設(shè)備教案(6)溶氧傳質(zhì)

1、13-3 生物反應(yīng)器的通風(fēng)生物反應(yīng)器的通風(fēng)與溶氧與溶氧(DO)傳質(zhì)傳質(zhì) n1、說出氧在培養(yǎng)過程中的傳遞過程、說出氧在培養(yǎng)過程中的傳遞過程n2、影響氣液氧傳遞速率的因素、影響氣液氧傳遞速率的因素2氧的性質(zhì)及發(fā)酵液中實(shí)際需氧量氧的性質(zhì)及發(fā)酵液中實(shí)際需氧量n難溶氣體難溶氣體，在，在2525度和度和105 Pa105 Pa時(shí)，氧在純水中時(shí)，氧在純水中的溶解度為的溶解度為0.25mol/m0.25mol/m3 3 。n培養(yǎng)液中氧的溶解比水中還培養(yǎng)液中氧的溶解比水中還小小，因?yàn)檠醯娜?，因?yàn)檠醯娜芙舛入S著溫度的升高而下降，隨著培養(yǎng)液固形解度隨著溫度的升高而下降，隨著培養(yǎng)液固形物的增多，或粘度的增加而下降。物

2、的增多，或粘度的增加而下降。n對(duì)于發(fā)酵液中每小時(shí)在對(duì)于發(fā)酵液中每小時(shí)在1 m1 m3 3 培養(yǎng)液中需要氧培養(yǎng)液中需要氧是溶解量的是溶解量的750750倍。如果中斷供氧，菌體會(huì)在倍。如果中斷供氧，菌體會(huì)在幾秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。幾秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。3n在常壓下（在常壓下（2020）達(dá)到平衡時(shí)，氧在水中的溶）達(dá)到平衡時(shí)，氧在水中的溶解度僅為解度僅為6.2ml6.2mlL L（0.28mmol0.28mmol）。這些氧只能）。這些氧只能保證氧化保證氧化8.3mg8.3mg（即（即0.046mmol0.046mmol）葡萄糖，僅相）葡萄糖，僅相當(dāng)培養(yǎng)基中常用葡萄糖濃度的當(dāng)培養(yǎng)基中常用葡萄糖濃度的11。n除葡萄

3、糖外，培養(yǎng)基中的無機(jī)或有機(jī)養(yǎng)料一般除葡萄糖外，培養(yǎng)基中的無機(jī)或有機(jī)養(yǎng)料一般都可保證微生物使用幾小時(shí)至幾天。都可保證微生物使用幾小時(shí)至幾天。n對(duì)好氧菌來說，生長的限制因子幾乎總是對(duì)好氧菌來說，生長的限制因子幾乎總是氧氧的供應(yīng)的供應(yīng)。n只有將培養(yǎng)液裝成淺層時(shí)，氧才不至于成為限只有將培養(yǎng)液裝成淺層時(shí)，氧才不至于成為限制因子。制因子。4細(xì)胞對(duì)氧的需求細(xì)胞對(duì)氧的需求n氧作為氧作為氫受體氫受體n氧直接參與一些生物反應(yīng)氧直接參與一些生物反應(yīng)5一、細(xì)胞對(duì)氧氣的需求一、細(xì)胞對(duì)氧氣的需求 n1、 多數(shù)細(xì)胞需利用多數(shù)細(xì)胞需利用分子狀態(tài)分子狀態(tài)的氧的氧n2、 細(xì)胞利用氧的速率細(xì)胞利用氧的速率n 呼吸強(qiáng)度，呼吸強(qiáng)度，Q

4、O2 ：單位質(zhì)量的細(xì)胞在單位時(shí)間：單位質(zhì)量的細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氧氣的量。內(nèi)所消耗氧氣的量。n 攝氧率，攝氧率，r ：單位體積培養(yǎng)液的細(xì)胞在單位時(shí)單位體積培養(yǎng)液的細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氧氣的量。間內(nèi)所消耗氧氣的量。n二者關(guān)系：呼吸強(qiáng)度表示微生物的絕對(duì)吸氧量，二者關(guān)系：呼吸強(qiáng)度表示微生物的絕對(duì)吸氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，測(cè)定困難。用但當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，測(cè)定困難。用耗氧速率表示。耗氧速率表示。6n在培養(yǎng)過程中不需要使溶解氧濃度達(dá)到或接近飽在培養(yǎng)過程中不需要使溶解氧濃度達(dá)到或接近飽和值，而只要超過某一和值，而只要超過某一臨界氧濃度臨界氧濃度即可。即可。n當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)

