发酵工业中氧的供需

发酵工业中氧的供需第1页，共42页，2023年，2月20日，星期一本章内容一、细胞对氧的需求(为什么要供氧？为什么要控制溶氧？）二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何控制溶氧？）三、影响氧传递的因素四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定第2页，共42页，2023年，2月20日，星期一3.氧传递方程在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数。在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为

第3页，共42页，2023年，2月20日，星期一OTR—单位体积培养液中氧的传递速率，KLa—以浓度差为推动力的体积溶氧系数，

h-1,s-1

KGa—以分压差为推动力的体积溶氧系数,第4页，共42页，2023年，2月20日，星期一4.发酵过程耗氧与供氧的动态关系细胞呼吸的本征要求:氧传递特征（发酵罐传递性能）若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：

传递消耗第5页，共42页，2023年，2月20日，星期一令则变换第6页，共42页，2023年，2月20日，星期一无因次数Da为Damköhler准数，物理意义是细胞的最大耗氧量与最大供氧量之比。当Da＜1时，细胞的耗氧量＜最大供氧量，存在耗氧限制，整个过程受呼吸速率控制；当Da＞1时，细胞的耗氧量＞最大供氧量，存在供氧限制，整个过程受氧传递速率控制。对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则,

第7页，共42页，2023年，2月20日，星期一β为常数,则

y亦x的函数,有形式

第8页，共42页，2023年，2月20日，星期一

对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得。

kLa亦可称为“通气效率”,可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。第9页，共42页，2023年，2月20日，星期一在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示:在稳态时,则，则第10页，共42页，2023年，2月20日，星期一由气液传递速率方程2.kLa的影响因素（一）影响氧传递的因素1.影响推动力C*-CL的因素

影响比表面积a的因素影响液膜传递系数kL的因素可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：第11页，共42页，2023年，2月20日，星期一1)

温度氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:

t—温度,℃

T↑，Cw*↓

，推动力↓

第12页，共42页，2023年，2月20日，星期一2)

溶质电解质

1)对于单一电解质

Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3

Cw*—氧在纯水中的溶解度,mol/m3

CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3

K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.第13页，共42页，2023年，2月20日，星期一2)

溶质（续）2）对于几种电解质的混合溶液：式中hi—第i种离子的常数,m3/kmol

离子强度,kmol/m3

Zi—第i种离子的价数,—第i种离子的浓度,kmol/m3

第14页，共42页，2023年，2月20日，星期一2)溶质（续）B.

非电解质

式中Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度,mol/m3

CN—非电解质或有机物浓度,

kg/m3k—非电解质的Sechenov常数,m3/kg第15页，共42页，2023年，2月20日，星期一2)溶质C.

混合溶液(电解质+非电解质):叠加

Cm*—氧在混合溶液中的溶解度,

mol/m3溶质↑，Cm*↓第16页，共42页，2023年，2月20日，星期一3)溶剂通常溶剂为水;

氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。

第17页，共42页，2023年，2月20日，星期一4)氧分压提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。

第18页，共42页，2023年，2月20日，星期一影响KLa的因素

发酵罐的形状，结构（几何参数）搅拌器，空气分布器（几何参数）

通气：表观线速度Ws②操作条件

搅拌：转速N，搅拌功率PG

发酵液体积V，液柱高度HL

③发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量①设备参数第19页，共42页，2023年，2月20日，星期一综合①②③三类影响因素，有其中

d—搅拌器直径，m;Ν—搅拌器转速，s-1;ρ—液体密度，kg/m3;—液体粘度，Pa·s;

DL—扩散系数,m2/s;σ—界面张力，N/m;

Ws—表观线速度，m/s;g—重力加速度,9.81m/s2KLa的准数关联式

第20页，共42页，2023年，2月20日，星期一写成准数式(无因次式)

＝准数第21页，共42页，2023年，2月20日，星期一＝气流准数准数第22页，共42页，2023年，2月20日，星期一KLa影响因素的分析依据：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：合并化简得：＝0.06KLa=0.06第23页，共42页，2023年，2月20日，星期一问题：当设备一定，发酵液性质一定，即d；ρ、、σ、DL、g两类因素不变，可否建立KLa与操作条件间的独立关联式：如

