《通氣與攪拌》ppt課件

1、第七章第七章 通氣與攪拌通氣與攪拌 在常壓下在常壓下2020到達平衡時，氧在水中的溶到達平衡時，氧在水中的溶解度僅為解度僅為6.2ml6.2mlL L0.28mmol0.28mmol。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，僅相當培育基中常用葡萄糖濃度的當培育基中常用葡萄糖濃度的11。 對于發(fā)酵液中每小時在對于發(fā)酵液中每小時在1m3 1m3 培育液中需求氧是培育液中需求氧是溶解量的溶解量的750750倍。假設(shè)中斷供氧，菌領(lǐng)會在幾倍。假設(shè)中斷供氧，菌領(lǐng)會在幾秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。 對好氧菌來說，生長的限制因子

2、幾乎總是氧的對好氧菌來說，生長的限制因子幾乎總是氧的供應(yīng)。供應(yīng)。第一節(jié)第一節(jié) 微生物對氧的需求微生物對氧的需求 一、描畫微生物需氧的物理量一、描畫微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度比耗氧速度或呼吸強度QO2QO2：單位時間內(nèi)單位體積：單位時間內(nèi)單位體積分量的細胞所耗費的氧氣，分量的細胞所耗費的氧氣，mmol O2gmmol O2g菌菌-1h-1 -1h-1 攝氧率攝氧率(r)(r)：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需求的氧量。：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需求的氧量。mmol O2L-1h-1 mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .Xr= QO2 .X二、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物構(gòu)成

3、的影響二、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物構(gòu)成的影響CCrQO2CLCCr: 臨界溶氧濃度臨界溶氧濃度, 指呼吸強度不再隨著溶氧濃度指呼吸強度不再隨著溶氧濃度變化而變化時的溶氧濃度；指不影響呼吸所允許的變化而變化時的溶氧濃度；指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。最低溶氧濃度。 在培育過程中不需求使溶解氧濃度到達或接近在培育過程中不需求使溶解氧濃度到達或接近飽和值，而只需超越某一臨界氧濃度即可。飽和值，而只需超越某一臨界氧濃度即可。 當不存在其他限制性基質(zhì)時，假設(shè)溶氧濃度高當不存在其他限制性基質(zhì)時，假設(shè)溶氧濃度高于臨界值，細胞的比耗氧速率堅持恒定；于臨界值，細胞的比耗氧速率堅持恒定； 假設(shè)溶氧濃度低于臨

4、界值，細胞的比耗氧速率假設(shè)溶氧濃度低于臨界值，細胞的比耗氧速率大大下降，這時細胞處于半?yún)捬跣螤?。大大下降，這時細胞處于半?yún)捬跣螤睢Ｆ胀▽τ谖⑸铮浩胀▽τ谖⑸铮?CCr: CCr: 1 115%15%飽和濃度飽和濃度例：酵母例：酵母 4.6 4.6* *10-3 mmol.L-1, 1.8%10-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.2 2.2* *10-2 mmol.L-1, 8.8%10-2 mmol.L-1, 8.8%定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/ /臨界溶氧溶度臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只需控制發(fā)酵過程中氧飽和度所以對于微生物生

5、長，只需控制發(fā)酵過程中氧飽和度=1.=1.影響氧飽和濃度影響氧飽和濃度C C* *的主要要素的主要要素溫度溫度氧飽和濃度氧飽和濃度C C* *：外界條件不改動，氧氣在溶液中：外界條件不改動，氧氣在溶液中的濃度不隨時間改動而改動時的氧的濃度的濃度不隨時間改動而改動時的氧的濃度溶液的性質(zhì)溶液的性質(zhì) 氧在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度不一樣，在氧在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度不一樣，在同種溶液溶質(zhì)含量不同的溶解度也不一樣，普同種溶液溶質(zhì)含量不同的溶解度也不一樣，普通說，溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度越小。通說，溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度越小。氧分壓氧分壓 在系統(tǒng)壓力小于在系統(tǒng)壓力小于0.5MPa0.5MPa的情況下，

