生物反應(yīng)工程原理五六七章

第五章生化反應(yīng)器第一節(jié)概述一、生化反應(yīng)器的定義1、生化反應(yīng)器又可稱生物反應(yīng)器，是為適應(yīng)生化反應(yīng)特點而設(shè)計的反應(yīng)設(shè)備。生化反應(yīng)器在生化反應(yīng)過程中處于極為重要的中心地位，它是影響整個生產(chǎn)過程經(jīng)濟效益的重要方面。生化反應(yīng)器包括微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）、酶反應(yīng)器、動植物細胞培養(yǎng)用反應(yīng)器等。2、生物反應(yīng)器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一由圖可見，生物反應(yīng)器在生物過程中，具中心作用，是實現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。反應(yīng)器中，通過產(chǎn)物合成，廉價原料被升值了。生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作，是生物工程中一個及其重要的問題，對產(chǎn)品成本和質(zhì)量有很大影響。二、生化反應(yīng)器的基本要求如：發(fā)酵罐，要有能控制溫度、壓力，通氧量、密封防漏、防止雜菌污染的設(shè)施，并根據(jù)發(fā)酵特點和要求，選擇合適的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)和型式。第二節(jié)生化反應(yīng)器的特點與設(shè)計目標(biāo)與原則一、生化反應(yīng)器的特點生化反應(yīng)器的特點，是與生化反應(yīng)的特點相伴隨的。1.生化反應(yīng)器提供的反應(yīng)條件都是在低溫、近中性pH等接近細胞生理的條件。2.生化反應(yīng)的酶系都是復(fù)雜的，要求生化反應(yīng)器能很好的控制反應(yīng)進程并使其最優(yōu)化。尤其是傳質(zhì)和傳熱。3.生化反應(yīng)器要控制反應(yīng)條件的相對恒定及協(xié)調(diào)，考慮輔酶的添加以及能量的供應(yīng)，同時還要注意底物及產(chǎn)物濃度的控制。4.利用生化反應(yīng)器5.由于回收設(shè)備提高了生化產(chǎn)品的成本，生化反應(yīng)器需要更關(guān)注產(chǎn)品的分離純化?？梢远ㄏ虻纳a(chǎn)一些用一般化學(xué)方法難以甚至不能獲得的產(chǎn)品。二、生化反應(yīng)器的設(shè)計目標(biāo)與原則（一）一個優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備的條件：生物反應(yīng)器的作用：為細胞代謝提供一個適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使細胞能更快更好地生長，并得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。一個優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備：（1）嚴密的結(jié)構(gòu)（2）良好的液體混合性能（3）高的傳質(zhì)和傳熱速率（4）靈敏的檢測和控制儀表（二）判斷生物反應(yīng)器好壞的唯一標(biāo)準是：該裝置能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。（三）生物反應(yīng)器設(shè)計的重要方面包括：生物反應(yīng)器設(shè)計的主要目標(biāo)：使產(chǎn)品的質(zhì)量高、成本低。生物反應(yīng)器處于生物過程的中心，是影響整個過程的經(jīng)濟效益的一個重要方面，其中生物反應(yīng)器的節(jié)能是設(shè)計的一個重要因素。生物反應(yīng)器設(shè)計的重要方面包括：1）改善生物催化劑；2）好的過程控制；3）好的無菌條件；4）克服速度限制因素（物質(zhì)、熱量、質(zhì)量傳遞）等。（四）生化反應(yīng)器的設(shè)計原則1、獲得高的體積產(chǎn)率Qp：即每小時每升反應(yīng)體積，能生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，g/L.h2、獲得高的產(chǎn)物得率：指由原料到產(chǎn)品的得率，即每克底物能得到的產(chǎn)品克數(shù)。Yp/s3、獲得高的產(chǎn)物濃度：獲得高的產(chǎn)物濃度有利于產(chǎn)品的分離純化，計應(yīng)重視。