第八章__发酵供氧.ppt

只有氧分子存在 才能完成生物氧化作用无菌空气 溶解 传递到氧化酶系 代谢活动 第八章发酵供氧 引言大多数发酵微生物是好气型的 葡萄糖的氧化可表示为 C6H12O6 6O2 6H2O 6CO2 ATP由于氧是难溶气体 一次供氧 难以满足菌体用于碳源完全呼吸所需的氧 所以需要不断通气 通气和搅拌是工业发酵过程的重要内容 第一节微生物的需氧和溶解氧的控制 一 供氧与微生物呼吸代谢产物的关系呼吸强度 单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量 QO2 mmolO2 g干菌体 h 耗氧速率 指单位体积培养液在单位时间内吸氧量 r mmolO2 L h X 发酵液中菌体的质量浓度 g L 二 微生物的临界氧浓度 C临界 菌体进行某种生理活动时 对发酵液中溶氧浓度的最低要求 不同菌种 同种菌在不同生理期具有不同的C临界值 微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求 临界氧浓度C临界 当不存在限制性基质时 耗氧速率因基质中氧浓度不同而异 若C C临界 细胞比耗氧速率保持恒定 若C C临界 细胞比耗氧速率会下降 并随C下降而下降 常见微生物的临界氧浓度见下表 三 发酵过程溶解氧的变化四 溶解氧控制的意义 第二节传质理论 一 氧的传递途径与传质阻力分为供氧和耗氧供氧 空气中的氧从空气泡里通过气膜 气液界面和液膜扩散到液体主流中 耗氧 氧分子自液体主流通过液膜 菌丝丛 细胞膜扩散到细胞内 1 传递途径 O2 气膜 气液界面 细胞膜 菌丝团 发酵液 液膜 O2 O2 细胞 液膜 2 供氧方面的阻力 气膜 气液界面 液膜 发酵液 是该过程的主要阻力 3 耗氧方面的阻力 胞外液膜 菌丝丛 细胞膜 胞内传递 是该过程的主要的耗氧阻力 二 气体溶解过程 双膜理论 气 液界面 气膜动力 P Pi 液膜动力 Ci CL 阻力 1 kG 阻力 1 kL 气体扩散方向 气膜 液膜 Ci CL 空气泡PO2 P Pi 发酵液 NA 氧传递速率 p pi气相中和气 液界面处氧的分压 CL Ci 液相中和气 液界面处氧的浓度 kG 气膜传质系数 kL 液膜传质系数 KG 以氧分压差为推动力的总传质系数 KL 以氧浓度差为推动力的总传质系数 p 与液相中氧浓度c相平衡时的氧分压 C 与气相中氧分压p达平衡的氧的溶解度 上式使用不便 改用总传质系数 总推动力表示 根据亨氏定律 有 则NA的表达式可以写为 H 亨利常数表示气体溶解于液体的难易程度 对易溶气体来讲 对难溶气体来讲 同样的方法可得出KL的表达式 三 氧传质方程 内界面面积 a 单位 m2 m3 K a 体积溶氧系数 溶氧速率方程为 N 氧的传递速率 kmol m3 h KLa 以浓度差为动力的体积溶氧系数 h 1 KGa 以分压差为动力的体积溶氧系数 kmol m3 h Mpa cL 发酵液中氧浓度 kmol m3 c 与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 kmol m3 p 气相中氧分压 MPa p 与液相中氧浓度c平衡的氧分压 MPa H 亨利常数 m3 MPa kmol 供氧与耗氧至少必须平衡 第三节影响氧传递速率的因素 一 搅拌目的 增加溶氧 促进微生物悬浮混合 1 搅拌改善溶氧速率 打碎气泡 增加接触面积 液体做涡流运动 增加接触时间 发酵呈湍流 减少液膜阻力 KLa增加 打散菌体 使推动力均一 2 搅拌器的形式 直径大小 转速 组数 搅拌器间距 在罐内的相对位置 搅拌器形式 轴向式 浆式 锚式 框式 推进式径向式 涡轮式涡轮式的特点 直径小 转速快 搅拌效率高 功率消耗较低 搅拌转速P H搅Q搅H搅 液流速度压头Q搅 搅拌循环量在湍流状态下 P H搅Q搅 n3d5而Q搅 nd3H搅 n2d2 3 间距 相对位置 太大 产生搅拌死角 太小 相互干扰 因流体力学性质不同而有所差别 牛顿型 d 3 4 D 非牛顿型 d 2D 4 位置 距罐底的距离 h太大 最底部液体难提升 造成局部缺氧 太小 造成功率损失 