第六章發(fā)酵工業(yè)中的傳氧1

1、本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、一、細(xì)胞對氧的需求細(xì)胞對氧的需求 （為什么要供氧？為什么要控制溶氧？）（為什么要供氧？為什么要控制溶氧？）二、二、發(fā)酵過程中氧的傳遞發(fā)酵過程中氧的傳遞 （如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？）（如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？）三、三、影響氧傳遞的因素影響氧傳遞的因素四、四、攝氧率、溶解氧攝氧率、溶解氧、KLa的測定的測定一、細(xì)胞對氧的需求一、細(xì)胞對氧的需求（一）（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用氧在微生物發(fā)酵中的作用（二）（二）可利用氧的特征可利用氧的特征（三）（三）微生物的耗氧特征微生物的耗氧特征（四）（四）溶解氧控制的意義溶解氧控制的意義（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用（一）氧在微生物發(fā)酵

2、中的作用 （對于好氣性微生物而言）（對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應(yīng)直接參與一些生物合成反應(yīng) COOHCHOHCHCHO3232（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征n只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。1.1.微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1) 呼吸強(qiáng)度（呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率比耗氧速率） QO2 ：單位質(zhì)量干菌體在單：單位質(zhì)量干菌體在單 位時間內(nèi)消耗氧的量。位時間內(nèi)消耗氧的量。 單位：單位：mmolO2/（kg干菌體干菌體h）。）。(2) 攝氧率攝氧率（耗氧速率）：單位體積培養(yǎng)液在單位時間（耗氧速率）：單位

3、體積培養(yǎng)液在單位時間 內(nèi)消耗氧的量。單位：內(nèi)消耗氧的量。單位： =QO2x x細(xì)胞濃度，細(xì)胞濃度，kg(干重干重)/m32. QO2與與溶氧濃度溶氧濃度CL關(guān)系關(guān)系(1) 當(dāng)當(dāng)CLCcr時時， QO2 (QO2)m(2) 當(dāng)當(dāng)CL Ccr，QO2 保持恒定保持恒定nCL1.（三）培養(yǎng)過程中細(xì)胞好氧的一般規(guī)律（三）培養(yǎng)過程中細(xì)胞好氧的一般規(guī)律A.培養(yǎng)初期：培養(yǎng)初期： QO2逐漸增高逐漸增高，x較小較小。B.在對數(shù)生長初期：達(dá)到在對數(shù)生長初期：達(dá)到(QO2 )m，但此時但此時x較低較低，并不高并不高。C.在對數(shù)生長后期：達(dá)到在對數(shù)生長后期：達(dá)到m, 此時此時 QO2 (QO2 )m ，x葡萄糖葡萄

4、糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 n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小小影響微生物耗氧的因素（續(xù)）影響微生物耗氧的因素（續(xù)）n 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 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 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EMP途徑獲取途徑獲取,則則QO2低低,耗氧

5、量小耗氧量小n溶解氧濃度對細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，溶解氧濃度對細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量。所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量。 n氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。n目前目前,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率,就能大大降低空氣消耗量就能大大降低空氣消耗量,從而降低設(shè)備費(fèi)和動力消耗從而降低設(shè)備費(fèi)和動力消耗,且且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會減少泡沫形成和染菌的機(jī)會, 大大提高設(shè)備利用率。大大提高設(shè)備利用

6、率。（四）溶解氧控制的意義（四）溶解氧控制的意義二、發(fā)酵過程中氧的傳遞二、發(fā)酵過程中氧的傳遞 （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)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)系發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)系(一一) 供氧的實(shí)現(xiàn)形式供氧的實(shí)現(xiàn)形式 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，

7、裝量少搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少 通無菌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. 細(xì)胞培養(yǎng)體系氧的傳遞過程細(xì)胞培養(yǎng)體系氧的傳遞過程氣泡氣泡細(xì)胞細(xì)胞滯流區(qū)滯流區(qū)滯流區(qū)滯流區(qū)氣氣- -液界面液界面液液- -細(xì)胞團(tuán)界面細(xì)胞團(tuán)界面細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞膜細(xì)胞膜液相主體液相主體生化反應(yīng)生化反應(yīng)（二）發(fā)酵過程中氧的傳遞（二）發(fā)酵過程中氧的傳遞(1)(1)雙膜理論的基本前提雙膜理論的基本前提n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；