降低反應(yīng)成本，故生化反應(yīng)器的設(shè)在連續(xù)工藝中，產(chǎn)物濃度與操作條件的關(guān)系如下：P=SaVX/F=SaX/DP：產(chǎn)物濃度V：反應(yīng)器體積X：催化劑濃度F：通過反應(yīng)器的流速D：稀釋率，D=F/V從上式知：降低流速，增加催化劑濃度和比活力，可以提高產(chǎn)物濃度。4、其他：提高產(chǎn)品質(zhì)量，使工藝的重現(xiàn)性高，副產(chǎn)品少。重視能耗、混合、溫度控制及蒸汽消毒等問題。與化學(xué)反應(yīng)器不同，生物反應(yīng)器設(shè)計應(yīng)具有以下一些原則：（1）在培養(yǎng)系統(tǒng)的已滅菌部分與未滅菌部分之間不能直接連通；（2）盡量減少法蘭連接，（3）在可能的條件下，應(yīng)采用全部焊接結(jié)構(gòu)，所有焊接點必須磨光，消除蓄積耐滅菌的固體物質(zhì)的場所；（4）防止死角、裂縫等情況；因為設(shè)備震動和熱膨脹，會引起法蘭連接外移位，從而導(dǎo)致污染；（5）某些部分應(yīng)能單獨滅菌；（6）易于維修；（7）反應(yīng)器可保持小的正壓。第三節(jié)生化反應(yīng)器的種類一、生化反應(yīng)器的種類1.按相分（1）均相反應(yīng)器：反應(yīng)在一個相中進行，通常為液相。反應(yīng)物、催化劑及產(chǎn)物間在攪拌作用下能達到分子水平的混合，不存在傳質(zhì)問題，是較簡單的一種反應(yīng)器。如:前述的葡萄糖異構(gòu)化反應(yīng)，葡萄糖及異構(gòu)酶均溶解于水，反應(yīng)在均一的液相內(nèi)進行。反應(yīng)物、催化劑及產(chǎn)物之間通過攪拌等作用，能達到分子水平的均勻混合，不存在傳質(zhì)問題，因而這種反應(yīng)器一般比較簡單。（2）非均相反應(yīng)器：反應(yīng)物不在同一相中，傳質(zhì)問題即如何使不在同一相中的基質(zhì)充分接觸，是非均相反應(yīng)器要解決的基本問題。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。發(fā)酵工業(yè)中大多數(shù)反應(yīng)器屬于此類。如：在以正烷烴為基質(zhì)的酵母發(fā)酵器中，正烷烴不溶于水，空氣難溶于水，酵母也不溶于水。但酵母必須將基質(zhì)用酶催化水解，然后才能獲得能量，并將小分子基質(zhì)攝入細胞，合成新的細胞物質(zhì)。這一系列生物化學(xué)反應(yīng)能否進行，取決于反應(yīng)器能否把烴、氧和水及酵母菌體充分乳化，使這些不在同一相內(nèi)的基質(zhì)充分接觸．這就是傳質(zhì)問題。非均相反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上較均相反應(yīng)器遠為復(fù)雜。發(fā)酵工業(yè)中的絕大多數(shù)反應(yīng)器屬于非均作為基質(zhì)的正烷相反應(yīng)器。2.按輸入功率（1）機械攪拌式生化反應(yīng)器：利用攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需功率部都是使用這類生化反應(yīng)器。分。利用絲狀菌進行的抗生素發(fā)酵生產(chǎn)，幾乎全通氣攪拌罐有下列優(yōu)點：①pH和溫度容易控制②尺寸放大的方法大致已確定③適用于連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）等。通氣攪拌罐的缺點：①攪拌功率消耗大：機械攪拌器的驅(qū)動功率一只大型的反應(yīng)器是個巨大的負擔(dān)，因而其容積受到限制，很少有機械攪拌式反應(yīng)器。較高，一般每立方米液體為2—4kw。這對單只容積超過400m3的②罐內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易清洗干凈，易被雜菌污染。此外，雖裝有無菌密封裝置，在軸承處還會發(fā)生雜菌污染。③培養(yǎng)絲狀菌時，常用攪拌槳葉的剪切力致使菌絲易被切斷，細胞易受損傷。攪拌的作用：①液體通風(fēng)后空數(shù)氣量增加，實際上是增加了傳質(zhì)量。②通過攪拌，大量氣泡被攪拌器打碎，增加比表面積。進入的氣泡在攪拌中隨著液體旋轉(zhuǎn)使之所走路程延長，使發(fā)酵液中保持的③攪拌速度越快，攪拌雷諾準數(shù)增加，增加傳氧速率。發(fā)酵罐的基本條件①發(fā)酵罐應(yīng)具適宜高徑比（一般高徑比為1.7～4倍）②發(fā)酵罐能承受一定壓力：③發(fā)酵罐攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。④發(fā)酵罐應(yīng)具足夠冷卻面積。