯(lián)的各步傳質(zhì)傳質(zhì)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，總的傳質(zhì)速率與串聯(lián)的各步傳質(zhì)速率相等，那么單位接觸界面氧的傳送速率

13、為速率相等，那么單位接觸界面氧的傳送速率為 ：n nnO2單位接觸界面的氧傳送速率，單位接觸界面的氧傳送速率，nP、Pi氣相中和氣、液界面處氧的分壓，氣相中和氣、液界面處氧的分壓，MPan CL、Ci液相中和氣、液界面處氧的濃度，液相中和氣、液界面處氧的濃度，n kG氣膜傳質(zhì)系數(shù)，氣膜傳質(zhì)系數(shù)，n kL液膜傳質(zhì)系數(shù)，液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/hLLiGiOkCCkPPn112阻力推動(dòng)力)(22hmlOkmo3mkmol)(2MP/jpkc假設(shè)改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推進(jìn)力，那么在穩(wěn)定形狀時(shí)，假設(shè)改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推進(jìn)力，那么在穩(wěn)定形狀時(shí)， KG KG以氧分壓差為總推進(jìn)

14、力的總傳質(zhì)系數(shù)，以氧分壓差為總推進(jìn)力的總傳質(zhì)系數(shù)， KL KL 以氧濃度差為總推進(jìn)力的總傳質(zhì)系數(shù)，以氧濃度差為總推進(jìn)力的總傳質(zhì)系數(shù)，m/sm/s P P* *與液相中氧濃度與液相中氧濃度C C相平衡時(shí)氧的分壓，相平衡時(shí)氧的分壓，PaPa C C* *與氣相中氧分壓與氣相中氧分壓P P達(dá)平衡時(shí)氧的濃度，達(dá)平衡時(shí)氧的濃度，mol/m3mol/m3)CC(K)PP(KnL*L*GO2 )Pasm(/jpkc亨利定律亨利定律Henrys lawn物理化學(xué)的根本定律之一，是英國的物理化學(xué)的根本定律之一，是英國的W.亨利在亨利在1803年研討氣體在液體中的溶解年研討氣體在

15、液體中的溶解度規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)的，可表述為：度規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)的，可表述為：“在一定溫在一定溫度下，某種氣體在溶液中的濃度與液面度下，某種氣體在溶液中的濃度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。這一定上該氣體的平衡壓力成正比。這一定律對(duì)于稀溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)也同樣有用。律對(duì)于稀溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)也同樣有用。 根據(jù)亨利定律，與溶解濃度到達(dá)平衡的氣體分壓與該氣根據(jù)亨利定律，與溶解濃度到達(dá)平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的分子分?jǐn)?shù)成正比，即：體被溶解的分子分?jǐn)?shù)成正比，即：HH亨利常數(shù)，表示氣體溶解于液體的難易程度，與氣亨利常數(shù)，表示氣體溶解于液體的難易程度，與氣體、溶劑種類及溫度有關(guān)。體、溶劑種類及溫度有關(guān)。*HCP L*H

16、CP iiHCP /jpkc*OG*G2OPPnK)PP(Kn2 22222OLiOiO*iOiO*Gn)CC(HnPPnPPnPPnPPK1 2211OiGGiOnPPkkPPn2OLiLnCCk1 LLiokCCn/12LGGkHk1K1 由式/jpkc同理：同理：由于氧氣難溶于水，由于氧氣難溶于水，H值很大，值很大， ,闡明這一過程液膜阻力是主要要素。闡明這一過程液膜阻力是主要要素。LGLkHkK111GHk1Lk1LLkK /jpkc3.氧傳送方程氧傳送方程n在氣液傳質(zhì)過程中，通常將在氣液傳質(zhì)過程中，通常將K