8、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；n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)，氧以濃度差方式透過雙膜；濃度差方式透過雙膜；n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；任一點(diǎn)氧濃度，氧分壓相等；n液膜以外的液體分子處于對流狀態(tài)，稱為液體主流，任一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)氧濃度點(diǎn)氧濃度、氧分壓相等。氧分壓相等。2. 氣體溶解過程的雙膜理論氣體溶解過程的雙膜理論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)

9、散方向ppiCiCLp-piCLCi-雙膜理論的氣液接觸雙膜理論的氣液接觸n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; ;氧傳遞過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳質(zhì)途徑上各氧傳遞過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時間而變化。點(diǎn)的氧濃度不隨時間而變化。1) 氣膜氣膜傳遞阻力傳遞阻力1/kG 2) 氣液界面?zhèn)鬟f阻力氣液界面?zhèn)鬟f阻力1/kI3) 液膜液膜傳遞阻力傳遞阻力1/kL 4) 液相傳遞阻力液相傳遞阻力1/kLB5) 細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力1/kLC 6) 固液界面?zhèn)鬟f阻力固液界面?zhèn)鬟f阻力1/kI

10、S7) 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻力的傳遞阻力1/kA8) 細(xì)胞膜細(xì)胞膜、細(xì)胞壁阻力、細(xì)胞壁阻力1/kW 9) 反應(yīng)阻力反應(yīng)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氧的傳遞阻力氧的傳遞阻力(2) 傳質(zhì)理論傳質(zhì)理論n傳質(zhì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，總的傳質(zhì)速率與串聯(lián)的各步傳質(zhì)速傳質(zhì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，總的傳質(zhì)速率與串聯(lián)的各步傳質(zhì)速率相等，則單位接觸界面氧的傳遞速率為率相等，則單位接觸界面氧的傳遞速率為 ： nO2單位接觸界面的氧傳遞速率單位接觸界面的氧傳遞速率，P、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，MPaCL、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

11、濃度，kG氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù)，kL液膜傳質(zhì)系數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/hLLiGiOkCCkPPn112阻力推動力)(22hmlOkmo3mkmol)(2MPahmkmol若改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動力，則在穩(wěn)定狀態(tài)時，若改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動力，則在穩(wěn)定狀態(tài)時， KG以氧分壓差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)以氧分壓差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)， KL 以氧濃度差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)以氧濃度差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，m/s P*與液相中氧濃度與液相中氧濃度C相平衡時氧的分壓相平衡時氧的分壓，Pa C*與氣相中氧分壓與氣相中氧分壓P達(dá)平衡時氧的濃度達(dá)平衡時氧的濃度，mol/m3)CC(K)PP(KnL*L*G

12、O2 )Pasm(mol2根據(jù)亨利定律，與溶解濃度達(dá)到平衡的氣體分壓與該氣體根據(jù)亨利定律，與溶解濃度達(dá)到平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的分子分?jǐn)?shù)成正比，即：被溶解的分子分?jǐn)?shù)成正比，即：H亨利常數(shù)，表示氣體溶解于液體的難易程度，與氣體、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)溶劑種類及溫度有關(guān)。*HCP L*HCP iiHCP *OG*G2OPPnK)PP(Kn2 22222OLiOiO*iOiO*Gn)CC(HnPPnPPnPPnPPK1 2211OiGGiOnPPkkPPn2OLiLnCCk1 LLiokCCn/12LGGkHk1K1 由式同理：同理：由于氧氣難溶于水

13、，由于氧氣難溶于水，H H值很大，值很大， , ,說明這一過程說明這一過程液膜阻力液膜阻力是主要因素是主要因素。LGLkHkK111GHk1Lk1LLkK 3.3.氧傳遞方程氧傳遞方程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KLa作為一項(xiàng)處理，稱為作為一項(xiàng)處理，稱為體積體積溶氧系數(shù)溶氧系數(shù)或或體積傳質(zhì)系數(shù)體積傳質(zhì)系數(shù)。n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 )(1)()(*PPHaKPPaKCCaKOTRLGLLOTR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以濃度差為推動力的體積

