傳質(zhì)與通氣3課件

發(fā)酵工藝的控制

第六章傳質(zhì)與通氣重點(diǎn)：微生物的需氧和溶解氧的控制；供氧與微生物呼吸及代謝產(chǎn)物的關(guān)系；微生物的臨界氧濃度；氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力；氣體溶解過(guò)程的雙膜理論；氧傳質(zhì)方程；影響氧傳遞速率的主要因素；溶氧系數(shù)的測(cè)定；溶氧系數(shù)換算；

難點(diǎn)：氣體溶解過(guò)程的雙膜理論；氧傳質(zhì)方程；

溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響第一節(jié)微生物的需氧和溶解氧的控制一、供氧與微生物呼吸代謝產(chǎn)物的關(guān)系微生物方面來(lái)看，供氧對(duì)需氧微生物是必不可少的，在發(fā)酵過(guò)程中，必須供給適量的無(wú)菌空氣，菌體才能繁殖和積累所需要的代謝產(chǎn)物。

不同菌種及不同菌齡、不同發(fā)酵階段所需的氧是不同的；微生物對(duì)氧的需求量可用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩種方法來(lái)描述：

⑴呼吸強(qiáng)度（）是菌體的特征參數(shù)；

⑵耗氧速率（）是與有關(guān)的工藝參數(shù)；

兩者之間的關(guān)系是如，谷氨酸發(fā)酵時(shí)，一般菌體生長(zhǎng)繁殖期比谷氨酸生成期對(duì)氧的濃度要求低，長(zhǎng)菌階段供氧為菌體的亞適量，溶氧系數(shù)Kd為4.0*10-6——5.9*10-6mol/(mL·min·MPa)，谷氨酸形成階段要求溶氧系數(shù)Kd為1.5*10-5——1.8*10-5mol/(mL·min·MPa)；三、影響需氧的因素r=QO2.X

X

菌體濃度

QO2遺傳因素菌齡營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件一般對(duì)于微生物：CCr:＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%產(chǎn)黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度>1.問(wèn)題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過(guò)程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1計(jì)，溶氧為0.25mmolO2·L-1

0.25/0.052=4.8秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長(zhǎng)條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長(zhǎng)5%(相對(duì)于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%品種測(cè)定水溫窒息點(diǎn)（mmol/l)相當(dāng)于鯉魚290.09-0.014%鰱魚270.01-0.024-8%鯽魚290.0042%氧對(duì)魚類的影響胡隱昌，水產(chǎn)養(yǎng)殖,2003最適氧濃度的大小和產(chǎn)物合成代謝的特征有關(guān)1、青霉素發(fā)酵的臨界氧濃度在5--10mmol/L之間，低于此值對(duì)青霉素的合成帶來(lái)?yè)p失，時(shí)間愈長(zhǎng)，損失越大。2、氨基酸發(fā)酵與需氧量的關(guān)系：①第一類谷氨酸族氨基酸發(fā)酵，在菌體呼吸充足下，產(chǎn)量才最大，若供氧不足，合成受到強(qiáng)烈抑制；②第二類天冬氨酸族氨基酸發(fā)酵，供氧充足可得最高產(chǎn)量，供氧受限影響不明顯；③第三類包括亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制，才能獲得最大量的氨基酸，相反，產(chǎn)物形成反而受抑制。氨基酸發(fā)酵過(guò)程的不同導(dǎo)致需氧量的不同的原因：不同代謝途徑產(chǎn)生不同數(shù)量的NAD（P）H，則氧化時(shí)所需溶氧量就不同。三、發(fā)酵過(guò)程溶氧的變化

正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化都有自己的規(guī)律。（一）發(fā)酵過(guò)程中溶氧變化分為三個(gè)階段：①發(fā)酵初期：菌體生長(zhǎng)過(guò)程，耗氧量劇增，溶氧濃度明顯下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰。②發(fā)酵中后期:對(duì)分批發(fā)酵來(lái)說(shuō)，溶氧變化比較??；③在生產(chǎn)后期:菌體衰老，呼吸減弱，溶氧會(huì)逐步上升，當(dāng)菌體自溶，溶氧上升更明顯。（二）發(fā)酵過(guò)程中，造成溶氧異常變化的原因：

溶氧異常下降的原因溶氧異常上升的原因①污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉②菌體代謝發(fā)生異常，需氧量增加，使溶氧下降③某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，引起溶氧下降①主要是好氧出現(xiàn)改變，如代謝異常，耗氧能力下降②染上烈性噬菌體，影響最為明顯

氧從空氣經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的途徑，最終被傳遞到菌體內(nèi)呼吸酶所在的位置上才能被利用。一、傳遞途徑與傳遞阻力