17、LaKLa作為一項(xiàng)處置，稱為體作為一項(xiàng)處置，稱為體積溶氧系數(shù)或體積傳質(zhì)系數(shù)。積溶氧系數(shù)或體積傳質(zhì)系數(shù)。n在單位體積培育液中，氧的傳質(zhì)速率氣液傳質(zhì)的根在單位體積培育液中，氧的傳質(zhì)速率氣液傳質(zhì)的根本方程式為本方程式為n )(1)()(*PPHaKPPaKCCaKOTRLGLL/jpkcOTR單位體積培育液中氧的傳送速率， KLa以濃度差為推進(jìn)力的體積溶氧系數(shù)， h-1,s-1 KGa以分壓差為推進(jìn)力的體積溶氧系數(shù),)hm(olkm3)MPahm(/jpkc7.3 發(fā)酵過程耗氧與供氧的動(dòng)態(tài)關(guān)系發(fā)酵過程耗氧與供氧的動(dòng)態(tài)關(guān)系n細(xì)胞呼吸的本征要

18、求細(xì)胞呼吸的本征要求:n氧傳送特征發(fā)酵罐傳送性能氧傳送特征發(fā)酵罐傳送性能n假設(shè)需氧量供氧量，那么消費(fèi)才干受設(shè)備限制，需假設(shè)需氧量供氧量，那么消費(fèi)才干受設(shè)備限制，需進(jìn)一步提高傳送才干；進(jìn)一步提高傳送才干；n假設(shè)需氧量供氧量，那么消費(fèi)才干受微生物限制，假設(shè)需氧量供氧量，那么消費(fèi)才干受微生物限制，需挑選高產(chǎn)菌：呼吸強(qiáng)，生長快，代謝旺盛。需挑選高產(chǎn)菌：呼吸強(qiáng)，生長快，代謝旺盛。 n供氧與耗氧至少必需平衡，此時(shí)可用下式表示：供氧與耗氧至少必需平衡，此時(shí)可用下式表示：n 2OQxLLmOOLLCKxCQxQCCaKOTR)()(22*傳送傳送耗費(fèi)耗費(fèi)/jpkc*)(2CKxQDL

19、amOa*,CCyCKL令令0) 1(12yDyyyDyaa那那么么12422aDBBByLLLmOLCKCaCKxQCC*)()1 (2變換變換/jpkc無因次數(shù)無因次數(shù)Da為為Damkhler 準(zhǔn)數(shù)，物理意義是細(xì)胞的準(zhǔn)數(shù)，物理意義是細(xì)胞的 最大耗氧量與最大供氧量之比。最大耗氧量與最大供氧量之比。當(dāng)當(dāng)Da 1時(shí)，細(xì)胞的耗氧量最大供氧量，存在耗時(shí)，細(xì)胞的耗氧量最大供氧量，存在耗 氧限制，整個(gè)過程受呼吸速率控制；氧限制，整個(gè)過程受呼吸速率控制；當(dāng)當(dāng)Da 1時(shí)，細(xì)胞的耗氧量最大供氧量，存在供時(shí)，細(xì)胞的耗氧量最大供氧量，存在供 氧限制，整個(gè)過程受氧傳送速率控制。氧限制，整個(gè)

20、過程受氧傳送速率控制。對(duì)于一個(gè)給定的發(fā)酵設(shè)備和微生物，對(duì)于一個(gè)給定的發(fā)酵設(shè)備和微生物，C*、k0、(QO2)m 知，假定呼吸只與氧的限制有關(guān)，那么知，假定呼吸只與氧的限制有關(guān)，那么, /jpkc為常數(shù),那么 y亦x的函數(shù),有方式 xxCK)Q(D1*LamOa2),(x1DB2121a為常數(shù)/jpkc 對(duì)于一個(gè)培育物來說，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)酵罐的通氣情況，高值表示通氣條件富有，低值表示通氣條件貧乏。LOLCCxQaK*2/jpkcn在發(fā)酵過程中，