微生物生長代謝過程放出大量熱量必須通過冷卻來調(diào)節(jié)不同發(fā)酵階段所需溫度。⑤發(fā)酵罐應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌徹底。⑥攪拌器軸封應(yīng)嚴密，盡量減少泄漏。發(fā)酵罐的部分部件①攪拌器和擋板攪拌器分平葉式、彎葉式、箭葉式三種，國外多用平葉，我國多用彎葉。其作用是打碎氣泡，使氣空與溶液均勻接觸，使氧溶解于醪液中。擋板的作用：改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。全擋板條件是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變，消除因攪拌而產(chǎn)生的漩渦。②消泡器消泡器的作用是將泡沫打破。最常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式?？装迨降目讖郊s10～20mm。③氣空分布裝置單管式分布裝置：管口正對罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的氣空分散效果較好。環(huán)形管的分布裝置：以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為φ5～8mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積。氣空流速?。?0m/sec（1）自吸式充氣發(fā)酵罐是近年發(fā)展起來的一種新型機械攪拌式生化反應(yīng)器。它是由充氣攪拌葉輪或循環(huán)泵來完成對發(fā)酵液的攪拌、充氣的。該發(fā)酵罐不需氣空壓縮機供應(yīng)壓縮空氣，而是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。工作原理：構(gòu)件主要是自吸攪拌器和導(dǎo)輪，即轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子由罐底向上升入的主軸帶動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時空氣由導(dǎo)氣管吸入。轉(zhuǎn)子啟動前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動馬達，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體或空氣在離心力作用下，被甩向葉輪外緣，流體獲得能量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈快，旋轉(zhuǎn)線速度也愈大，流體動能也愈大，流體離開轉(zhuǎn)子時，由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芤灿?，排出風(fēng)量也越大。當(dāng)轉(zhuǎn)子空膛內(nèi)流體從中心被甩向外緣時，在中心處形成負壓，轉(zhuǎn)速愈大，所成負壓也愈大，由于轉(zhuǎn)子空膛用管子與大氣相通，因此大氣氣空不斷被吸入，甩向葉輪外緣，通過導(dǎo)向葉輪而使氣液均勻分布甩出。由于轉(zhuǎn)子的攪拌作用，氣液在葉輪周圍形成強烈混合流（湍流），剛離開葉輪的氣空立即在循環(huán)發(fā)酵液中分裂成細微氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合，翻騰，擴散到整個罐中，因此自吸式充氣裝置在攪拌同時完成了充氣作用。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。攪拌器由從罐底向上伸入的主軸帶動，葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片不斷排開周圍的液體使其背側(cè)形成真空，于是將罐外氣空通過攪拌器中心的吸氣管而吸人罐內(nèi)，吸入的氣空與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。優(yōu)點：①不用氣空壓縮機或鼓風(fēng)機，節(jié)省投資；②在所有機械攪拌通氣發(fā)酵罐形式中，自吸式充氣發(fā)酵罐的充氣質(zhì)量是最好的．通入發(fā)酵液中的每立方米空氣可形成2315m2的氣液接觸界面面積；③動力消耗低。缺點：①由于空氣靠負壓吸入罐內(nèi)，所以要求使用低阻力、高除菌效率的空氣凈化系統(tǒng)；②由于結(jié)構(gòu)上的特點，大型自吸式充氣發(fā)酵罐的攪拌充氣葉輪的線速度在30m/s左右，在葉輪周圍形成強烈的剪切區(qū)域。