第24页，共42页，2023年，2月20日，星期一不行，实测后必须以进行分析。当通气是重要影响因素时，建立小型罐成功发酵的关联式或建立放大的关联式要特别小心。①当其他条件一定，改变N、Ws测相应的KLa，不能根据实测数据建立方程

KLa≠KNαWsβ

②当规模扩大后，想建立等KLa放大的关联式更困难，只考虑N、Ws

时，则KLa与相差甚远，关系复杂。第25页，共42页，2023年，2月20日，星期一实际工作中，通常以“单位体积搅拌功率”代替“N”建立KLa表达式，则实测时拟合得很好∵PG/V不仅包含了“N”的变化，也真实反映了流态的影响(即Ws、N与设备及发酵液特性共同作用).第26页，共42页，2023年，2月20日，星期一在PG的计算中要满足下列条件:①P的计算与Rem值有关:Rem﹤10x=-1层流

Rem﹥104x=0湍流

P：不通气搅拌功率PG:通气搅拌功率第27页，共42页，2023年，2月20日，星期一PG计算与P和Na有关:Na﹤0.035时

PG/P=1-12.6NaNa≥0.035时

PG/P=0.62-1.85Na可见,PG不仅与N、Ws相关，而且反映了流态，且通过流态与d、ρ、等相关。∴要以来分析影响因素第28页，共42页，2023年，2月20日，星期一A.搅拌对KLa的影响转速N↑→PG↑→KLa↑搅拌作用(影响KLa原理)将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积，即a↑→KLa↑→溶氧↑搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧↑搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力，即1/KL↓→KL↑→KLa↑→溶氧↑搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中接触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。第29页，共42页，2023年，2月20日，星期一搅拌对KLa的影响（续）N并不是越大越好

剪切力↑，对细胞损伤↑，对形态破坏↑

PG↑,发酵期间搅拌热↑,增加传热负荷

N↑第30页，共42页，2023年，2月20日，星期一B.通气对KLa的影响:

在通气量Q较低时,Q↑→Ws↑→KLa↑第31页，共42页，2023年，2月20日，星期一C.通气、搅拌的关联对KLa的影响

从公式上看,

PG↑,Ws↑,KLa↑,但Ws的增加是有上限的,

当Ws

＞(Ws)m,Ws会通过、

来影响PG,导致PG严重下降.∴Ws

＞(Ws)m，PG↓，KLa

↓Rem=第32页，共42页，2023年，2月20日，星期一当通气量超过一定上限时,搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去,而在大量气泡中空转,发生“过载”现象,此时搅拌功率PG会大大下降,

KLa也会大大下降。只有Q↑，N↑同时提高，PG才不会大大下降，KLa↑。C.通气、搅拌的关联对KLa的影响

第33页，共42页，2023年，2月20日，星期一表观空气速度与KLa的关系第34页，共42页，2023年，2月20日，星期一A.设备规模的影响单位体积的液体的搅拌功率的指数α随培养装置的规模而相应变化如:小试

9L→α=0.95

中试

500L→α=0.67

生产规模

27T～54T→α=0.50

可见,在放大过程中,

KLa在相同条件下会减小.第35页，共42页，2023年，2月20日，星期一B.设备形状结构的影响:如20T的伍式发酵罐:α=0.72,ß=0.11第36页，共42页，2023年，2月20日，星期一C.搅拌器形式的影响:α、β数值不同

对于α值:弯叶>平叶>箭叶对于β值:弯叶>箭叶>平叶但是破碎细胞能力:

平叶>箭叶>弯叶翻动流体能力:箭叶>弯叶>平叶此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对KLa都有影响.

第37页，共42页，2023年，2月20日，星期一平叶箭叶弯叶第38页，共42页，2023年，2月20日，星期一A.表面活性剂的影响

气液界面厚度↑,1/kL↑,kL↓

气泡变小↓,a↑低浓度表面活性剂时