21、培育液內(nèi)某瞬間溶氧濃度變化在發(fā)酵過程中，培育液內(nèi)某瞬間溶氧濃度變化可用下式表示可用下式表示:n在穩(wěn)態(tài)時(shí)在穩(wěn)態(tài)時(shí),那么那么 ，那么，那么xQCCaKdtdCOLLL2)(*0dtdCLaKxQCCLOL2*/jpkc由氣液傳送速率方程)(*LLCCaKOTR 2. kLa的影響要素7.4 影響氧傳送的要素影響氧傳送的要素1. 影響推進(jìn)力影響推進(jìn)力C*-CL的要素的要素 影響比外表積影響比外表積a的要素的要素影響液膜傳送系數(shù)影響液膜傳送系數(shù)kL的要素的要素 可知，影響氧傳送速率的要素即影響供氧的要素有：可知，影響氧傳送速率的要素即影響供氧的要素有：1) 溫度n氧 在 水

22、中 的 溶 解 度 隨 溫 度 的 升 高 而 降 低 ， 在氧 在 水 中 的 溶 解 度 隨 溫 度 的 升 高 而 降 低 ， 在1.01105Pa和溫度在和溫度在433的范圍內(nèi)，與空氣平的范圍內(nèi)，與空氣平衡的純水中，氧的濃度可由以下閱歷公式計(jì)算衡的純水中，氧的濃度可由以下閱歷公式計(jì)算:n n n t溫度溫度,n n n T ，Cw* ，推進(jìn)力，推進(jìn)力n 6 .316 .14*tCw2) 溶質(zhì)n電解質(zhì)電解質(zhì)n 1)對(duì)于單一電解質(zhì)對(duì)于單一電解質(zhì) n Ce*氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度,mol/m3 n Cw*氧在純水中的溶解度氧在純水中的溶解度, mol/m3n CE電

23、解質(zhì)溶液的濃度電解質(zhì)溶液的濃度,kmol/m3n KSechenov(謝切諾夫謝切諾夫)常數(shù)常數(shù),隨氣體種類隨氣體種類,電解質(zhì)電解質(zhì)種類和溫度變化種類和溫度變化.E*e*wKCCClg )C,C(*eE2) 溶質(zhì)續(xù)溶質(zhì)續(xù)2對(duì)于幾種電解質(zhì)的混合溶液：對(duì)于幾種電解質(zhì)的混合溶液：式中式中 hi第第i種離子的常數(shù)種離子的常數(shù), m3/kmol 離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度, kmol/m3 Zi第第i種離子的價(jià)數(shù)種離子的價(jià)數(shù), 第第i種離子的濃度種離子的濃度, kmol/m3 iii*e*wIhCClgEiiiCZ21I EiC2) 溶質(zhì)續(xù)溶質(zhì)續(xù)B. 非電解質(zhì)非電解質(zhì) 式中式中 Cn*氧在非電解質(zhì)溶液中的溶解度氧

24、在非電解質(zhì)溶液中的溶解度, mol/m3 CN非電解質(zhì)或有機(jī)物濃度非電解質(zhì)或有機(jī)物濃度, kg/m3 k非電解質(zhì)的非電解質(zhì)的Sechenov常數(shù)常數(shù), m3/kgNnwKCCC*lg)C,C(*nN2) 溶質(zhì)C. 混合溶液(電解質(zhì)+非電解質(zhì)):疊加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3jnjwiiimwCCIhCC*lglg溶質(zhì)溶質(zhì) ， Cm*3) 溶劑n通常溶劑為水通常溶劑為水; n氧在一些有機(jī)化合物中溶解度比水中為高。氧在一些有機(jī)化合物中溶解度比水中為高。 4) 氧分壓n提高空氣總壓添加罐壓，從而提高了氧分提高空氣總壓添加罐壓，從而提高了氧分壓，對(duì)應(yīng)的溶解度也提高，但添加罐壓是有一

