【發(fā)酵工程】-發(fā)酵工業(yè)中氧的供給

1、第七章發(fā)酵工業(yè)中氧的供需本章內(nèi)容一、微生物細胞對氧的需求二、發(fā)酵過程中氧的傳遞三、影響氧傳遞的因素四、攝氧率、溶解氧、KLa的測定一、微生物細胞對氧的需求一氧在微生物發(fā)酵中的作用二可利用氧的特征二微生物的耗氧特征四溶解氧控制的意義一氧在微生物發(fā)酵中的作用對于好氣性微生物而言呼吸作用 直接參與一些生物合成反響 二可利用氧的特征只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。微生物的耗氧特征(1)呼吸強度比耗氧速率 QO2 ：單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：mmolO2/kg干菌體h。 (2) 攝氧率耗氧速率：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位： =QO2x x細胞濃度，kg(干重)/m32

2、. 培養(yǎng)過程中細胞耗氧的一般規(guī)律培養(yǎng)初期： QO2逐漸增高，x較小。在對數(shù)生長初期：到達(QO2 )m，但此時x較低， 并不高。C. 在對數(shù)生長后期：到達m, 此時 QO2 (QO2 )m ， x葡萄糖 蔗糖 乳糖 培養(yǎng)基濃度 濃度大, QO2 ; 濃度小, QO2菌齡的影響:一般幼齡菌QO2大,晚齡菌QO2小4. 影響微生物耗氧的因素續(xù) 發(fā)酵條件的影響 pH值 通過酶活來影響耗氧特征; 溫度 通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T , DO2 代謝類型(發(fā)酵類型)的影響 假設(shè)產(chǎn)物通過TCA循環(huán)獲取,那么QO2高,耗氧量大 假設(shè)產(chǎn)物通過EMP途徑獲取,那么QO2低,耗氧量小溶解氧濃度對細胞生長和產(chǎn)物

3、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。 氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。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,】就能大大降低空氣消耗量,從而降低設(shè)備費和動力消耗,且減少泡沫形成和染菌的時機, 大大提高設(shè)備利用率。 四溶解氧控制的意義疣孢漆斑霉在分批培養(yǎng)時呼吸強度的變化 二、發(fā)酵過程中氧的傳遞 1. 氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力2. 氣體溶解過程的雙膜理論 3. 氧傳遞方程4.發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)系氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力1.氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力氧從氣泡到細胞的傳遞過程示意圖氣膜傳遞阻力1/kG 氣液界面?zhèn)鬟f阻力1/kI 液膜傳遞阻

4、力1/kL液相傳遞阻力1/kLB細胞或細胞團外表的液膜阻力1/kLC 固液界面?zhèn)鬟f阻力1/kIS細胞團內(nèi)的傳遞阻力1/kA細胞膜、細胞壁阻力1/kW 反響阻力1/kR供氧方面的阻力耗氧方面的阻力供氧方面主要阻力是氣膜和液膜阻力 耗氧方面主要阻力是細胞團內(nèi)與細胞膜阻力氣體溶解過程的雙膜理論雙膜理論的氣液接觸(1)雙膜理論的根本前提(三點假設(shè))1、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；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；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，任一點氧濃度，氧分壓相等；液膜以

5、外的液體分子處于對流狀態(tài)，稱為液體主流，任一點氧濃度、氧分壓相等。2、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 ：3、氧傳遞過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳質(zhì)途徑上各點的氧濃度不隨時間而變化。(2) 傳質(zhì)理論傳質(zhì)到達穩(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，那么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，P、Pi氣相中和氣、液界面處氧的分壓，MPa CL、Ci液相中和氣、液界面處氧的濃度， kG氣膜傳質(zhì)系數(shù)， kL液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/h假設(shè)改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動力，那么在穩(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)， KL 以氧濃度差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，m/

6、s P*與液相中氧濃度C相平衡時氧的分壓，Pa C*與氣相中氧分壓P達平衡時氧的濃度，mol/m3X-摩爾分數(shù)B-物質(zhì)的量C-濃度亨利定律：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.適用范圍1氣體在液體中溶解度不是很高時亨利定律才是適用的2溶質(zhì)在氣相中和液相中的分子狀態(tài)相同離解、締合時不可以根據(jù)亨利定律，與溶解濃度到達平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的分子分數(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、溶劑種類及溫度有關(guān)。T升高，溶質(zhì)揮發(fā)能力強，H大T升高，氣體的溶解度小氣體H2N2O2COCO2CH4C2H2C2H4H水為溶劑7.28.684.405.790.166

7、4.180.1361.16H苯為溶劑0.3670.2390.1630.1140.0569由式同理：由于氧氣難溶于水，H值很大， ,說明這一過程液膜阻力是主要因素。3.氧傳遞方程在氣液傳質(zhì)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(zhì)系數(shù)。在單位體積培養(yǎng)液中，氧的傳質(zhì)速率氣液傳質(zhì)的根本方程式為 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), 發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)系 1.Ccr的定義微生物的比耗氧速率受發(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最低要求，即不影響呼吸所允許的最低溶

8、氧濃度，稱為臨界氧濃度，以Ccr表示。CL Ccr，QO2 保持恒定CLCcr時， QO2 (QO2)m(2) 當(dāng)CL平葉箭葉 對于值: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(nèi)的相對位置等對KLa都有影響. 平葉箭葉彎葉A. 外表活性劑的影響 氣液界面厚度, 1/kL, kL 氣泡變小, a 低濃度外表活性劑時,以a為主, KLa添加至一定量時, kL降至最低, KLa下降顯著 外表活性劑的濃度KLa受兩種趨勢影響 B. 離子強度對KLa的影響電解質(zhì)溶液濃度,那么氣泡變小,a, KLa;有機溶質(zhì)濃度,那么氣泡