而各種微生物中以酵母和桿菌耐受剪切應(yīng)力的能力最強，因此該反應(yīng)器只適用于這類微生物的發(fā)酵生產(chǎn)。③充氣攪拌葉輪的通氣量隨發(fā)酵液的深度增大而減少，因此比擬放大有一最適范圍，目前最大容積為250m3。應(yīng)用：自吸式發(fā)酵罐最初應(yīng)用于醋酸發(fā)酵，如今已應(yīng)用于抗生素、維生素、有機酸、酶制劑、酵母等生產(chǎn)。（2）鼓泡式生化反應(yīng)器以從反應(yīng)器底部鼓入空氣提供混合和傳質(zhì)所需的功率。又稱為空氣攪拌高位反應(yīng)器。其最初形式是從簡單的圓筒狀的器底吹入空氣，空氣以分散相在連續(xù)的液相中上升通過。（3）環(huán)流式生化反應(yīng)器這是一類塔式反應(yīng)器，高徑比較大。其中相際的混合與傳質(zhì)是借各種方式誘導(dǎo)的環(huán)流來實現(xiàn)的。根據(jù)誘導(dǎo)方式分為氣升環(huán)流式和噴射環(huán)流式。（4）文氏管發(fā)酵罐工作原理：用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。優(yōu)點：吸氧的效率高，氣、液、固三相均勻混合，設(shè)備簡單，無須空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗省。缺點：氣體吸入量與液體循環(huán)量之比降低，對于耗氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。（5）塔式發(fā)酵罐特點：罐子高，高：徑=6左右，罐內(nèi)裝有導(dǎo)流筒。由于液位高，空氣利用率高，節(jié)省空氣約50％，節(jié)省動力約30％，不用攪拌器，設(shè)備簡單，但底部有沉淀物；溫度高時降溫較難。3.按反應(yīng)器運行方式（1）間歇式生化反應(yīng)器一次投料后，待反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物反應(yīng)完畢并卸料后，再投入新的反應(yīng)物進行下一批的生產(chǎn)。反應(yīng)器內(nèi)成分隨反應(yīng)時間而變，屬于非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)（2）連續(xù)式生化反應(yīng)器反應(yīng)器的進料與出料連續(xù)不斷的進行，反應(yīng)物的體積不能保持恒定。但整個反應(yīng)體系是處于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。分為連續(xù)流攪拌反應(yīng)器(簡寫為CSTR)及活塞流反應(yīng)器(簡寫為PFR)。它們是兩種完全對立的理想化模型，實際的反應(yīng)器只能接近這兩種模型。①連續(xù)流攪拌反應(yīng)器基本假定是器內(nèi)的混合作用足夠強烈，因此器內(nèi)各種成分的濃度處處相等而不隨時間變化，反應(yīng)速率是個常數(shù)。但連續(xù)流攪拌反應(yīng)器中各個物料微團的停留時間是不相等的，因為反應(yīng)物料一經(jīng)連續(xù)流入反應(yīng)器便立即被分散，有的微團可能一經(jīng)分散就從連續(xù)出料口排出，有的則可能逗留相當(dāng)長的時間，這叫做“返混”。返混是一個隨機過程，它造成反應(yīng)物在器內(nèi)停留時間的分布，導(dǎo)致不同微團中的反應(yīng)物經(jīng)歷不同的反應(yīng)時間。4.按催化劑類型分為：微生物反應(yīng)器和反酶應(yīng)器按生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式分：生物團塊反應(yīng)器、生物膜反應(yīng)器（1）生物膜反應(yīng)器（MBR）：利用膜的分離功能，同時完成反應(yīng)和分離過程的反應(yīng)器。這是一類僅適合于生化反應(yīng)的反應(yīng)器。（2）生物團塊反應(yīng)器按催化劑運動狀態(tài)劃分又可分填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤等多種型式的生物反應(yīng)器填充床型反應(yīng)器(PBR)：把催化劑填充在固定床（填充床）中的反應(yīng)器叫做固定床型反應(yīng)器。這是使用最廣泛的固定化酶反應(yīng)器，單位體積催化劑負荷量高、結(jié)構(gòu)簡單、容易放大、剪切力小、催化效率高。流化床型反應(yīng)器(FBR)：裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。底物以一定流速從下向上流過，使固定化酶顆粒在流體中維持懸浮狀態(tài)進行反應(yīng)。