14、溶氧系數(shù)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)以分壓差為推動力的體積溶氧系數(shù),)hm(olkm3)MPahm(olkm34. 發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)系發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)系n細(xì)胞呼吸的本征要求細(xì)胞呼吸的本征要求:n氧傳遞特征（發(fā)酵罐傳遞性能）氧傳遞特征（發(fā)酵罐傳遞性能）n若需氧量供氧量，則生產(chǎn)能力受設(shè)備限制，需進(jìn)一步提高若需氧量供氧量，則生產(chǎn)能力受設(shè)備限制，需進(jìn)一步提高傳遞能力；傳遞能力；n若需氧量供氧量，則生產(chǎn)能力受微生物限制，需篩選高產(chǎn)若需氧量供氧量，則生產(chǎn)能力受微生物限制，需篩選高產(chǎn)菌：呼吸強(qiáng)，生長快，代謝旺盛。菌：呼吸強(qiáng)，生長快

15、，代謝旺盛。 n供氧與耗氧至少必須平衡，此時可用下式表示：供氧與耗氧至少必須平衡，此時可用下式表示： 2OQxLLmOOLLCKxCQxQCCaKOTR)()(22*傳遞傳遞消耗消耗 對于一個培養(yǎng)物來說，最低的通氣條件可由式對于一個培養(yǎng)物來說，最低的通氣條件可由式 求得。求得。 kLa亦可稱為亦可稱為“通氣效率通氣效率”, 可用來衡量發(fā)酵罐的通可用來衡量發(fā)酵罐的通氣狀況，高值表示通氣條件富裕，低值表示通氣條氣狀況，高值表示通氣條件富裕，低值表示通氣條件貧乏。件貧乏。LOLCCxQaK*2n在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液內(nèi)某瞬間溶氧濃度變化在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液內(nèi)某瞬間溶氧濃度變化可用下式表示可用下式表示:

16、n在穩(wěn)態(tài)時在穩(wěn)態(tài)時,則則 ，則，則xQCCaKdtdCOLLL2)(*0dtdCLaKxQCCLOL2*由氣液傳遞速率方程由氣液傳遞速率方程)(*LLCCaKOTR 2. kLa的影響因素的影響因素（一）影響氧傳遞的因素（一）影響氧傳遞的因素1. 影響推動力影響推動力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：1) 溫度溫度n氧 在 水 中 的 溶 解 度 隨 溫 度 的 升 高 而 降 低 ， 在氧 在 水 中 的 溶 解

17、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)，與空氣平衡的的范圍內(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)算純水中，氧的濃度可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算: t溫度溫度, Cw*氧在純水中的溶解度氧在純水中的溶解度, mol/m3 T ，Cw* ，推動力，推動力 6 .316 .14*tCw2) 溶質(zhì)溶質(zhì)A.電解質(zhì)電解質(zhì) 1) 對于單一電解質(zhì)對于單一電解質(zhì) 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 Cw*氧在純水中的溶解度氧在純水中的溶解度, mol/m3 CE電解質(zhì)溶液的濃度電解質(zhì)溶液的濃度, kmol/m3 KS

18、echenov常數(shù)常數(shù),隨氣體種類隨氣體種類,電解質(zhì)種類和溫度變化。電解質(zhì)種類和溫度變化。E*e*wKCCClg )C,C(*eE2) 溶質(zhì)溶質(zhì)2）對于幾種電解質(zhì)的混合溶液）對于幾種電解質(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種離子的價數(shù)種離子的價數(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

19、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)（續(xù)）溶質(zhì)（續(xù)）C. 混合溶液混合溶液(電解質(zhì)電解質(zhì)+非電解質(zhì)非電解質(zhì)):疊加疊加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3jnjwiiimwCCIhCC*lglg溶質(zhì)溶質(zhì)， Cm*3) 溶劑溶劑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) 氧分壓氧分壓n提高空氣總壓（增加罐壓），從而提高了氧分壓，對提高空氣總壓（增加罐壓），從而提高了氧分壓，對應(yīng)的溶解度也提

