第7章-發(fā)酵工業(yè)中氧的供需課件

第7章

發(fā)酵工業(yè)中氧的供需第7章

發(fā)酵工業(yè)中氧的供需本章內(nèi)容一、細(xì)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(shí)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（溶氧系數(shù)）的測定本章內(nèi)容一、細(xì)胞對氧的需求（為什么要供氧？為什么要控制溶氧？

溶氧（DO）是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過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。在對數(shù)生長期即使發(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。溶氧（DO）是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵

微生物對氧的需求發(fā)酵液中氧的供給影響KLa的因素（供氧的調(diào)節(jié)）與溶氧相關(guān)的參數(shù)測定發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義微生物對氧的需求（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用

（對于好氣性微生物而言）呼吸作用

直接參與一些生物合成反應(yīng)

（二）可利用氧的特征

只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用

（對于好氣性微生物而言）呼吸作一、微生物對氧的需求（一）、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：單位時(shí)間內(nèi)單位重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率（r）：單位時(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.X一、微生物對氧的需求（一）、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度（二）、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度，指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。（二）、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CCrQO2CL一般對于微生物：Cr＝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于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度>1。一般對于微生物：Cr＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6×問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計(jì)，

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條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中例：以微（三）、影響需氧的因素r=QO2.X

菌體濃度QO2

遺傳因素

菌齡

營養(yǎng)的成分與濃度

有害物質(zhì)的積累

培養(yǎng)條件（三）、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO影響微生物耗氧的因素微生物本身遺傳特征的影響培養(yǎng)基的成分和濃度碳源種類耗氧速率：油脂或烴類>葡萄糖>

蔗糖>

乳糖培養(yǎng)基濃度濃度大，QO2↑；濃度小，QO2↓菌齡的影響：一般幼齡菌QO2大，晚齡菌QO2小影響微生物耗氧的因素微生物本身遺傳特征的影響影響微生物耗氧的因素（續(xù)）

發(fā)酵條件的影響

pH值→通過酶活來影響耗氧特征;

溫度→通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T↑，DO2↓

代謝類型（發(fā)酵類型）的影響若產(chǎn)物通過TCA循環(huán)獲取,則QO2高，耗氧量大

若產(chǎn)物通過EMP途徑獲取,則QO2低，耗氧量小影響微生物耗氧的因素（續(xù)）發(fā)酵條件的影響溶解氧濃度對細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量。

氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。目前，在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率，就能大大降低空氣消耗量，從而降低設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力消耗，且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會(huì),大大提高設(shè)備利用率。溶解氧控制的意義溶解氧濃度對細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須了解供氧的實(shí)現(xiàn)形式

搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多攪拌緩和，通氣緩和表面通氣，膜透析（擴(kuò)散）搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少通無菌空氣并攪拌氣升式

發(fā)酵罐水平需氧量小發(fā)酵罐需氧量大

二、反應(yīng)器中氧的傳遞供氧的實(shí)現(xiàn)形式搖瓶水平：搖第7章-發(fā)酵工業(yè)中氧的供需課件

二、反應(yīng)器中氧的傳遞（一）、發(fā)酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質(zhì)系數(shù)m/h二、反應(yīng)器中氧的傳遞（一）、發(fā)酵液中氧的傳遞方程CCiPpAcA

pA,i

cA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳質(zhì)方向雙膜理論示意圖溶質(zhì)A在氣相中的分壓溶質(zhì)A在液相中的摩爾濃度湍流擴(kuò)散分子擴(kuò)散湍流擴(kuò)散pAcApA,icA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳氣相液相pApAicAicAcA’pA’FGHδδ’EδδGE’液相有效層流膜厚氣相有效層流膜厚雙模模型界面氣相液相pApAicAicAcA’pA’FGHδδ’EδδG吸收過程的總推動(dòng)力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來表示。（1）以（p-pe）表示總推動(dòng)力雙膜理論：pi=ci/H亨利定律：pe=c/H

液相吸收速率方程N(yùn)A=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)氣相吸收速率方程N(yùn)A=kG(p-pi)代入總吸收速率方程吸收過程的總推動(dòng)力可采用任何一相的主體濃度與令式中KG——?dú)庀嗫偽障禂?shù)，kmol/(m2?s?kPa)

對于易溶氣體，H值很大，則有：1/HkL<<1/kG，此時(shí)傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。NA=KG(p-pe)1/KG≈1/kG

或KG≈kG對于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應(yīng)該加大氣相湍動(dòng)程度。即氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱為“氣膜控制”（gas-filmcontrol）。如：水吸收氨，濃硫酸吸收水蒸氣等過程。令式中KG——?dú)庀嗫偽障禂?shù)，kmol/(m2?s?k（2）以（Ce-C）表示總推動(dòng)力令代入NA=KL(ce-c)KL——液相總吸收系數(shù)，m/s（2）以（Ce-C）表示總推動(dòng)力令代入NA=KL(ce-c)

對于難溶氣體，H值很小，則有：H/kG<<1/kL，此時(shí)傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略。1/KL≈1/kL