固定化顆粒和流體可看作均勻混合的流體。具傳熱與傳質(zhì)特性好、不堵塞、能處理粉狀底物、壓降較小等優(yōu)點，也很適于需排氣供氣的反應(yīng)。二、微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）根據(jù)反應(yīng)是否需要氧氣為基準微生物反應(yīng)器可分為:1、需氧微生物反應(yīng)器（通氣發(fā)酵罐）2、厭氧微生物反應(yīng)器（嫌氣發(fā)酵罐）（1）微生物在嫌氣發(fā)醉過程中總的發(fā)酵熱，一般由生物合成熱Q1，蒸發(fā)熱損失Q2，罐壁向用圍散失的熱損失Q3等三部分熱量所組成。（2）微生物的生物合成熱是由維持微生物生命活動的呼吸熱、促進微生物增殖的繁殖熱以及微生物形成代謝產(chǎn)物的發(fā)酵熱所組成（3）由于各種微生物的生理特性和代謝途徑不同，故對于微生物的生物合成熱至今尚難準確計算。（4）對于確定酒精、啤酒等嫌氣發(fā)酵的發(fā)酵熱，一船按發(fā)酵最旺盛時單位時間糖度降低的百分值來計算，通常以消耗1kg麥芽糖發(fā)酵放出的熱量約為418－600J為計算基準。（5）如果發(fā)酵液不進行冷卻，則發(fā)酵溫度可升高10℃。（6）此外，對于小型試驗罐，也可在發(fā)酵最旺盛時，測定其冷卻水的進出口溫度和單位時間內(nèi)的耗水量，從而得出小罐的放熱量Q1ˊ。第四節(jié)生化反應(yīng)器的發(fā)展（1）開發(fā)活性高、選擇性好及壽命長的生物催化劑。開發(fā)主要途徑是利用基因工程技術(shù)，實現(xiàn)生物細胞的定向改造，以及改進酶和細胞的固定化技術(shù)（2）改進生物反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱的方法（3）生物反應(yīng)器向大型化和自動化方向發(fā)展。反應(yīng)器的放大降低了操作成本，自動化檢測和控制系統(tǒng)控制使反應(yīng)器在最佳條件下操作成為可能（4）特殊要求的新型生物反應(yīng)器的研制開發(fā)，如基因產(chǎn)品生產(chǎn)、細胞固定化及動植物細胞培養(yǎng)的工業(yè)反應(yīng)器，固體發(fā)酵反應(yīng)器、邊發(fā)酵邊分離反應(yīng)器等的開發(fā)研制已獲得廣泛重視（5）降低設(shè)備投資方面，對連續(xù)過程更加重視。連續(xù)生物反應(yīng)器的主要問題是產(chǎn)物濃度低。隨著生物催化劑比活力的提高，這個問題將得到彌補。為了克服發(fā)酵中的這個限制，固定化細胞系統(tǒng)提供了一種達到高生產(chǎn)能力、高產(chǎn)品濃度的方法。我國化工近況：1.研制成功了2.5L、5L、10L等自控發(fā)酵罐，具備批量生產(chǎn)的能力。2.自行研制100m3雙環(huán)流氣升式反應(yīng)器，使谷氨酸生產(chǎn)效率提高13.6%左右。3.耐消毒pH傳感器用于維生素C生產(chǎn)過程控制，可使產(chǎn)量提高3%。4.電子計算機在線控制用于青霉素生產(chǎn)過程，每毫升青霉素發(fā)酵液的效價提高7000單位。第六章傳氧與通氣攪拌一.概述1.生化反應(yīng)器通氣與攪拌有兩個目的:①使發(fā)酵液充分混合，以便形成均勻的微生物懸浮液，促使底物從發(fā)酵液向菌體內(nèi)及代謝產(chǎn)物從菌體內(nèi)向發(fā)酵液的傳遞。②供給微生物和代謝所需的氧氣。好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動都需要消耗氧氣，因為好氣性微生物只有氧分子存在情況下才能完成生物氧化作用。因此供氧對需氧微生物是必不可少的，在生物反應(yīng)過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長繁殖和積所累需要的代謝產(chǎn)物。需氧微生物的氧化酶系是存在于細胞內(nèi)原生質(zhì)中，微生物只能利用溶解于液1）攪拌把通入的氣體打碎，強化湍流程度，使接觸，增加了溶氧速率，使2）作用：1）攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，增加了氧與液且小氣泡的上升速度要比大氣泡慢，相應(yīng)地氧與液接觸時間也就增長；2）攪拌使液體作渦流運動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運動上升，運動路線，增加了氣液的3）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團，有同時也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳需求：因此，體中的氧氣?？