5、，如果溶氧濃度高于當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，如果溶氧濃度高于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率保持恒定；臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率保持恒定；n如果溶氧濃度低于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率大如果溶氧濃度低于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率大大下降，這時(shí)細(xì)胞處于半?yún)捬鯛顟B(tài)。大下降，這時(shí)細(xì)胞處于半?yún)捬鯛顟B(tài)。7臨界溶氧濃度臨界溶氧濃度n滿足微生物呼吸的最低氧濃度滿足微生物呼吸的最低氧濃度。在臨界氧濃度以下，。在臨界氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。n好氧微生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的好氧微生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的1-251-25。n需考查每一種發(fā)酵產(chǎn)物

6、的臨界氧濃度和最適氧濃度。需考查每一種發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度和最適氧濃度。n最適溶氧濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性最適溶氧濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)有關(guān)。8氧的供需氧的供需n實(shí)驗(yàn)室中，通過實(shí)驗(yàn)室中，通過搖瓶機(jī)搖瓶機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)或偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)供氧。往復(fù)運(yùn)動(dòng)或偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)供氧。n中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)裝置采用中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)裝置采用通入無菌壓縮空氣通入無菌壓縮空氣并同時(shí)進(jìn)行并同時(shí)進(jìn)行攪拌攪拌的方式。的方式。n近年來開發(fā)出近年來開發(fā)出無攪拌裝置無攪拌裝置的節(jié)能培養(yǎng)設(shè)備，如氣升式發(fā)酵的節(jié)能培養(yǎng)設(shè)備，如氣升式發(fā)酵罐。罐。n細(xì)胞對(duì)鼓泡通氣和機(jī)械攪拌產(chǎn)生的細(xì)胞對(duì)鼓泡通氣和機(jī)械攪拌產(chǎn)生

7、的剪切剪切作用敏感。作用敏感。910二、培養(yǎng)過程中的氧傳遞二、培養(yǎng)過程中的氧傳遞 n（一）、氧氣從氣泡到細(xì)胞內(nèi)需克服一（一）、氧氣從氣泡到細(xì)胞內(nèi)需克服一系列的傳遞阻力系列的傳遞阻力n1、 在氣泡中氧從氣相主體擴(kuò)散到氣在氣泡中氧從氣相主體擴(kuò)散到氣-液液界面的阻力界面的阻力n2、 通過氣通過氣-液界面的阻力液界面的阻力n3、 通過氣泡外側(cè)滯流液膜，到達(dá)液相通過氣泡外側(cè)滯流液膜，到達(dá)液相主體的阻力主體的阻力n4、 液相主體中的阻力液相主體中的阻力11n5、通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到、通過細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外的滯流液膜，到達(dá)細(xì)胞與液體界面的阻力達(dá)細(xì)胞與液體界面的阻力n6、通過液體與細(xì)胞之間界面的阻力、

8、通過液體與細(xì)胞之間界面的阻力n7、細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中、細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的細(xì)胞與細(xì)胞之間的介質(zhì)中的擴(kuò)散阻力的擴(kuò)散阻力n8、進(jìn)入細(xì)胞的阻力、進(jìn)入細(xì)胞的阻力n9、反應(yīng)阻力、反應(yīng)阻力129大阻力大阻力n3個(gè)界面阻力：個(gè)界面阻力：2，6，8n3個(gè)主體阻力：個(gè)主體阻力：n2個(gè)滯流液膜：個(gè)滯流液膜：n1個(gè)反應(yīng)阻力：個(gè)反應(yīng)阻力：93，51，4，7供氧阻力：供氧阻力：1-4耗氧阻力：耗氧阻力：5-9單細(xì)胞游離懸浮單細(xì)胞游離懸浮細(xì)胞吸附在氣泡表面細(xì)胞吸附在氣泡表面7消失消失4、5、6、7、消失、消失13n1、傳遞過程的總推動(dòng)力：、傳遞過程的總推動(dòng)力：n2、主要阻力：、主要阻力：n3、提高推動(dòng)力或、提高推動(dòng)力

9、或KLa，氧傳遞速率增大。，氧傳遞速率增大。是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓 (pressure)之差之差氣泡外側(cè)的滯流液膜氣泡外側(cè)的滯流液膜14三、影響氣液氧傳遞速率的因素三、影響氣液氧傳遞速率的因素n（一）（一） 影響推動(dòng)力的因素影響推動(dòng)力的因素1、提高氣相氧分壓之差（增大罐壓）、提高氣相氧分壓之差（增大罐壓）2、進(jìn)行富氧通氣、進(jìn)行富氧通氣（二）（二） 影響氣液比表面積影響氣液比表面積a的因素的因素當(dāng)物料一定的條件下，增加單位體積通氣情況下當(dāng)物料一定的條件下，增加單位體積通氣情況下的攪拌功率和通氣量，的攪拌功率和通氣量， KLa增大。增大。（三）（三） 影響影響KLa的因素的因