9、變小,a, KLa電解質(zhì)溶液濃度，傳氧特性好(KLa),溶氧特性C*E 差.C. 菌體濃度細胞濃度 x，KLa菌絲濃度對KLa的影響二發(fā)酵過程中的氧傳遞效率定義：每溶解1kg O2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。意義：代表每傳遞1kg O2所需輸入的能量，這個能量包括攪拌器和空氣壓縮機耗用功率的總能量。數(shù)值越低，傳氧效率越高。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)酵罐操作的一個直接手段。一溶解氧CL的測定原理與方法化學(xué)法極譜法復(fù)膜氧電極法1 化學(xué)法原理：在樣品中參加硫酸錳和堿性KI溶液，生成氫氧化錳沉淀，與溶解氧反響生成

10、錳酸錳，再在反響液中參加H2SO4, 釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3液滴定。 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2十Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十Na2S4O6 1 化學(xué)法優(yōu)點：測定較準(zhǔn)確，且能得到氧的濃度值。缺點：當(dāng)樣品中存在氧化復(fù)原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有偏差；當(dāng)樣品帶有顏色時，會影響測定終點的判斷，故不適合測定發(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電極陽極加上直流

11、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)生如下氧化復(fù)原反響而被消耗， 酸性時 O2+2H+2e H2O2 中性或堿性時 O22H2O +2e H2O22OH 原理： 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擴散到陰極的外表參加電極反響，使電路中維持一定的電流。當(dāng)氧的擴散過程到達穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與測得的擴散電流成正比。氧濃度與擴散電流的關(guān)系 2極譜法陰極外表極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極，陽極那么可用甘汞電極。如果樣品中含有其它的氧化復(fù)原性物質(zhì)會影響電極反響，從而影響到該法的準(zhǔn)確性，使測定結(jié)果有誤差。3復(fù)膜氧電極法復(fù)膜

12、氧電極類型：極譜型；原電池型原理：復(fù)膜氧電極測得的實際為氧從液相主體到陰極的擴 散速率。當(dāng)擴散過程到達穩(wěn)定狀態(tài)時，單位面積氧的擴散速率為： no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根據(jù)Faraday定律，原電池型氧電極的穩(wěn)定電流為： i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPL 溶氧電極測定的實際是液體中的氧分壓 復(fù)膜氧電極示意圖 a極譜型 b原電池型復(fù)膜氧電極內(nèi)外氧電壓的分布c二攝氧率的測定原理與方法 瓦氏呼吸儀法物料衡算法氧電極法1瓦氏呼吸儀法通過測壓計測定密閉三角瓶的壓力變化速率即氧的消耗速率，根據(jù)培養(yǎng)液體積計算攝氧率。2物料衡算法 穩(wěn)

13、態(tài)時，3氧電極法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，那么CLCcr KLa的測定原理與方法亞硫酸鹽氧化法取樣極譜法物料衡算法動態(tài)法排氣法復(fù)膜電極法1 亞硫酸鹽氧化法原理利用亞硫酸根在銅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)。當(dāng)亞硫酸鈉濃度為0.0180.5kmol/m3、溫度在2045之間，反響速度與亞硫酸鈉濃度無關(guān)。用碘量法測定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧傳遞速率OTR, 再由式OTR=KLaC*求出 KLa 。 2Na2SO3+O22Na2SO4H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2Na

14、I1亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法值Kd 1亞硫酸鹽氧化法優(yōu)點氧溶解速度與亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反響速度快，不需特殊儀器。缺點不及極譜法準(zhǔn)確；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；不能對發(fā)酵過程實測，Na2SO3對微生物生長有影響，且發(fā)酵液的性質(zhì)影響氧的傳遞。2取樣極譜法原理當(dāng)電解電壓為0.61.0V時，擴散電流的大小與液體中溶解氧的濃度呈正比關(guān)系。由式 求得KLa 優(yōu)點：可以測定培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中的溶解氧濃度，進而可計算出溶氧系數(shù)。缺點：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QO2與在發(fā)酵 罐中的實際情況不完全一致，因而

15、誤差較大。 極譜法工作曲線(3)物料衡算法 對發(fā)酵液中的氧進行物料衡算 穩(wěn)態(tài)時于是對大型發(fā)酵罐，可用平均推動力 4動態(tài)法原理 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)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量為： 可改寫為 停氣t1, C1 C2, =QO2x=通氣t2， C2 C1，將CL對 作圖可得一直線，斜率為1/KLa, 在CL軸上截距為C*. 停氣和通氣后培養(yǎng)液中溶氧濃度的變化情況利用動態(tài)過程測得的數(shù)據(jù)求出KLa和C*優(yōu)點：可以測定真實培養(yǎng)狀態(tài)下發(fā)酵液中溶解氧濃度，并可計算出溶氧系數(shù)。缺點：人為停止通氣后的情況與在發(fā)酵罐中連續(xù)通氣的實際情況會有一定的差異，而且停止通氣會影響微生物的正常生長，因而存在一定的誤差。4動態(tài)法5排氣法原理 在被測定的發(fā)酵罐中先用氮氣趕去液體中的溶解氧或裝入已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl溶液，當(dāng)開始通氣及攪拌后，定時取樣用極譜儀或其它溶氧測定儀測出溶氧濃度CL，