25、壓，對(duì)應(yīng)的溶解度也提高，但添加罐壓是有一定限制的。定限制的。n堅(jiān)持空氣總壓不變，提高氧分壓，即改動(dòng)空氣堅(jiān)持空氣總壓不變，提高氧分壓，即改動(dòng)空氣中氧的組分濃度，如：進(jìn)展富氧通氣等。中氧的組分濃度，如：進(jìn)展富氧通氣等。 影響影響KLa的要素的要素 發(fā)酵罐的外形，構(gòu)造幾何參數(shù) 攪拌器，空氣分布器幾何參數(shù) 通氣：表觀線速度Ws 操作條件 攪拌：轉(zhuǎn)速N，攪拌功率PG 發(fā)酵液體積V，液柱高度HL 發(fā)酵液的性質(zhì)：如影響發(fā)酵液性質(zhì)的外表活性劑、離子 強(qiáng)度、菌體量設(shè)備參數(shù)綜合三類影響要素，有綜合三類影響要素，有其中其中 d攪拌器直徑，攪拌器直徑，m ; 攪拌器轉(zhuǎn)速，攪拌器轉(zhuǎn)速，s-1 ; 液體密度，液體密度，k

26、g/m3; 液體粘度，液體粘度，Pas ; DL分散系數(shù)分散系數(shù), m2/s ; 界面張力，界面張力，N/m; Ws 表觀線速度，表觀線速度，m/s ; g重力加速度重力加速度, 9.81m/s2),(gDWNdfaKLsLKLa的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式式 寫成準(zhǔn)數(shù)式寫成準(zhǔn)數(shù)式(無因次式無因次式) 準(zhǔn)數(shù)RenoldsRe2NdLLDdaK212)Nd(23)(2gdN4)(LD5)(sW6)(sWNdSherwood2LLDdaK準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)德 )弗勞Froude(2gdN通氣準(zhǔn)數(shù)3NdQWNdNagssW氣流準(zhǔn)數(shù)SchmidtLD準(zhǔn)數(shù)(施米特準(zhǔn)數(shù)Sc)1操作條件的影響操作條件的影響sGLWVP

27、kaK)(KLa影響要素的分析影響要素的分析PG ：通氣時(shí)的攪拌功率；：通氣時(shí)的攪拌功率；V：培育液體積。：培育液體積。A. 攪拌對(duì)KLa的影響n轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速NPG KLan攪拌作用攪拌作用(影響影響KLa原理原理)n將通入培育液的空氣分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝將通入培育液的空氣分散成細(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，即并，從而增大氣液相的接觸面積，即aKLa溶氧溶氧n攪拌產(chǎn)生渦流，延伸氣泡在液體中的停留時(shí)間，溶氧攪拌產(chǎn)生渦流，延伸氣泡在液體中的停留時(shí)間，溶氧n攪拌呵斥湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳攪拌呵斥湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳送過程的阻

28、力，即送過程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧溶氧n攪拌使菌體分散，防止結(jié)團(tuán)，有利于固液傳送中接攪拌使菌體分散，防止結(jié)團(tuán)，有利于固液傳送中接n 觸面積的添加，使推進(jìn)力均一；同時(shí)，也減少菌體觸面積的添加，使推進(jìn)力均一；同時(shí)，也減少菌體n 外表液膜的厚度，有利于氧的傳送。外表液膜的厚度，有利于氧的傳送。攪拌對(duì)攪拌對(duì)KLa的影響續(xù)的影響續(xù)nN并不是越大越好,N n 剪切力， 對(duì)細(xì)胞損傷，對(duì)形狀破壞n PG,發(fā)酵期間攪拌熱,添加傳熱負(fù)荷可以使資料產(chǎn)生剪切變形的力稱為剪力或剪切力。即可可以使資料產(chǎn)生剪切變形的力稱為剪力或剪切力。即可以讓試件沿某個(gè)方向切斷的力。以讓試件沿某個(gè)方向切斷的力。 剪切是在一對(duì)相距

29、很剪切是在一對(duì)相距很近、大小一樣、指向相反的橫向外力作用下，資料的橫近、大小一樣、指向相反的橫向外力作用下，資料的橫截面沿該外力作用方向發(fā)生的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形景象。截面沿該外力作用方向發(fā)生的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形景象。 B. 通氣對(duì)KLa的影響: n在通氣量在通氣量Q較低時(shí)較低時(shí), QWs KLaC. 通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對(duì)KLa的影響 n從公式上看從公式上看, PG, Ws, KLa, 但但Ws的添加是有上限的的添加是有上限的,n n當(dāng)當(dāng)Ws (Ws)m, Ws會(huì)經(jīng)過會(huì)經(jīng)過 、 n n來影響來影響PG,導(dǎo)致導(dǎo)致PG嚴(yán)重下降嚴(yán)重下降. nWs (Ws)m， PG ，KLa NdWNas2NdRe=當(dāng)通氣量超越一