6、氧在溶的情況下，氧在溶液中的溶解度與氧分壓成正比。液中的溶解度與氧分壓成正比。三、影響需氧的要素三、影響需氧的要素 r= QO2 .Xq 菌體濃度菌體濃度 q QO2 遺傳要素遺傳要素 菌齡菌齡 營養(yǎng)的成分與濃度營養(yǎng)的成分與濃度 有害物質(zhì)有害物質(zhì) 培育條件培育條件 一、氧傳送的動力和阻力一、氧傳送的動力和阻力 傳送過程的總推進力是氣相與細胞內(nèi)的氧分傳送過程的總推進力是氣相與細胞內(nèi)的氧分壓之差。壓之差。 在氧從氣泡傳送到細胞內(nèi)要抑制一系列的阻在氧從氣泡傳送到細胞內(nèi)要抑制一系列的阻力，相對大小取決于流膂力學(xué)特性、溫度、力，相對大小取決于流膂力學(xué)特性、溫度、細胞活性和濃度、液體的組成、界面特性以細胞

7、活性和濃度、液體的組成、界面特性以及其他要素。及其他要素。第二節(jié) 氧在溶液中的傳送 氣液相間的氧傳送阻力：氣膜和液膜中。氣液相間的氧傳送阻力：氣膜和液膜中。 液固相間的氧傳送：細胞或細胞周圍的液膜阻液固相間的氧傳送：細胞或細胞周圍的液膜阻力可忽略。力可忽略。二、氧的傳送方程式二、氧的傳送方程式( *)lNvK a ccNvNv：體積傳氧速率：體積傳氧速率 kmol/m3.h kmol/m3.hC C* *：飽和溶氧濃度：飽和溶氧濃度Kla: Kla: 以以(C(C* *-C)-C)為推進力的體積溶氧系數(shù)為推進力的體積溶氧系數(shù) h-1 h-1傳送：傳送： 耗費：耗費： r= QO2 .X( *)

8、lNvK a cc Nv Qm.X = r Klar/(C*-C)發(fā)酵液中供氧和需氧一直處于一個動態(tài)的平衡中發(fā)酵液中供氧和需氧一直處于一個動態(tài)的平衡中氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面 當供氧大于需氧時，即當供氧大于需氧時，即Kla (CKla (C* *-C)r-C)r時，發(fā)酵液時，發(fā)酵液的溶氧濃度隨時間的延伸而添加，直到趨近飽和溶氧的溶氧濃度隨時間的延伸而添加，直到趨近飽和溶氧濃度。濃度。 當供氧小于需氧時，即當供氧小于需氧時，即Kla (CKla (C* *-C)r-C)r時，發(fā)酵液時，發(fā)酵液的溶氧濃度隨時間的延伸而下降，直到趨近于零。的溶氧濃度

9、隨時間的延伸而下降，直到趨近于零。 當生物攝氧率不變時，當生物攝氧率不變時， KlaKla越大，溶氧濃度越大，越大，溶氧濃度越大，所以可以用所以可以用KlaKla衡量發(fā)酵罐的通氣效率。衡量發(fā)酵罐的通氣效率。 第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵液的流變學(xué)發(fā)酵液的流變學(xué) 在一樣條件下，液體的粘性不同，在一樣條件下，液體的粘性不同，流動速度也不一樣。粘度是表示液體流流動速度也不一樣。粘度是表示液體流動性的重要物理參數(shù)。動性的重要物理參數(shù)。 T T= = 牛頓型流體牛頓型流體 ( (細菌和酵母菌細菌和酵母菌 V V T=T0 + V T=T0 + V 平漢塑性流體霉菌、放線菌發(fā)酵平漢塑性流體霉菌、放線菌發(fā)酵T=KT=

10、KV Va a1 a a1 a1 漲塑性流體淀粉組成的培育基發(fā)酵漲塑性流體淀粉組成的培育基發(fā)酵第四節(jié)第四節(jié) 影響供氧的要素影響供氧的要素( *)lNvK a cc一、影響氧傳送動力的要素一、影響氧傳送動力的要素一提高飽和溶氧濃度的方法一提高飽和溶氧濃度的方法 降低溫度降低溫度 降低培育基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量降低培育基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量 提高發(fā)酵罐的氧分壓提高發(fā)酵罐的氧分壓二降低發(fā)酵液中的溶氧濃度二降低發(fā)酵液中的溶氧濃度 減少通氣量減少通氣量 降低攪拌速率降低攪拌速率二、影響二、影響KlaKla的要素的要素KlaKla反映了設(shè)備的供氧才干，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵反映了設(shè)備的供氧才干，發(fā)酵常用的設(shè)備