10、素KL:總傳質(zhì)系數(shù)總傳質(zhì)系數(shù)KLa:體積溶氧系數(shù)體積溶氧系數(shù)151、操作條件、操作條件（三）（三） 影響影響KLa的因素的因素2、 流體性質(zhì)流體性質(zhì)3、其他因素的影響、其他因素的影響攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率、通氣速度等，且增大攪拌攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率、通氣速度等，且增大攪拌功率的效果更明顯。功率的效果更明顯。液體擴(kuò)散系數(shù)增大，或表面張力減小，液體擴(kuò)散系數(shù)增大，或表面張力減小，KLa增大。增大。（1）表面活性劑：加入消泡劑，）表面活性劑：加入消泡劑， KLa會(huì)下降會(huì)下降（2）鹽濃度（離子強(qiáng)度）：）鹽濃度（離子強(qiáng)度）： 離子帶靜電，阻礙了氣泡的凝并，離子帶靜電，阻礙了氣泡的凝并， a增大增大（3）細(xì)胞：細(xì)

11、胞濃度增加，）細(xì)胞：細(xì)胞濃度增加，KLa會(huì)下降會(huì)下降16操作條件操作條件n（1）攪拌使空氣分散分散成細(xì)小的氣泡，防止）攪拌使空氣分散分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝并，使小氣泡的凝并，使a增大。增大。n（2）產(chǎn)生液體渦流，氣體停留時(shí)間延長。）產(chǎn)生液體渦流，氣體停留時(shí)間延長。n（3）造成液體湍動(dòng)，減小液膜厚度，減小傳質(zhì)）造成液體湍動(dòng)，減小液膜厚度，減小傳質(zhì)阻力。阻力。n（4）營養(yǎng)物質(zhì)均勻分散，減少缺氧區(qū)的形成。）營養(yǎng)物質(zhì)均勻分散，減少缺氧區(qū)的形成。17注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：n（1）劇烈的攪拌產(chǎn)生大的剪切力，會(huì)損傷細(xì)胞）劇烈的攪拌產(chǎn)生大的剪切力，會(huì)損傷細(xì)胞n（2）產(chǎn)生大量攪拌熱，加重傳熱負(fù)擔(dān)）產(chǎn)生大

12、量攪拌熱，加重傳熱負(fù)擔(dān)n（3）通氣量過大，有）通氣量過大，有“過載過載”現(xiàn)象現(xiàn)象18細(xì)胞生物反應(yīng)器的放大細(xì)胞生物反應(yīng)器的放大 n生物反應(yīng)器的開發(fā)分三階段：小試、中生物反應(yīng)器的開發(fā)分三階段：小試、中試、放大試、放大n（一）（一） 幾何尺寸放大幾何尺寸放大n（二）（二） 空氣流量的放大空氣流量的放大n（三）（三） 攪拌功率及轉(zhuǎn)速的放大攪拌功率及轉(zhuǎn)速的放大19n在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上如何保證發(fā)酵中氧的供給，在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上如何保證發(fā)酵中氧的供給，以滿足生產(chǎn)菌對(duì)氧的需求，是穩(wěn)定和提高生產(chǎn)、以滿足生產(chǎn)菌對(duì)氧的需求，是穩(wěn)定和提高生產(chǎn)、降低成本的關(guān)鍵之一。降低成本的關(guān)鍵之一。n在發(fā)酵中氧究竟夠不夠，即產(chǎn)量是否受到

13、氧的在發(fā)酵中氧究竟夠不夠，即產(chǎn)量是否受到氧的限制，單憑通氣量大小是難于確定的。限制，單憑通氣量大小是難于確定的。n了解通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響，最簡便有效的辦了解通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響，最簡便有效的辦法便是就地測(cè)量發(fā)酵液中氧的濃度。從氧濃度法便是就地測(cè)量發(fā)酵液中氧的濃度。從氧濃度變化曲線可以看出氧供需的規(guī)律及對(duì)生產(chǎn)的影變化曲線可以看出氧供需的規(guī)律及對(duì)生產(chǎn)的影響。響。n溶氧溶氧可作為發(fā)酵中氧是否足夠的度量，發(fā)酵異可作為發(fā)酵中氧是否足夠的度量，發(fā)酵異常情況的指示，發(fā)酵中間控制的手段之一和考常情況的指示，發(fā)酵中間控制的手段之一和考查設(shè)備及工藝條件對(duì)氧供需與產(chǎn)物形成影響的查設(shè)備及工藝條件對(duì)氧供需與產(chǎn)物形成影