或KL≈kL即液膜阻力控制著整個(gè)吸收過程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服液膜阻力，此種情況稱為“液膜控制”（Liquid-filmcontrol）。如：水吸收氧或氫。對于中等溶解度的氣體，氣膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高總吸收系數(shù)，必須同時(shí)增大氣相和液相的湍動(dòng)程度。對于難溶氣體，H值很小，則有：H/kG<<1P*＝HC*,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKLa:以(C*-C)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)h-1P*＝HC*,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl（二）、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面（二）、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的（三）、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過KLa和C*來調(diào)節(jié)其中P*＝HC*NvHPKLa（三）、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過KLa和調(diào)節(jié)KLa是最常用的方法，KLa反映了設(shè)備的供氧能力。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的設(shè)備供氧能力不一樣調(diào)節(jié)KLa是最常用的方法，三、影響KLa的因素

KLa反映了設(shè)備的供氧能力。發(fā)酵常用的設(shè)備為：搖瓶發(fā)酵罐三、影響KLa的因素KLa反映了設(shè)備的供氧能力。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(qiáng)度、菌體量①設(shè)備參數(shù)影響KLa的因素發(fā)酵（一）、影響搖瓶KLa的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12，轉(zhuǎn)速250rpm（一）、影響搖瓶KLa的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類搖瓶機(jī)往復(fù)裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392裝液量，一般取1/10左右：例：500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋A.設(shè)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(yīng)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(huì)減小。A.設(shè)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B.設(shè)備形狀結(jié)構(gòu)的影響如20T的伍式發(fā)酵罐：α=0.72,?=0.11B.設(shè)備形狀結(jié)構(gòu)的影響如20T的伍式發(fā)酵罐：α=0.72,已知在通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐中，全擋板條件下：（二）、影響發(fā)酵罐中KLa的因素已知在通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐中，全擋板條件下：（二）、影響發(fā)酵罐中K平葉箭葉彎葉平葉箭葉彎葉1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調(diào)節(jié)KLa的效果顯著Q攪拌器直徑攪拌器轉(zhuǎn)速1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調(diào)節(jié)KLa的效果顯著例某一產(chǎn)品的發(fā)酵

dnp0/vc產(chǎn)量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產(chǎn)量181224162846提高d、n，顯著提高C，提高了產(chǎn)量提高n，比提高Q有效例某一產(chǎn)品的發(fā)酵例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶提高d、n2、實(shí)際上：對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走2、實(shí)際上：對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的例：紅曲霉生產(chǎn)色素用于食品工業(yè)，靜止培養(yǎng)改為通氣培養(yǎng)，比色法測定產(chǎn)量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供氧是有限的例：紅曲霉生產(chǎn)色素用于食品工業(yè)，靜止培養(yǎng)改為通氣培通氣3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)KLa的特點(diǎn)

小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)

大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)

大型反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)

對現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)KLa的特點(diǎn)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速4、生物反應(yīng)器放大的基本思想小型反應(yīng)器和大型反應(yīng)器的差異：傳動(dòng)傳熱傳遞生物反應(yīng)過程剪切、混合、供氧4、生物反應(yīng)器放大的基本思想小型反應(yīng)器和大型反應(yīng)器的差異：生發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時(shí)不可能同時(shí)做到幾何相似、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和流體動(dòng)力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個(gè)因素恰恰在放大時(shí)成為關(guān)鍵因子時(shí)，就會(huì)造成整個(gè)發(fā)酵過程的失?。ü┭酢⒒旌?、剪切）。發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時(shí)不可能同時(shí)做到幾何相根據(jù)r，KLa、攪拌槳特性→攪拌功率KLaN，D（攪拌功率）Q（通氣量）大小小大根據(jù)r，KLa、攪拌槳特性→攪拌功率KLaN，D（攪拌功率）5、影響KLa的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體5、影響KLa的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體四、CL、r和KLa的測定（一）、CL的測定1、化學(xué)法I2+2四、CL、r和KLa的測定（一）、CL的測定1、化學(xué)法I22、溶氧電極

極譜型（陰極）：O2+2H++2e→H2O2

原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-2、溶氧電極極譜型（陰極）：O2+2H++2e原電池型(

極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應(yīng)小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補(bǔ)償，整套儀器價(jià)格較高，但其最大優(yōu)點(diǎn)莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點(diǎn)正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時(shí)其電流輸出約5～30μA（主要取決于陰極的表面積和測試溫度），可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。

膜：耐溫、透氣、不通水

測定：一般是得到相對值極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應(yīng)（二）、r的測定1、物料衡算

流量（進(jìn)口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————

發(fā)酵液體積氧的濃度：氧分壓儀（二）、r的測定1、物料衡算流量（進(jìn)口空氣中氧的氧2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt2、溶氧電極停止供氣：dCL（三）、KLa的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化KLa.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4（三）、KLa的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧2、平衡法

rKLa=————C*-CL例：一個(gè)裝料為7L的實(shí)驗(yàn)室小罐，通氣量為1VVM（標(biāo)態(tài)），發(fā)酵液的CL＝25%、空氣進(jìn)入時(shí)的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時(shí)菌體的攝氧率和發(fā)酵罐的KLa2、平衡法r例：一個(gè)裝料為7L的實(shí)驗(yàn)室3、動(dòng)態(tài)法

不同的測定方法得出的KLa是不一樣的3、動(dòng)態(tài)法不同的測定方法得出的KLa是不一樣的五、溶氧濃度的變化及其控制（一）、典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定KLa下）：rXQCL一般有一個(gè)低谷，在對數(shù)生長的末期五、溶氧濃度的變化及其控制（一）、典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變（二）、發(fā)酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應(yīng)：

XS→P+Xπ=a+bμ（二）、發(fā)酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應(yīng)：第7章-發(fā)酵工業(yè)中氧的供需課件菌體生長期：