20、高，但增加罐壓是有一定限度的。應(yīng)的溶解度也提高，但增加罐壓是有一定限度的。n保持空氣總壓不變，提高氧分壓，即改變空氣中氧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(jìn)行富氧通氣等。組分濃度，如：進(jìn)行富氧通氣等。 影響影響KLa的因素的因素 發(fā)酵罐的形狀，結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)）發(fā)酵罐的形狀，結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)） 攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)）攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)） 通氣：表觀線速度通氣：表觀線速度Ws 操作條件操作條件 攪拌：轉(zhuǎn)速攪拌：轉(zhuǎn)速N，攪拌功率攪拌功率PG 發(fā)酵液體積發(fā)酵液體積V，液柱高度液柱高度HL 發(fā)酵液的性質(zhì)發(fā)酵液的性質(zhì)：如影響發(fā)酵液性質(zhì)的表面活性劑、離子如影響發(fā)酵

21、液性質(zhì)的表面活性劑、離子 強(qiáng)度、菌體量等。強(qiáng)度、菌體量等。設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù)綜合三類影響因素，有綜合三類影響因素，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，kg/m3; 液體粘度液體粘度，Pas ; DL擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)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)式的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)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)RenoldsNdmRe2LLDdaK212)Nd(23)(2gdN4)(LD5)(

22、sW6)(sWNdSherwoodLLDdaK2準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) Froude2gdN通氣準(zhǔn)數(shù)3NdQWNdNagssW氣流準(zhǔn)數(shù)SchmidtLD準(zhǔn)數(shù)KLa影響因素的分析依據(jù)影響因素的分析依據(jù) ： 以小型罐中牛頓型流體測定的結(jié)果為例：以小型罐中牛頓型流體測定的結(jié)果為例： 合并化簡得：合并化簡得：LLDdaK20.065 . 12)(Nd19. 02)(gdN5 . 0)(LD6 . 0)(sW32. 0)(siWND6 . 019. 04 . 028. 05 . 051. 12 . 2gWDdNsLKLa=0.06問題：當(dāng)設(shè)備一定，發(fā)酵液性質(zhì)一定，即問題：當(dāng)設(shè)備一定，發(fā)酵液性質(zhì)一定，即d；、 、D

23、L、g兩類因素不變，可否建立兩類因素不變，可否建立KLa與操作條件間的獨(dú)立關(guān)聯(lián)式：如與操作條件間的獨(dú)立關(guān)聯(lián)式：如 ？WkaKLs2 . 228. 0不行，實(shí)測后必須以不行，實(shí)測后必須以 進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。 當(dāng)通氣是重要影響因素時，建立小型罐成功發(fā)酵的關(guān)當(dāng)通氣是重要影響因素時，建立小型罐成功發(fā)酵的關(guān) 聯(lián)式或建立放大的關(guān)聯(lián)式要特別小心。聯(lián)式或建立放大的關(guān)聯(lián)式要特別小心。 當(dāng)其他條件一定，改變當(dāng)其他條件一定，改變N、Ws測相應(yīng)的測相應(yīng)的KLa，不能根，不能根 據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立方程據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立方程 KLaKNWs 當(dāng)規(guī)模擴(kuò)大后，想建立等當(dāng)規(guī)模擴(kuò)大后，想建立等KLa放大的關(guān)聯(lián)式更困難，放大的關(guān)聯(lián)式更困

24、難， 只考慮只考慮N、Ws 時，則時，則KLa與與 相差甚遠(yuǎn)，關(guān)系復(fù)雜相差甚遠(yuǎn)，關(guān)系復(fù)雜。sGLWVPkaK)(WNsn實(shí)際工作中，通常以實(shí)際工作中，通常以“單位體積攪拌功率單位體積攪拌功率”代代替替“N”建立建立KLa表達(dá)式，則實(shí)測時擬合得很好。表達(dá)式，則實(shí)測時擬合得很好。nPG/ V不僅包含了不僅包含了“N”的變化，也真實(shí)反映的變化，也真實(shí)反映了流態(tài)的影響了流態(tài)的影響(即即Ws、N與設(shè)備及發(fā)酵液特性與設(shè)備及發(fā)酵液特性共同作用共同作用)。A. 攪拌對攪拌對KLa的影響的影響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將通入培養(yǎng)液的空氣分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝

25、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，延長氣泡在液體中的停留時間，溶氧攪拌產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間，溶氧n攪拌造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳攪拌造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳遞過程的阻力，即遞過程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧溶氧n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，使推動力均一；同時，也減少菌體表面液膜的厚的增加，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

26、傳遞。度，有利于氧的傳遞。A. 攪拌對攪拌對KLa的影響（續(xù)）的影響（續(xù)）nN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 NB. 通氣對通氣對KLa的影響的影響: n在通氣量在通氣量Q較低時較低時, QWs KLaC. 通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對KLa的影響的影響 n從公式上看從公式上看, PG, Ws, KLa, 但但Ws的增加是有上限的的增加是有上限的, 當(dāng)當(dāng)Ws (Ws)m, 導(dǎo)致導(dǎo)致PG嚴(yán)重下降嚴(yán)重下降. Ws (Ws)m， PG ，KLa 當(dāng)通氣量超過一定上限時當(dāng)通氣

27、量超過一定上限時, 攪拌器就不能有效地將空氣泡分?jǐn)嚢杵骶筒荒苡行У貙⒖諝馀莘稚⒌揭后w中去散到液體中去, 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“過載過載”現(xiàn)象現(xiàn)象, 此時此時攪拌功率攪拌功率PG會大大下降會大大下降, KLa也會大大下降也會大大下降。 只有只有Q，N同時提高同時提高，PG才不會大大才不會大大 下降下降，KLa。C. 通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對KLa的影響的影響 sGLWVPKaKlg)(lglg表觀空氣速度與表觀空氣速度與KLa的關(guān)系的關(guān)系設(shè)備規(guī)模的影響設(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)隨培養(yǎng)裝置的規(guī)模隨培養(yǎng)裝置的規(guī)

28、模而相應(yīng)變化而相應(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在相同條件下會減小在相同條件下會減小.設(shè)備形狀結(jié)構(gòu)的影響設(shè)備形狀結(jié)構(gòu)的影響:n如如20T的伍式發(fā)酵罐的伍式發(fā)酵罐: =0.72, =0.11攪拌器形式的影響攪拌器形式的影響: 、數(shù)值不同數(shù)值不同 對于對于值值:彎葉彎葉平葉平葉箭葉箭葉 對于對于值值: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 翻動流體能力翻動流體能力: 箭葉箭葉彎葉彎葉平葉平葉平葉平葉箭葉箭葉彎葉彎葉此外，攪拌

29、器的直徑大小、組數(shù)、攪拌器間距以及此外，攪拌器的直徑大小、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對在罐內(nèi)的相對位置等對KLa都有影響都有影響. 攪拌器形式的影響攪拌器形式的影響表面活性劑的影響表面活性劑的影響 氣液界面厚度氣液界面厚度, 1/kL, kL 氣泡變小氣泡變小, a 低濃度表面活性劑時低濃度表面活性劑時,以以a為主為主, KLa；添加至一定量時添加至一定量時, kL降至最低降至最低, KLa下降顯著；下降顯著；再繼續(xù)增加時再繼續(xù)增加時，kL維持最低水平不再下降維持最低水平不再下降，而而a，此此時時KLa從最低點(diǎn)有所回升從最低點(diǎn)有所回升。 表面活性劑的濃度表面活性劑的濃度KLa受兩種

30、受兩種趨勢影響趨勢影響 表面活性劑月桂基磺酸鈉（表面活性劑月桂基磺酸鈉（NaLSO4）濃度對）濃度對KLa、KL和和da(a)的影響的影響離子強(qiáng)度對離子強(qiáng)度對KLa的影響的影響n電解質(zhì)溶液濃度電解質(zhì)溶液濃度,則氣泡變小則氣泡變小,a, KLa;n有機(jī)溶質(zhì)濃度有機(jī)溶質(zhì)濃度,則氣泡變小則氣泡變小,a, KLa電解質(zhì)溶液濃度電解質(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。具體的，離子強(qiáng)度具體的，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時時, =0.40+0.862I/(0.274+I), 且且I,常數(shù)常數(shù)k。I0.4時時, =0.9