（一）傳遞途徑：氣泡中氧→氣膜→氣液界面→發(fā)酵液→胞外液膜→細(xì)胞膜→細(xì)胞內(nèi)第二節(jié)傳質(zhì)理論

2.供氧方面的阻力：氣膜；：氣液界面；：液膜；：發(fā)酵液；由于氧是難溶氣體，所以即液膜處的阻力是主要阻力來(lái)源；3.耗氧方面的阻力：胞外液膜；：菌絲叢；：細(xì)胞膜；：胞內(nèi)傳遞；：為耗氧方面的阻力主要來(lái)源；另外受菌體生理及培養(yǎng)基成分如pH不適、代謝產(chǎn)物積累等影響。細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力1/k8產(chǎn)生的原因：⑴培養(yǎng)及的成分與其相應(yīng)的酶的作用失活；⑵一些生理?xiàng)l件如溫度、pH值等不適于酶的反應(yīng)；⑶一些代謝物的積累或其不能及時(shí)從反應(yīng)處移去；

氧氣在氣膜中的擴(kuò)散動(dòng)力來(lái)自于空氣中的氧的分壓與界面處氧分壓之差，即P-Pi，在液膜中擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)自于界面處氧濃度與液體中氧濃度之差，即Ci-CL；兩種膜的阻力分別用和表示，則單位界面氧的傳遞速率為：

由于不能直接測(cè)定氣膜和液膜處氧的分壓、氧濃度，上試不能直接用于實(shí)際操作。如果將兩膜合并起來(lái)考慮，用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動(dòng)力來(lái)考慮上式，則：根據(jù)亨利定律，氣體的溶解度與該氣體的分壓成正比，可得：

為找出總傳質(zhì)系數(shù)與上述氣膜、液膜的傳遞系數(shù)之間的關(guān)系，將②變形，利用亨利定律，將O2濃度換成相對(duì)應(yīng)的分壓來(lái)表示，得：

再根據(jù)①提供的關(guān)系：，對(duì)于易溶氣體如NH3來(lái)講，H很小，可以忽略，則，此時(shí)氣體溶解的阻力主要來(lái)自于氣膜阻力；同得：，對(duì)于難溶氣體如O2，H很大，，此時(shí)氣體溶解的阻力主要來(lái)自于。

以上討論提及，氧是難溶氣體，H很大，其；將兩邊同乘α，則

體積溶氧速率；是以為動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)，該式中、、均易測(cè)量，據(jù)此可以算出；另外，要使發(fā)酵正常進(jìn)行，供氧與耗氧至少應(yīng)相等：，從此式亦可算出。

需要指出的是：供氧與耗氧的平衡是動(dòng)態(tài)的。也稱為“通氣效率”，用來(lái)衡量發(fā)酵罐的通氣狀況，高，表示通氣富裕，低則表示貧乏。另外，從的構(gòu)成看，對(duì)于給定的氣體而言為定值，因此的變化受a的影響，所以發(fā)酵通氣的控制主要是想法提高a的值。當(dāng)供氧與耗氧達(dá)到平衡時(shí)：2、攪拌轉(zhuǎn)速n和葉徑d對(duì)溶氧水平和混合程度的影響當(dāng)功率不變時(shí)，n3d5=常數(shù)，即低轉(zhuǎn)速大葉徑或高轉(zhuǎn)速小葉徑都能達(dá)到同樣的功率。功率P與攪拌循環(huán)量Q攪合液流速度壓頭H攪成正比，即P∝Q攪H攪在湍流狀態(tài)下，P∝Q攪H攪∝n3d5而Q攪∝nd3

H攪∝n2d2但是，必須兩者兼顧：①當(dāng)空氣流量小或黏度小、菌體易分散均勻，采用小葉徑，高轉(zhuǎn)速較好；②當(dāng)空氣流量大或黏度大、菌絲易結(jié)團(tuán)的，采用大葉徑，低轉(zhuǎn)速較好；3、攪拌組數(shù)對(duì)溶氧的影響攪拌器的組數(shù)確定要根據(jù)有利于提高溶氧水平，又要保證混合均勻。如，在H/D=2.4的發(fā)酵罐中，培養(yǎng)物為牛頓型，相同功率下，兩組攪拌器的溶氧值Kd比三組的Kd值高；但在絲狀發(fā)酵液，當(dāng)黏度μ0=700Pa·s時(shí)，三組攪拌器比兩組的Kd值高，而當(dāng)黏度μ0=500Pa·s時(shí)，三組合兩組攪拌的Kd值基本相等。二、空氣線速度機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的溶氧系統(tǒng)KLa與空氣線速度vs的關(guān)系為：KLa∝vsββ為指數(shù)，在0.4-0.72之間。