諝馀c發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地物懸浮混合均勻，促進代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。體的接觸面積，微生而體的延長了氣泡的接觸時間；利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動力均一，遞。發(fā)酵過程中氧的好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動都需要消耗氧氣，因為好氣性微生物只有氧分氣存在情況下才能完成生物氧化作用。因此，供氧對需氧微生物是必不可少的，在發(fā)酵過程中必物。而需氧微生物只能利用溶解于液中溶解氧般以溶解氧系數(shù)表示。由于各種好氣微生物所含的氧化酶體系（如過氧化氫酶、細胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化酶等）的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，種需氧吸氧量或呼吸程度是不同的。須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長繁殖，積所累需要的代謝產(chǎn)微生物的氧化酶系是存在于細胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此，體中的氧。發(fā)酵液的多少，一各微生物的攝氧量：指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的消以r表示，單位為[molO2/m3·s]。呼吸強度（比耗氧速率）：單位質(zhì)量的菌體(以干重計)在單位時間內(nèi)消耗氧的量molO2/（kg干細胞·s）。用Qo2表示。耗氧的量，攝氧量與呼吸強度之間的關(guān)系r=Qo2·X式中：r---攝氧量[molO2/（m3·s）]；Qo2---菌體呼吸強度（比耗氧速率），molO2/（kg干細胞·s）；---發(fā)酵液中菌體濃度，（kg/m3）；3）溶解氧控制的意義X在生物反應(yīng)過程中，微生物只能利用溶解狀態(tài)下的氧（最近有報道在氣-液界處的微生物25℃、100MPa下，空氣中的氧在水0.25mmol/L。由于微生物不斷消耗發(fā)酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微也能直接利用氣相中的氧）。氧是很難溶解的氣體，在中的溶解度生物在人工環(huán)境內(nèi)比較集中，濃度大；另外在這種稠厚的培養(yǎng)液氧的溶解度比在水中更小。就必須采用強化供氧。2.微生物的臨界氧濃度微生物的耗氧速率受發(fā)酵液的濃度的影響，各種微生物對發(fā)酵液中溶氧濃度有一個最低要求這一溶氧濃度叫做“臨界氧濃度”。不同的微生物的需氧量不同。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長和形成代謝產(chǎn)物的耗氧量也往往不同。呼吸臨界氧濃度：在溶氧濃度低時，呼吸強度隨溶解氧濃度的增加而增加，當(dāng)溶氧濃度達到某一值，后呼吸強度不再隨溶解氧濃度的增加而變化時的溶解氧濃度。用C臨界表示。影響微生物需氧量的因素很多，歸納起來主要有菌種的生理特性、培養(yǎng)基組成、溶氧濃度和發(fā)酵工藝條件等。3、在發(fā)酵過程中引起溶氧異常下降可能有下列原因?①污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，使溶氧在較短時間內(nèi)下雜菌本身耗氧能力不強，溶氧變化就可能不明顯；②菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象，需氧要求增使溶氧下降；③某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也能引起溶氧下降，如攪拌功變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。又如消沫油因自動加油器失靈或人為加量過多，也會引起溶氧迅速下降。其他影響供氧的工藝操作，如停攪拌、悶罐（關(guān)閉降到零附近，如果加，率消耗排氣閥）等．都會使溶氧發(fā)生異常變化。4、在發(fā)酵過程中引起溶氧異常升高可能有下列原因?在供氧條件沒有發(fā)生1、菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能2、污染烈性噬菌體，影響最為明顯，產(chǎn)生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧就顯上升，菌體破裂后完全失去呼吸能力，溶氧就直線上升。變化的情況下，耗氧量的顯著減少將導(dǎo)致溶氧異常升高。