14、響的指標(biāo)之一。指標(biāo)之一。20發(fā)酵過程中溶解氧的變化發(fā)酵過程中溶解氧的變化n每種產(chǎn)物發(fā)酵的每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化溶氧濃度變化都有自己的規(guī)律。都有自己的規(guī)律。n明顯下降明顯下降：需氧量超過供氧量，使溶氧濃度明：需氧量超過供氧量，使溶氧濃度明顯下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰，產(chǎn)生菌的攝氧率同時(shí)顯下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰，產(chǎn)生菌的攝氧率同時(shí)出現(xiàn)高峰。發(fā)酵液中的菌濃也不斷上升。粘度出現(xiàn)高峰。發(fā)酵液中的菌濃也不斷上升。粘度一般在這個(gè)時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)一高峰階段。這都說一般在這個(gè)時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)一高峰階段。這都說明產(chǎn)物物菌正處在對(duì)數(shù)生長期。明產(chǎn)物物菌正處在對(duì)數(shù)生長期。21n過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧濃度以過了生長階段，需氧

15、量有所減少，溶氧濃度以過一段時(shí)間的平衡階段或上隨之上升后，就開過一段時(shí)間的平衡階段或上隨之上升后，就開始形成產(chǎn)物，溶氧濃度也不斷上升。低峰出現(xiàn)始形成產(chǎn)物，溶氧濃度也不斷上升。低峰出現(xiàn)的時(shí)間和低峰溶氧濃度隨菌種、工藝和設(shè)備供的時(shí)間和低峰溶氧濃度隨菌種、工藝和設(shè)備供氧能力不同而異。氧能力不同而異。n發(fā)酵中后期，對(duì)于分批發(fā)酵，溶氧濃度變化比發(fā)酵中后期，對(duì)于分批發(fā)酵，溶氧濃度變化比較小。菌體已進(jìn)入靜止期，呼吸強(qiáng)度變化不大。較小。菌體已進(jìn)入靜止期，呼吸強(qiáng)度變化不大。n外界補(bǔ)料，溶氧的變化隨補(bǔ)料時(shí)的菌齡、補(bǔ)入外界補(bǔ)料，溶氧的變化隨補(bǔ)料時(shí)的菌齡、補(bǔ)入物質(zhì)的種類和劑量不同而不同。如補(bǔ)糖，則攝物質(zhì)的種類和劑量不

16、同而不同。如補(bǔ)糖，則攝氧率增加，溶氧濃度下降。氧率增加，溶氧濃度下降。22n在生產(chǎn)后期，菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，溶在生產(chǎn)后期，菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，溶氧濃度逐步氧濃度逐步上升上升，菌全自溶，溶氧濃度會(huì)明，菌全自溶，溶氧濃度會(huì)明顯上升。顯上升。23發(fā)酵過程中溶氧變化異常原因發(fā)酵過程中溶氧變化異常原因n耗氧或供氧出現(xiàn)了異常因素或發(fā)生了障礙耗氧或供氧出現(xiàn)了異常因素或發(fā)生了障礙n1、引起溶氧異常下降的原因：、引起溶氧異常下降的原因：n（1）污染好氣性雜菌，大量溶氧被消耗）污染好氣性雜菌，大量溶氧被消耗n（2）菌體代謝發(fā)生異常，需氧要求增加）菌體代謝發(fā)生異常，需氧要求增加n（3）某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生

17、故障或變化，）某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢；消泡如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢；消泡劑加入過多劑加入過多n（4）影響供氧的工藝操作如停止攪拌、悶罐）影響供氧的工藝操作如停止攪拌、悶罐等。等。24引起溶氧異常升高的原因引起溶氧異常升高的原因n主要是耗氧出現(xiàn)改變，如菌體代謝異常，耗氧主要是耗氧出現(xiàn)改變，如菌體代謝異常，耗氧能力下降，能力下降，n污染烈性噬菌體污染烈性噬菌體n溶氧監(jiān)測(cè)的作用溶氧監(jiān)測(cè)的作用n（1 1）從發(fā)酵液中的溶解氧濃度變化，可以了）從發(fā)酵液中的溶解氧濃度變化，可以了解微生物生長代謝是否異常解微生物生長代謝是否異常n（2 2）工藝控制是否合理）工藝控制是否合理n（3 3）設(shè)備供氧能力是否充足。）設(shè)備供氧能力是否充足。25溶解氧濃度的控制溶解氧濃度的控制n溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。當(dāng)發(fā)溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。當(dāng)發(fā)酵的供氧量大于需氧量，溶氧濃度就上升，直