30、定上限時(shí)當(dāng)通氣量超越一定上限時(shí), 攪拌器就不能有效地將空攪拌器就不能有效地將空氣泡分散到液體中去氣泡分散到液體中去, 而在大量氣泡中空轉(zhuǎn)而在大量氣泡中空轉(zhuǎn), 發(fā)生發(fā)生“過過載景象載景象, 此時(shí)攪拌功率此時(shí)攪拌功率PG會(huì)大大下降會(huì)大大下降, KLa也會(huì)大大也會(huì)大大下降。下降。 只需只需Q，N同時(shí)提高，同時(shí)提高，PG才不會(huì)大大才不會(huì)大大 下降，下降，KLa。C. 通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對(duì)KLa的影響 sGLWVPKaKlg)(lglg表觀空氣速度與表觀空氣速度與KLa的關(guān)系的關(guān)系A(chǔ). 設(shè)備規(guī)模的影響n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)隨培育安裝隨培育安裝的規(guī)模而相應(yīng)變化的規(guī)模而

31、相應(yīng)變化 n 如如: 小試小試 9L=0.95n 中試中試 500L=0.67 n 消費(fèi)規(guī)模消費(fèi)規(guī)模 27T54T=0.50 可見可見, 在放大過程中在放大過程中, KLa在一樣條件下會(huì)減小在一樣條件下會(huì)減小.2 設(shè)備參數(shù)的影響B(tài). 設(shè)備外形構(gòu)造的影響設(shè)備外形構(gòu)造的影響:n如如20T的伍式發(fā)酵罐的伍式發(fā)酵罐: =0.72, =0.11C. 攪拌器方式的影響: 、數(shù)值不同 對(duì)于值:彎葉平葉箭葉 對(duì)于值:彎葉箭葉平葉 但是破碎細(xì)胞才干: 平葉箭葉彎葉 翻動(dòng)流體才干: 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(nèi) 的相對(duì)位置等對(duì)KLa都有影響. 平葉平葉箭葉箭葉彎葉彎葉A. 外表

32、活性劑的影響 氣液界面厚度, 1/kL, kL 氣泡變小, a 低濃度外表活性劑時(shí),以a為主, KLa添加至一定量時(shí), kL降至最低, KLa下降顯著再繼續(xù)添加時(shí)，kL維持最低程度不再下降，而a，此時(shí)KLa從最低點(diǎn)有所上升 外表活性劑的濃度外表活性劑的濃度KLa受兩種趨勢影響 3 發(fā)酵液性質(zhì)的影響發(fā)酵液性質(zhì)的影響 外表活性劑月桂基磺酸鈉外表活性劑月桂基磺酸鈉NaLSO4濃度對(duì)濃度對(duì)KLa、KL和和da的影的影響響B(tài). 離子強(qiáng)度對(duì)KLa的影響n電解質(zhì)溶液濃度電解質(zhì)溶液濃度,那么氣泡變小那么氣泡變小,a, KLa;n有機(jī)溶質(zhì)濃度有機(jī)溶質(zhì)濃度,那么氣泡變小那么氣泡變小,a, KLan電解質(zhì)溶液濃度電

33、解質(zhì)溶液濃度，傳氧特性好，傳氧特性好(KLa),溶氧特性溶氧特性C*E 差差.詳細(xì)的，離子強(qiáng)度詳細(xì)的，離子強(qiáng)度I影響影響KLa公式中的公式中的,k值值.nI=00.4時(shí)時(shí), =0.40+0.862I/(0.274+I), 且且I,常常數(shù)數(shù)k. I0.4時(shí)時(shí), =0.9, k值不再變化值不再變化.n也隨也隨I增大而增大，但增大而增大，但I(xiàn)對(duì)對(duì)的影響較小，的影響較小，在在0.35 0.39之間變化，不如之間變化，不如變化大變化大.C. 菌體濃度n細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度 x，KLa()菌絲濃度對(duì)菌絲濃度對(duì)KLa的影響的影響7.5 發(fā)酵過程中的氧傳送效率發(fā)酵過程中的氧傳送效率n定義：每溶解定義：每溶解1kg