當(dāng)增加通風(fēng)量是，空氣線速度相應(yīng)增加，從而增大溶氧；但如果只增加風(fēng)量而轉(zhuǎn)速不變，功率會(huì)降低，又會(huì)使溶氧系數(shù)降低。同時(shí)，空氣線速度過(guò)大時(shí)，會(huì)發(fā)生”過(guò)載”現(xiàn)象。過(guò)載:指漿葉不能打散空氣,氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出,使攪拌效率和溶氧速率大大降低.三、空氣分布管1、發(fā)酵中常用的空氣分布管：有單管、多孔環(huán)管和多孔分支環(huán)管等。2、空氣分布管對(duì)氧溶解速率的影響⑴通風(fēng)量小時(shí)，氣泡的直徑與空氣噴口的直徑的1/3次方成正比，即噴口直徑越小，氣泡直徑越?。虎频诠I(yè)發(fā)酵中，通風(fēng)量大時(shí)，采用單管或環(huán)形管通風(fēng)效應(yīng)不受影響。常采用單管向上開口，且空氣被攪拌器打碎。四、氧分壓1、增加氧分壓的作用：

由傳質(zhì)方程式看出，增加推動(dòng)力（c*-cL）或（p-p*）可使氧的溶解度增加。增加空氣中氧的分壓可使氧的溶解度增大。2、增加氧分壓的方法：①增加空氣壓力（罐壓）；②采用含氧量較多的空氣或純氧；3、氧分壓過(guò)大造成的危害①設(shè)備要求高，增加成本；②影響菌體的生理代謝（一般在5大氣壓下不會(huì)受損害），出現(xiàn)氧中毒。五、發(fā)酵罐內(nèi)液柱高度一般在不增加功率消耗和空氣流量時(shí)，增加體積會(huì)使通風(fēng)效率降低。但在空氣流量和單位發(fā)酵液體積好功率不變時(shí)，通風(fēng)效率隨H/D(罐的徑高比)的增大而增加。如，當(dāng)H/D從1增加到2時(shí)，KLa可增加40%；當(dāng)H/D從2增加到3時(shí)，KLa可增加20%。國(guó)外通常采用H/D=3-5，國(guó)內(nèi)的工廠采用H/D=3。六、發(fā)酵體積通常，發(fā)酵罐體積大氧利用率高（7-10%），體積小氧利用率低（3-5%）。不同容積的發(fā)酵罐所需攪拌與通風(fēng)的關(guān)系：保持溶氧系數(shù)相等，通風(fēng)量隨發(fā)酵罐容積的增大而相對(duì)減小的原因：大罐氣液接觸時(shí)間長(zhǎng)，氧的溶解率也高。七、發(fā)酵液的物理性質(zhì)1、發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液的變化

黏度、表面張力、離子濃度等發(fā)生變化，從而影響氣泡的大小、穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。2、當(dāng)發(fā)酵液濃度增大、黏度增大時(shí)，KLa值降低。3、發(fā)酵過(guò)程中形成的大量泡沫，菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響氧的傳遞?？杉尤胂輨?。第四節(jié)溶氧系數(shù)的測(cè)定

關(guān)于的測(cè)定方法有多種，如亞硫酸鹽氧化法、極普法以及氧的物料恒算法等?，F(xiàn)多采用溶氧電極法，這是一種參量變換器：把溶氧濃度變成一個(gè)與之呈線性關(guān)系的電流量，進(jìn)行測(cè)量，這種溶氧電極能耐蒸汽殺菌時(shí)的高溫，可以固定裝在發(fā)酵罐上，連續(xù)地測(cè)量培養(yǎng)液中溶氧濃度。雖然溶氧電極法為當(dāng)前測(cè)量溶氧濃度的最常用方法，但作為對(duì)溶氧系數(shù)的測(cè)量方法而言，有必要向大家介紹其它種方法的基本情況。一、亞硫酸鹽氧化法1.原理

用銅離子作為催化劑時(shí)，溶解到水中的氧能立即氧化其中的亞硫酸根離子，使之成為硫酸根離子，其氧化反應(yīng)速度在較大范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無(wú)關(guān)。實(shí)際上氧分子一經(jīng)溶入液相，立即就被還原掉。這樣的反應(yīng)特性排除了氧化反應(yīng)速度成為溶氧阻力的可能，因此，氧溶于液體的速度就是控制此氧化反應(yīng)的因素。

反應(yīng)原理：在Cu2+存在下，2SO32-+O2→2SO42-剩余的SO32-與過(guò)量的碘作用：SO32-+I2→SO42-+2I-再用Na2S2O3滴定剩余的碘（2Na2S2O3+I2→Na2S4O6）即：S2O32-+I2→S4O62-+2I-