31、, 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)對對的影響較小，的影響較小，在在0.35 0.39之之間變化，不如間變化，不如變化大。變化大。菌體濃度菌體濃度n細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度 x，KLa()菌絲濃度對菌絲濃度對KLa的影響的影響（二）發(fā)酵過程中的氧傳遞效率（二）發(fā)酵過程中的氧傳遞效率n定義：每溶解定義：每溶解1kg O2所消耗的電能（千瓦小時所消耗的電能（千瓦小時/kg O2)定義為氧傳遞效率或傳氧效率。定義為氧傳遞效率或傳氧效率。n意義：意義：n代表每傳遞代表每傳遞1kg O2所需輸入的能量，這個能量包括所需輸入的能量，這個能量包括攪拌器和空氣壓縮機(jī)耗用功率的總能量

32、。攪拌器和空氣壓縮機(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作為評價通氣發(fā)酵罐的重要指標(biāo)，可以此作為評價作為評價通氣發(fā)酵罐的重要指標(biāo)，可以此作為評價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)酵罐操作的一個直接手段。作的一個直接手段。二發(fā)酵過程中的氧傳遞效率（續(xù)）二發(fā)酵過程中的氧傳遞效率（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對于大罐和小罐，小罐的傳氧效率高；對于大罐和小罐，小罐的傳氧效率高；n對于相同的罐，牛頓型流體比非牛頓型流體傳氧效對于相同的罐，牛頓型流體比

33、非牛頓型流體傳氧效率高；率高；n對于規(guī)模相同，同為牛頓型流體，但發(fā)酵液類別不對于規(guī)模相同，同為牛頓型流體，但發(fā)酵液類別不同，在同，在 KLa相同時，傳氧效率基本一致。相同時，傳氧效率基本一致。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（1） 化學(xué)法化學(xué)法n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溶液，生成氫氧化錳溶液，生成氫氧化錳沉淀，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸錳，再在反應(yīng)液中加入沉淀，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸錳，再在反應(yīng)液中加入H2SO4, 釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3液滴

34、定。液滴定。 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2+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 （1） 化學(xué)法（續(xù)）化學(xué)法（續(xù)）n優(yōu)點(diǎn)：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。優(yōu)點(diǎn)：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。n缺點(diǎn)：當(dāng)樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)缺點(diǎn)：當(dāng)樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有偏差；當(dāng)樣品帶有顏色時，會影響測定果會有偏差；當(dāng)樣品帶有顏色時，會影響測定終點(diǎn)的判斷，故不適合測定發(fā)酵液的溶解氧

35、濃終點(diǎn)的判斷，故不適合測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。度。（2）極譜法）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，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生左右時，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生如下氧化還原反應(yīng)而被消耗，如下氧化還原反應(yīng)而被消耗， 酸性時酸性時 O2+2H+2e H2O2 中性或堿性時中性或堿性時 O22H2O +2e H2O22OH n 原理：原理： 陰極表面與液體的主體之間存在氧的濃度差，陰極表面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

36、會擴(kuò)散到陰極的表面于是液體主體的溶解氧就會擴(kuò)散到陰極的表面參加電極反應(yīng)，使電路中維持一定的電流參加電極反應(yīng)，使電路中維持一定的電流。當(dāng)當(dāng)氧的擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與氧的擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與測得的擴(kuò)散電流成正比。測得的擴(kuò)散電流成正比。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（2）極譜法）極譜法n陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極，陽極則可用甘汞電極。采用滴汞電板作為陰極，陽極則可用甘汞電極。n如果樣品中含有其它的氧化還原性物質(zhì)會影響如果樣品中含有其它的氧化還

37、原性物質(zhì)會影響電極反應(yīng)，從而影響到該法的準(zhǔn)確性，使測定電極反應(yīng)，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。（3）復(fù)膜氧電極復(fù)膜氧電極法法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)：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，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，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)

