發(fā)酵工程第四講氧的供需

1、氧的供需 氧是一種難溶氣體，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，空氣 中的氧在純水中的溶解度為0.25mol/m3左 右。對(duì)于菌體濃度為1015個(gè)細(xì)胞/m3發(fā)酵液， 假定每個(gè)菌體的體積為10-16m3（D5.8）， 細(xì)胞呼吸強(qiáng)度為2.6*10-3molO2/(kg干細(xì)胞 s)，菌體密度為1000kg/m3，含水量為80%， 則每立方米發(fā)酵液的需氧量為: 2.6*10-3*10-16*1015*1000*0.2 =0.052molO2/m3 S =187.2 molO2/m3 h 在1小時(shí)里菌體的需氧量是溶解量的750 倍。如果中斷供氧,菌體就會(huì)在幾秒鐘內(nèi) 把溶解氧耗盡,因此在發(fā)酵過程中有效供 氧是極其重要的. 細(xì)胞

2、對(duì)氧的需求 比耗氧速率(呼吸強(qiáng)度):單位質(zhì)量的細(xì)胞 (干重)在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量.用Qo2表示, 單位為:molO2/(kg干細(xì)胞S) 攝氧率:單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)耗 氧量.用r表示,單位為:molO2/(m3S) r=QO2X其中X細(xì)胞濃度,kg/m3 疣孢漆斑霉在分批培養(yǎng)時(shí)比耗氧速率的變化 雖然氧的溶解度很低, 但微生物對(duì)氧的需求 并非越高越好. 微生物呼吸強(qiáng)度隨溶 氧濃度的增加而增加. 當(dāng)溶氧濃度增加到一 定程度,菌體的呼吸 強(qiáng)度保持恒定,這一 溶氧濃度叫臨界溶氧 Ccr 培養(yǎng)過程中氧的傳遞 氧溶解的雙膜理論 氧首先由氣相擴(kuò)散到氣 液兩相界面,再進(jìn)入液相, 界面的一側(cè)是氣膜,另一

3、側(cè)是液膜,氧由一相擴(kuò)散 到另一相必須穿過這兩 層膜. 氧通過雙膜的推動(dòng)力分 別是(p-pi)和(Ci-CL),阻力 分別是氣膜阻力1/kG和液 膜阻力1/Kl. 單位接觸面積氧的傳遞速率為: NA=推動(dòng)力/阻力=(p-pi)/(1/kG)=kG(p-pi) =(Ci-CL)/(1/kL).=kL(Ci-CL) P,Pi:氣相中及氣液界面處氧分壓,(MPa). CL,C:液相中及氣液界面氧濃度,kmol/m3. kG:氣膜傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2hMPa). kL:液膜傳質(zhì)系數(shù),kmol/(m2hkmol/m3)或m/h. 氧傳遞速率可以用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動(dòng)力表示, 即NA=KG(P-P*)=

4、KL(C*-CL). P*與液相中氧濃度CL相平衡的氧分壓,MPa C*與氣相中氧分壓P相平衡的溶氧濃度,kmol/m3 KL以氧濃度差為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù),m/h KG以氧分壓差為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系 數(shù),kmol/m2hMPa 亨利定律:P=HC*,P*=HCL,Pi=HCi 1/KL=(C*-CL)/NA =(C*-Ci)/NA+(Ci-CL)/NA =(p/H-Pi/H)/NA+(Ci-CL)/NA =1/HkG+1/kL 氧是難溶氣體,H值很大,1/HkG可以忽 略.KLkl,該過程液膜阻力是主要因素. 假設(shè)單位體積發(fā)酵液中氣液接觸面積為a, 單位體積發(fā)酵液氧傳遞速率 OTR=NAa

5、=KL(C*-CL)a 把KL與a合并成一相處理,用KLa表示則有 單位體積氧傳遞速率OTR=KLa(C*-CL) OTR:單位體積液體氧傳遞速率,(kmol/m3h) Kla:以氧濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù),(h-1) CL:溶液中溶解氧實(shí)際濃度,(kmol/m3) C*:與氣相主體氧分壓平衡的溶解氧濃度(kmol/m3) 影響氧傳遞的主要因素 影響(C*-CL)的因素: 1增加罐壓可提高C*,但同時(shí)也增加了CO2 的濃度,對(duì)設(shè)備耐壓要求提高. 2增加通氣中的氧含量(用純氧),成本提高. 影響Kla的因素(搖瓶) Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為 搖瓶與發(fā)酵罐。 影響搖瓶kla

6、的因素主要有兩個(gè)：裝液量和搖瓶 機(jī)的種類 往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8-12cm 旋轉(zhuǎn)，偏心距3-6cm,轉(zhuǎn)速60-300rpm 搖瓶裝液量，一般取1/10左右： 250ml搖瓶15-25ml培養(yǎng)基 500ml30ml 750ml80ml 例：用500ml搖瓶生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影 響 裝液量30ml60ml90ml120ml 酶活力71373425392 影響Kla的因素(發(fā)酵罐) 增加攪拌速率 1攪拌能把大的氣泡打成小氣泡可增加接觸面積, 且小氣泡上升速度慢,因此接觸時(shí)間長. 2攪拌使氣泡不是直線上升而是曲線上升,延長了 氣泡運(yùn)行路線,增加氣液接觸時(shí)間. 3攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng),減少氣泡周圍液膜厚 度,減少液膜阻力,增加溶氧量. 4攪拌使菌體分散,避免結(jié)團(tuán). 5增加通氣量,增加氣液比表面積. Kla的測定 亞硫酸鹽氧化法:亞硫酸鈉溶液與氧迅速反應(yīng)生 成硫酸鈉(銅離子或鈷離子催化). 2Na2SO3+O22Na2SO4 Kla=OTR/(C*-CL) =OTR/C* =亞硫酸鈉氧化速率/2C* 亞硫酸鈉氧化速率由碘量法測定,C*可由相同濃 度的硫酸鈉溶液中的溶解度代替. 該方法用于非發(fā)酵狀態(tài). 動(dòng)態(tài)法 在發(fā)酵過程中氧濃度是溶解和消耗平衡 的結(jié)果: 即dCL/dt=Kla(C*-CL)-r C