34、 O2所耗費(fèi)的電能千瓦小時(shí)所耗費(fèi)的電能千瓦小時(shí)/kg O2)定義為氧傳送效率或傳氧效率。定義為氧傳送效率或傳氧效率。n意義：意義：n代表每傳送代表每傳送1kg O2所需輸入的能量，這個(gè)能量包括攪所需輸入的能量，這個(gè)能量包括攪拌器和空氣緊縮機(jī)耗用功率的總能量。拌器和空氣緊縮機(jī)耗用功率的總能量。n數(shù)值越低，傳氧效率越高。數(shù)值越低，傳氧效率越高。n作為評(píng)價(jià)通氣發(fā)酵罐的重要目的，可以此作為評(píng)價(jià)和作為評(píng)價(jià)通氣發(fā)酵罐的重要目的，可以此作為評(píng)價(jià)和比較不同類型的發(fā)酵工藝及不同規(guī)模的發(fā)酵罐操作的比較不同類型的發(fā)酵工藝及不同規(guī)模的發(fā)酵罐操作的一個(gè)直接手段。一個(gè)直接手段。二發(fā)酵過程中的氧傳送效率續(xù)二發(fā)酵過程中的氧傳

35、送效率續(xù)n傳氧效率的測定：傳氧效率的測定：Na2SO3氧化法測定氧化法測定n傳氧效率的比較傳氧效率的比較n對(duì)于大罐和小罐，小罐的傳氧效率高；對(duì)于大罐和小罐，小罐的傳氧效率高；n對(duì)于一樣的罐，牛頓型流體比非牛頓型流體傳氧效率對(duì)于一樣的罐，牛頓型流體比非牛頓型流體傳氧效率高；高；n對(duì)于規(guī)模一樣，同為牛頓型流體，但發(fā)酵液類別不同，對(duì)于規(guī)模一樣，同為牛頓型流體，但發(fā)酵液類別不同，在在 KLa一樣時(shí)，傳氧效率根本一致。一樣時(shí)，傳氧效率根本一致。一溶解氧一溶解氧CL的測定原理與方法的測定原理與方法n化學(xué)法化學(xué)法n極譜法極譜法n復(fù)膜氧電極法復(fù)膜氧電極法7.6 溶解氧、攝氧率和溶解氧、攝氧率和KLa的測定的測

36、定1 化學(xué)法n原理：在樣品中參與硫酸錳和堿性原理：在樣品中參與硫酸錳和堿性KI溶液，生成氫氧化錳溶液，生成氫氧化錳沉淀，與溶解氧反響生成錳酸錳，再在反響液中參與沉淀，與溶解氧反響生成錳酸錳，再在反響液中參與H2SO4, 釋放出游離的碘，然后用規(guī)范釋放出游離的碘，然后用規(guī)范Na2S2O3液滴定。液滴定。n MnSO4+2NaOH Mn(OH)2十十Na2SO4n 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2n MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2On MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4n I2+2Na2S2O32NaI十十Na2S4O6 1 化學(xué)

37、法續(xù)n優(yōu)點(diǎn)：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃優(yōu)點(diǎn)：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。度值。n缺陷：當(dāng)樣品中存在氧化復(fù)原性物質(zhì)，缺陷：當(dāng)樣品中存在氧化復(fù)原性物質(zhì)，測定結(jié)果會(huì)有偏向；當(dāng)樣品帶有顏色測定結(jié)果會(huì)有偏向；當(dāng)樣品帶有顏色時(shí)，會(huì)影響測定終點(diǎn)的判別，故不適時(shí)，會(huì)影響測定終點(diǎn)的判別，故不適宜測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。宜測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。2極譜法 原理：給浸在待測液體中的貴金屬陰極和參考原理：給浸在待測液體中的貴金屬陰極和參考電極陽極加上直流電壓，當(dāng)電解電壓固定在電極陽極加上直流電壓，當(dāng)電解電壓固定在0.8V左右時(shí)，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生左右時(shí)，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生如下氧化復(fù)原反響而