11、為搖瓶與發(fā)酵罐。罐。( (一一) )影響搖瓶影響搖瓶klakla的要素的要素 搖瓶機搖瓶機往復(fù)，頻率往復(fù)，頻率80-12080-120分分/ /次，振幅次，振幅8cm8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距旋轉(zhuǎn)，偏心距2525、12,12,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速250rpm250rpm裝液量，普通取裝液量，普通取1/101/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 500 ml 搖瓶中消費蛋白酶，調(diào)查裝液量對酶活搖瓶中消費蛋白酶，調(diào)查裝液量對酶活的影響的影響 裝液量裝液量 30

12、 ml 60ml 90ml 120ml 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92713 734 253 92( (二二) )影響發(fā)酵罐中影響發(fā)酵罐中KlaKla的要素的要素知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：K la=K (P/V)(Vs )(app)-w K la=K (P/V)(Vs )(app)-w P/V P/V 單位體積發(fā)酵液實踐耗費的功率指通氣單位體積發(fā)酵液實踐耗費的功率指通氣條件下，條件下，KW/m3 KW/m3 Vs Vs 空氣的直線速度空氣的直線速度m/hm/happapp發(fā)酵液的粘度發(fā)酵液的粘度kg

13、s/m2) kg s/m2) 、ww指數(shù)，與攪拌器和空氣分布器的方指數(shù)，與攪拌器和空氣分布器的方式有關(guān)式有關(guān) KK閱歷常數(shù)閱歷常數(shù)1 1、實際上分析、實際上分析KLaKLan nd d通氣量通氣量提高攪拌，調(diào)理提高攪拌，調(diào)理klakla的效果顯著的效果顯著P=Kd5n3P=Kd5n3例例 某一產(chǎn)品的發(fā)酵某一產(chǎn)品的發(fā)酵 d n p0/v c 產(chǎn)量產(chǎn)量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉消費糖化酶黑曲霉消費糖化酶 n 230 230 270 通氣比通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8

14、產(chǎn)量產(chǎn)量 1812 2416 2846提高提高d、n顯著提高顯著提高C,提高了產(chǎn)量提高了產(chǎn)量 提高提高n, 比提高通氣量有效比提高通氣量有效 2 2、實踐上、實踐上對于轉(zhuǎn)速的調(diào)理有時是有限制的對于轉(zhuǎn)速的調(diào)理有時是有限制的通風(fēng)的添加也是有限的通風(fēng)的添加也是有限的蒸發(fā)量大蒸發(fā)量大, ,中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)理、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)理kla的的 特點特點q 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào) q 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào) 大型反響器的合理設(shè)計大型反響器的合理設(shè)計 對現(xiàn)有設(shè)備一定要留意工藝配套對現(xiàn)有設(shè)備一定要留意工藝配套4、影響、影響Kla的其它要素的其它要素空氣分布器空氣分布器液體的理化性質(zhì)液體的理化性質(zhì)空氣流速空氣流速泡沫泡沫第五節(jié)第五節(jié) KlaKla的測定的測定一、一、CL的測定的測定1、化學(xué)法、化學(xué)法 由于由于Na2SO3Na2SO3與發(fā)酵液的理化性質(zhì)相差很大，所以測定與發(fā)酵液的理化性質(zhì)相差很大，所以測定的結(jié)果只能相對闡明發(fā)酵設(shè)備的供氧情況，不能表達的結(jié)果只能相對闡明發(fā)酵設(shè)備的供氧情況，不能表達設(shè)備供氧和微生物耗氧的全過程。設(shè)備供氧和微生物耗氧的全過程。 經(jīng)過復(fù)膜氧電極的氧化復(fù)原反響將溶解經(jīng)過復(fù)膜氧電極的氧化復(fù)原反響將溶解氧濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦枴Ｑ鯘舛绒D(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦枴? 2