發(fā)酵工業(yè)中氧的供需

發(fā)酵工業(yè)中氧的供需第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一本章內(nèi)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2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3.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)的基本方程式）為

第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4.發(fā)酵過程耗氧與供氧的動態(tài)關(guān)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(chǎn)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(chǎn)能力受微生物限制，需篩選高產(chǎn)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5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一令則變換第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一無因次數(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(guān)，則,

第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一β為常數(shù),則

y亦x的函數(shù),有形式

第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

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9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一在發(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:在穩(wěn)態(tài)時,則，則第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一1)

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(nèi)，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12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2)

溶質(zhì)電解質(zhì)

1)對于單一電解質(zhì)

Ce*—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,mol/m3

CE—電解質(zhì)溶液的濃度,kmol/m3

K—Sechenov常數(shù),隨氣體種類,電解質(zhì)種類和溫度變化.第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2)

溶質(zhì)（續(xù)）2）對于幾種電解質(zhì)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14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2)溶質(zhì)（續(xù)）B.

非電解質(zhì)

式中Cn*—氧在非電解質(zhì)溶液中的溶解度,mol/m3

CN—非電解質(zhì)或有機物濃度,

kg/m3k—非電解質(zhì)的Sechenov常數(shù),m3/kg第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2)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/m3溶質(zhì)↑，Cm*↓第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3)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17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4)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18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一影響KLa的因素

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)）

通氣：表觀線速度Ws②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

③發(fā)酵液的性質(zhì)：如影響發(fā)酵液性質(zhì)的表面活性劑、離子強度、菌體量①設備參數(shù)第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一綜合①②③三類影響因素，有其中

d—攪拌器直徑，m;Ν—攪拌器轉(zhuǎn)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(guān)聯(lián)式

第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一寫成準數(shù)式(無因次式)

＝準數(shù)第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一＝氣流準數(shù)準數(shù)第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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(jié)果為例：合并化簡得：＝0.06KLa=0.06第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一問題：當設備一定，發(fā)酵液性質(zhì)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(guān)聯(lián)式：如

第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一不行，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(guān)聯(lián)式或建立放大的關(guān)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(guān)聯(lián)式更困難，只考慮N、Ws

時，則KLa與相差甚遠，關(guān)系復雜。第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一實際工作中，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26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一在PG的計算中要滿足下列條件:①P的計算與Rem值有關(guān):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27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一PG計算與P和Na有關(guān):Na﹤0.035時

PG/P=1-12.6NaNa≥0.035時

PG/P=0.62-1.85Na可見,PG不僅與N、Ws相關(guān)，而且反映了流態(tài)，且通過流態(tài)與d、ρ、等相關(guān)?！嘁詠矸治鲇绊懸蛩氐?8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一A.攪拌對KLa的影響轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)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29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一攪拌對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30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一B.通氣對KLa的影響:

在通氣量Q較低時,Q↑→Ws↑→KLa↑第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一C.通氣、攪拌的關(guān)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32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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(zhuǎn),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(guān)聯(lián)對KLa的影響

第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一表觀空氣速度與KLa的關(guān)系第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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(chǎn)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35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一B.設備形狀結(jié)構(gòu)的影響:如20T的伍式發(fā)酵罐:α=0.72,?=0.11第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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(nèi)的相對位置等對KLa都有影響.

第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一平葉箭葉彎葉第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一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