如：力下降，使溶氧上升。明二、溶氧濃度的控制1.氧的傳遞途徑及傳質(zhì)阻力供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴散到液體主流中。耗氧：氧自液體主流通過液膜、菌體叢、細胞膜擴散到細胞內(nèi)。整個過程必須克服一系列的阻力，才能被微生物利用。供氧方面的阻力：①氣膜阻力，主流氣流與氣膜間的氣膜阻力②氣液界面阻力，與空氣情況相關(guān)③液膜阻力，氣液界面至液體主流間的液膜阻力④液流阻力耗氧方面的阻力：①細胞周圍液膜阻力，與發(fā)酵液成分和濃度相關(guān)②菌絲叢或團內(nèi)的擴散阻力③細胞膜阻力，與微生物的生理特性相關(guān)④細胞內(nèi)反應(yīng)阻力。由于氧是很難溶于水中的氣體，所以在供氧方面液膜阻力比較顯著，是控制因素。提高飽和溶氧濃度C*的方法采用提高氧分壓的方法，一是提高發(fā)酵罐壓力，二是向發(fā)酵液中通入純氧氣。提高罐壓會減小氣泡體積，減少了氣一液接觸面積，影響氧的傳遞速率，降低氧的溶解度，影響菌體的呼吸強度，同時增加設(shè)備負擔(dān)。通入純氧能顯著提高CL，但此種方法既不經(jīng)濟又不安全，同時易出現(xiàn)微生物的氧中毒現(xiàn)象。要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多種，其中最簡單的方法是增加罐壓。但是要注意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓，從而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分（如CO2）分壓也相應(yīng)增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影響了細胞的生長和產(chǎn)物的代謝，所以增加罐壓是有一定限度的。另一種方法是增加空氣中氧的含量，進行富氧通氣操作。即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富氧空氣，然后通入培養(yǎng)液。目前由于這三種分離方法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。雙膜理論及溶氧系數(shù)測定第七章比擬放大比擬放大:是把小型設(shè)備中進行科學(xué)實驗所獲得的成果在大生產(chǎn)設(shè)備中予以再現(xiàn)的手段，它不是等比例放大，而是以相似論的方法進行放大。比擬放大的基本方法：首先必須找出表征著此系統(tǒng)的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有一定物理含義的無因次數(shù)，并建立它們間的函數(shù)式，然后用實驗的方法在試驗設(shè)備中求得此函數(shù)式中所包含的常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式在一定條件下便可用作為比似放大的依據(jù)。比擬放大是化工過程研究和生產(chǎn)中常用的基本方法之一。發(fā)酵過程是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，影響這個過程的參數(shù)有物理的、化學(xué)的、生物的，有些雖然已經(jīng)被認識了，但目前還不能準確快速地測量，有些則尚未被認識。只研究了少數(shù)參數(shù)不可能都是不變的。因此發(fā)酵生產(chǎn)過程設(shè)備比似放大理論與技術(shù)的完善，有賴于對發(fā)酵過程的本質(zhì)的深入了解。現(xiàn)在對此過程的關(guān)系，而假定其它參數(shù)是不變的，實際上發(fā)酵工程中所用的比擬放大方法有：等KLa,等πDN,等Pg/V,等Re或動量因子,相似的混合時間等。以kLa為基準的比擬放大法：有的菌種在深層發(fā)酵時耗氧速率很快，因此溶氧速率能否與之平衡就可能成為生產(chǎn)的限制性因素。耗氧速率可以用實驗法測定。在小型試驗發(fā)酵罐里進行發(fā)酵過程，用適當(dāng)?shù)膬x器記錄發(fā)酵液中的溶氧濃度。以Po/V相等為準則的比擬放大：對于溶氧速率控制的非牛頓發(fā)酵液系統(tǒng)，把Po/V相等作為比擬放大的準則就非常方便，同時也避免了微生物參與所帶來的計算kLa的困難。值得注意的是，Po/V與傳質(zhì)系數(shù)之間的確存在著重要的關(guān)系，但Po/V相等并不意味著kLa相等。二者之間沒有必然的聯(lián)系。其他的比擬放大方法（一）恒周線速度絲狀菌發(fā)酵受剪率、特別是攪拌葉輪尖端線速度的影響保持kLa相等或Po/V相等，可能會導(dǎo)致嚴重的失誤。在Po/V相等的條件下，D/T比越小