2.操作

將一定溫度（20～45℃）的自來(lái)水加入試驗(yàn)罐，加入化學(xué)純的Na2SO3晶體，使SO32-約為1mol/L，再加入化學(xué)純的CuSO4晶體，使Cu2+濃度約為10-9mol/L，待完全溶解后，開閥通氣，空氣閥一開就接近預(yù)定的流量，并在幾秒內(nèi)調(diào)整至所需的空氣流量。當(dāng)氣泡從噴管中冒出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí)，為氧化作用的開始，氧化時(shí)間可以控制在5～20分鐘，到停止通氣和攪拌，準(zhǔn)確的記錄氧化時(shí)間。試驗(yàn)前后各用移液管取10～100mL樣液，立即移入新吸取的過(guò)量標(biāo)準(zhǔn)碘液中?！钜埔汗芟露碎_口離開碘液液面不要超過(guò)1cm，以防止氧化。然后以淀粉作指示劑，以硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn)。

根據(jù)反應(yīng)原理：4Na2S2O3∝O2設(shè)：體積溶氧系數(shù)用N表示，硫代硫酸鈉濃度用C表示，取樣量用S表示，t為兩次取樣的時(shí)間間隔，n為兩次滴定所耗用的Na2S2O3體積之差，結(jié)合N的定義（P175），則：，式中P為罐壓；據(jù)此算出N，代入，即可得。3.亞硫酸鹽氧化法的優(yōu)缺點(diǎn)二、取樣極普法1.原理：在一定電壓時(shí)，硫經(jīng)極普儀電解池的電流大小與電解池中液體所含氧濃度成正比變化。C*CL2.方法：從發(fā)酵罐取出樣品置于電解池中，記錄下隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中氧濃度的變化，在直角坐標(biāo)上以氧濃度對(duì)時(shí)間作圖，得、所得曲線斜率值為菌體耗氧速率，利用即可求得。3.特點(diǎn)：罐壓與外壓不同，且不攪拌，因而誤差較大。三、排氣法

原理：先將發(fā)酵液中的O2驅(qū)趕掉，再通氣攪拌，同時(shí)定時(shí)測(cè)定發(fā)酵液的氧濃度，最大值即為，氧的傳遞速率可表示為：；是常數(shù)，將該式積分后變?yōu)椋?，為積分常數(shù)。該式表明：是t的函數(shù)，兩者呈線性關(guān)系，其斜率為，因此，通過(guò)作圖即可求得值。四、溶氧電極法

1.原理：溶氧電極實(shí)際上是一種電解電池，有兩個(gè)電極，由銀絲組成的陰極和由鉛皮組成的陽(yáng)極。這對(duì)電極裝置在兩端開口的玻管套內(nèi)，靠近陰極一端用一種耐熱的只允許氣體透過(guò)而不透過(guò)水及離子的半透塑料膜覆蓋，形成一個(gè)有一定容積的電池，在電池中加入電解質(zhì)溶液（5MHAc+0.5MNaAc+0.1MPbAc2），這樣就在兩電極之間產(chǎn)生了一個(gè)電勢(shì)差，使陽(yáng)極的鉛變成離子Pb2+進(jìn)入電解質(zhì)溶液，同時(shí)放出的電子在陰極上把透過(guò)半透膜進(jìn)入的氧立即還原成OH-；

陽(yáng)極：Pb→Pb2++2e陰極：2e+1/2O2+H2O→2OH-在兩電極之間接一電流表，那么透過(guò)半膜溶入液體中的氧立即在陰極上被還原而產(chǎn)生相應(yīng)電流，在電流表上指示出來(lái)。由于氧一進(jìn)入膜內(nèi)就立即被還原，實(shí)際上電池內(nèi)部的溶氧濃度為零，因此氧的透過(guò)率正比于被測(cè)液體中的氧分壓。2.應(yīng)用★測(cè)菌體耗氧速率r發(fā)酵液中氧濃度的變化瞬值可表示為：當(dāng)關(guān)閉進(jìn)氣閥時(shí)，發(fā)酵液內(nèi)的溶氧濃度由C1經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后降為C2，再開啟進(jìn)氣閥，則氧濃度由C2經(jīng)過(guò)時(shí)間t2后上升到C1，則：將這兩式代入①式，即可求出。★結(jié)合使用氧分析儀可測(cè)定氧分析儀分別測(cè)定進(jìn)、出口氣體中的氧分壓P1、P2，則進(jìn)出口在單位時(shí)間內(nèi)（1min）經(jīng)過(guò)的氧氣的量分別為：進(jìn)出口的Q差別忽略不計(jì)。在單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)酵罐中的溶氧量為二者之差：

溶氧速率為：；※60為N的單位決定的系數(shù)。又根據(jù)，將N代入其中，即可算出。五、溶氧系數(shù)的換算主要是注意