38、定電流為： i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPL 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)膜氧電極示意圖復(fù)膜氧電極示意圖 （a a）極譜型）極譜型 （b b）原電池型）原電池型復(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）瓦氏呼吸儀法n通過測壓計(jì)測定密閉通過測壓計(jì)測定密閉三角瓶的壓力變化速三角瓶的壓力變化速率即氧的消耗速率，率即氧的消耗速率，根據(jù)培養(yǎng)液體積計(jì)算根據(jù)培養(yǎng)液體積計(jì)算攝氧率。攝氧率。（2）物料

39、衡算法）物料衡算法0dtdCL 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時，LOoooiiiLLXVQRTpQRTpQdtdCV2)(12oooiiiLORTpQRTpQVXQ（3）氧電極法）氧電極法n如果在某一時刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪如果在某一時刻停止向發(fā)酵液通氣，而維持原來的攪拌轉(zhuǎn)速，則拌轉(zhuǎn)速，則（CLCcr）XQdtdCOL2 K KL La a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動態(tài)法動態(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被氧迅速利用亞硫酸根在銅

40、或鎂離子作為催化劑時被氧迅速氧化的特性來測定發(fā)酵設(shè)備的氧傳遞系數(shù)。氧化的特性來測定發(fā)酵設(shè)備的氧傳遞系數(shù)。n當(dāng)亞硫酸鈉濃度為當(dāng)亞硫酸鈉濃度為0.0180.5kmol/m3、溫度在溫度在2045之間，反應(yīng)速度與亞硫酸鈉濃度無關(guān)。之間，反應(yīng)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 消耗的速率，即可求得氧傳遞消耗的速率，即可求得氧傳遞速率速率OTR, 再由式再由式OTR=KLaC*求出求出 KLa 。 2Na2SO3+O22Na2SO4 H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2NaI（1）亞硫酸鹽氧化法（續(xù)）亞硫酸鹽氧化法（續(xù)）n

41、亞硫酸鹽氧化法值亞硫酸鹽氧化法值Kd )min/(40002MPamlmolOStpCVpOTRKd（1）亞硫酸鹽氧化法（續(xù)）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)，且反應(yīng)速度快，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。不需特殊儀器。n缺點(diǎn)缺點(diǎn)n不及極譜法準(zhǔn)確；不及極譜法準(zhǔn)確；n只能評價發(fā)酵罐的傳氧性能，且工作容積在只能評價發(fā)酵罐的傳氧性能，且工作容積在4-80L以內(nèi)才較準(zhǔn)確可靠；以內(nèi)才較準(zhǔn)確可靠；n不能對發(fā)酵過程實(shí)測，不能對發(fā)酵過程實(shí)測，Na2SO3對微生物生長有影對微生物生長有影響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳遞。響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳遞。（2）取

42、樣極譜法取樣極譜法n原理原理 當(dāng)電解電壓為當(dāng)電解電壓為0.61.0V時，擴(kuò)散電流的大小與液體時，擴(kuò)散電流的大小與液體中溶解氧的濃度呈正比關(guān)系。中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，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)。進(jìn)而可計(jì)算出溶氧系數(shù)。n缺點(diǎn)：樣品取出發(fā)酵罐后，外壓自罐壓降至大氣壓，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 罐中的實(shí)際情況不完全一致，因而誤差較大。罐中的實(shí)際情況不完全一

43、致，因而誤差較大。LLOLLCCCCXQCCaK*2*斜率極譜法工作曲線極譜法工作曲線(3)物料衡算法物料衡算法 n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 )(*LLLCCaKdtdC0dtdCL穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時)/(*LLCCaK于是于是對大型發(fā)酵罐，可用平均推動力對大型發(fā)酵罐，可用平均推動力 )()(ln)()()(*LoLiLoLimLCCCCCCCCCC（4）動態(tài)法）動態(tài)法n原理原理 發(fā)酵過程中停止通氣片刻，人為制造一個不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)酵過程中停止通氣片刻，人為制造一個不穩(wěn)定狀態(tài)來求來求KLa。不穩(wěn)定狀態(tài)時發(fā)酵液中某一時間間隔的溶氧不穩(wěn)定狀態(tài)時發(fā)酵液中某一時間間隔的溶氧量為：量為： 可改寫為可改寫為 xQCCaKdtdCOLLL2*)(*2)(1(CxQdtdCaKCOLLL*)(1(Cdt