38、被耗費(fèi)，如下氧化復(fù)原反響而被耗費(fèi)， 酸性時(shí)酸性時(shí) O2+2H+2e H2O2 中性或堿性時(shí)中性或堿性時(shí) O22H2O +2e H2O22OH n 原理：原理：n 陰極外表與液體的主體之間存在氧的濃陰極外表與液體的主體之間存在氧的濃度差，于是液體主體的溶解氧就會(huì)分散到陰極度差，于是液體主體的溶解氧就會(huì)分散到陰極的外表參與電極反響，使電路中維持一定的電的外表參與電極反響，使電路中維持一定的電流。當(dāng)氧的分散過程到達(dá)穩(wěn)定形狀時(shí)，溶解氧流。當(dāng)氧的分散過程到達(dá)穩(wěn)定形狀時(shí)，溶解氧濃度與測得的分散電流成正比。濃度與測得的分散電流成正比。氧濃度與分散電流的關(guān)系氧濃度與分散電流的關(guān)系 ni-分散電流，分散電流，A

39、；nF-Faraday常數(shù)；常數(shù)；nA-陰極外表外表積；陰極外表外表積；nCc-陰極外表氧濃度，陰極外表氧濃度，mol/m3nL-液膜厚度，液膜厚度，mnDL-分散系數(shù)，分散系數(shù)，m2/sADFLiCCLCL2ADFLiCLL22極譜法n陰極外表極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以普通陰極外表極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以普通采用滴汞電板作為陰極，陽極那么可用甘汞電采用滴汞電板作為陰極，陽極那么可用甘汞電極。極。n假設(shè)樣品中含有其它的氧化復(fù)原性物質(zhì)會(huì)影響假設(shè)樣品中含有其它的氧化復(fù)原性物質(zhì)會(huì)影響電極反響，從而影響到該法的準(zhǔn)確性，使測定電極反響，從而影響到該法的準(zhǔn)確性，使測定結(jié)果有誤差。結(jié)果有誤差。jpkc

40、./jpkc3復(fù)膜氧電極法n復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型復(fù)膜氧電極類型：極譜型；原電池型n原理：復(fù)膜氧電極測得的實(shí)踐為氧從液相主體到陰極的原理：復(fù)膜氧電極測得的實(shí)踐為氧從液相主體到陰極的分散速率。當(dāng)分散過程到達(dá)穩(wěn)定形狀時(shí)，單位面積氧的分散速率。當(dāng)分散過程到達(dá)穩(wěn)定形狀時(shí)，單位面積氧的分散速率為：分散速率為：n nO2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)n 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：n i=4FAnO2= 4FAK(PL-Pc)=KPLn 溶氧電極測定的實(shí)踐是液體中的氧分壓

41、溶氧電極測定的實(shí)踐是液體中的氧分壓 復(fù)膜氧電極表示圖 a極譜型極譜型 b原電池型原電池型/jpkc復(fù)膜氧電極內(nèi)外氧電壓的分布復(fù)膜氧電極內(nèi)外氧電壓的分布c二攝氧率二攝氧率的測定原理與方法的測定原理與方法 n瓦氏呼吸儀法瓦氏呼吸儀法n物料衡算法物料衡算法n氧電極法氧電極法1瓦氏呼吸儀法n經(jīng)過測壓計(jì)測定密經(jīng)過測壓計(jì)測定密閉三角瓶的壓力變閉三角瓶的壓力變化速率即氧的耗費(fèi)化速率即氧的耗費(fèi)速率，根據(jù)培育液速率，根據(jù)培育液體積計(jì)算攝氧率。體積計(jì)算攝氧率。2物料衡算法0dtdCL 穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，LOoooiiiLLXVQRTpQRTpQdtdCV2)(12oooiiiLORTpQR

42、TpQVXQ3氧電極法n假設(shè)在某一時(shí)辰停頓向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪假設(shè)在某一時(shí)辰停頓向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪拌轉(zhuǎn)速，那么拌轉(zhuǎn)速，那么CLCcrXQdtdCOL2 KLa的測定原理與方法的測定原理與方法n亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法n取樣極譜法取樣極譜法n物料衡算法物料衡算法n動(dòng)態(tài)法動(dòng)態(tài)法n排氣法排氣法n復(fù)膜電極法復(fù)膜電極法1 亞硫酸鹽氧化法n原理原理n利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為催化劑時(shí)被氧迅速氧化利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為催化劑時(shí)被氧迅速氧化的特性來測定發(fā)酵設(shè)備的氧傳送系數(shù)。的特性來測定發(fā)酵設(shè)備的氧傳送系數(shù)。n當(dāng)亞硫酸鈉濃度為當(dāng)亞硫酸鈉濃度為0.0180.5kmol/m3、溫度在、

43、溫度在2045之間，反響速度與亞硫酸鈉濃度無關(guān)。之間，反響速度與亞硫酸鈉濃度無關(guān)。n用碘量法測定用碘量法測定Na2SO3 耗費(fèi)的速率，即可求得氧傳送耗費(fèi)的速率，即可求得氧傳送速率速率OTR, 再由式再由式OTR=KLaC*求出求出 KLa 。n 2Na2SO3+O22Na2SO4n H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HIn 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2NaI1亞硫酸鹽氧化法續(xù)n亞硫酸鹽氧化法值亞硫酸鹽氧化法值Kd )min/(40002MPamlmolOStpCVpOTRKd1亞硫酸鹽氧化法續(xù)n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)n氧溶解速度與亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反響速度快，不氧溶解速度與亞硫酸鹽濃

44、度無關(guān)，且反響速度快，不需特殊儀器。需特殊儀器。n缺陷缺陷n不及極譜法準(zhǔn)確；不及極譜法準(zhǔn)確；n只能評(píng)價(jià)發(fā)酵罐的傳氧性能，且任務(wù)容積在只能評(píng)價(jià)發(fā)酵罐的傳氧性能，且任務(wù)容積在4-80L以以內(nèi)才較準(zhǔn)確可靠；內(nèi)才較準(zhǔn)確可靠；n不能對(duì)發(fā)酵過程實(shí)測，不能對(duì)發(fā)酵過程實(shí)測，Na2SO3對(duì)微生物生長有影對(duì)微生物生長有影響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳送。響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳送。2取樣極譜法n原理原理n當(dāng)電解電壓為當(dāng)電解電壓為0.61.0V時(shí)，分散電流的大小與液體中溶解氧的時(shí)，分散電流的大小與液體中溶解氧的濃度呈正比關(guān)系。濃度呈正比關(guān)系。n由式由式 求得求得KLa n優(yōu)點(diǎn)：可以測定培育形狀下發(fā)酵液中的溶解氧濃度，進(jìn)而可計(jì)算優(yōu)點(diǎn)：可以測定培育形狀下發(fā)酵液中的溶解氧濃度，進(jìn)而可計(jì)算出溶氧系數(shù)。出溶氧系數(shù)。n缺陷：樣品取出發(fā)酵罐后，外壓自罐壓降至大氣壓，測得的缺陷：樣品取出發(fā)酵罐后，外壓自罐壓降至大氣壓，測得的n 氧濃度已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測得的氧濃度已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測得的QO2與在發(fā)酵與在發(fā)酵n 罐中的實(shí)踐情況不完全一致，因此誤差較大。罐中的實(shí)踐情況不完全一致，因此誤差較大。n LLOLLCCCCXQCCaK*2*斜率極譜法任務(wù)曲線極譜法任務(wù)曲線(3)物料衡算法 n對(duì)發(fā)酵液中的氧