一般为 0 8 1 d 5 组数 确定与H D有关 综合考虑溶氧和功率消耗等因素 二 空气线速度KLa与空气线速度Vs的关系KLa Vs 在0 4 0 72之间 三 空气分布管空气分布管的形式 喷口直径 管口与罐底距离空气分布装置 单管 多孔环管 多孔分支环管d D 0 3 0 4时 管口距罐底20 40mmd D 0 25 0 3时 管口距罐底40 60mm 四 氧分压平衡状态时液体中氧的溶解度五 发酵罐内液体柱高度 六 发酵罐体积发酵罐大罐气液接触时间长 氧的溶解度高 搅拌和通风小些七 发酵液的物理性质粘度 表面张力 离子浓度 第四节溶氧系数的测定 一 亚硫酸盐氧化法1 原理利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果 当亚硫酸盐浓度为0 018 0 47mol L 温度20 45 之间时 与氧反应的速度几乎不变 用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠 便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量 2 操作 反应原理 剩余的亚硫酸根与过量的碘反应 再用Na2S2O3滴定剩余的碘 将一定温度 20 45 的自来水加入实验罐 加入化学纯的Na2SO3晶体 使亚硫酸根约为1M 再加化学纯的CuSO4晶体 使Cu2 浓度约为10 9M 待完全溶解后 开阀通气 空气阀一开就接近预定流量 当气泡从喷管中冒出的同时 立即计时 氧化时间控制在5 20min 3 计算方法 N 体积溶氧系数 S 取样量 C 硫代硫酸钠浓度mol L t 两次取样的时间间隔 P 发酵罐的罐压 实验前后各用移液管取10 100mL样液 立即移入新吸取的过量标准碘液中 以淀粉为指示剂 用Na2S2O3标准液滴定至终点 优点 氧溶解和亚硫酸盐浓度无关 反应速度快 不需要特殊仪器缺点 影响因素多 工作容积只能在4 80L以内测定才比较可靠 二 取样极谱法原理 当电压为0 6 1 0V时 其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化 操作 将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的电池中 并记下随时间而下降的发酵液中的氧浓度CL的数值KLa Qo2X C CL 斜率 C CL C 驱出溶解氧 开始通气后 在被测定的发酵罐中用氮气定时取样 用极谱仪测出溶氧浓度dc dt KLa C CL Ln C CL KLa t 常数KLa 2 303 斜率 三 排气法 C 四 复膜电极测定 和氧分析仪测定 原理 用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分离开来 避免外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响 测定发酵液中溶解氧浓度 菌的好氧率r及溶氧系数 该式可写成 测定和计算气膜体积溶氧系数 五 溶氧系数的换算 以氧浓度差作为动力的传质系数 以氧分压差作为动力的传质系数 以大气压作为动力来讨论的传质系数 以压力差作为动力的溶氧系数 体积吸收系数 1 KV与Kd的换算 2 KLa与KGa的换算 在标准状况 0 101MPa 25 下饱和溶氧浓度为 0 2mmolO2 L 氧分压为0 021MPa 3 kd与KLa KGa换算 KGa Kd是以大气压为动力的溶氧系数 根据气体分压定律 其中对溶氧有贡献的仅是氧分压部分 即 KLa 再根据其单位进行换算 若直接以氧分压为推动力 在计算时就不要0 021 第六节空气中的微生物与除菌方法 一 空气中的微生物含量 种类随空气状况而异 北方少 南方多 高空少 城市多 农村少就种类而言 通常细菌芽孢 霉菌孢子居多 空气中的微生物一般附着在尘埃 雾滴上 二 空气除菌方法 1 加热灭菌 采用加热手段 电 蒸汽 空压机 将空气加热到灭菌温度进行灭菌 2 静电电除尘 被电离的空气离子在向电极快速移动过程中撞击上空气中的尘埃 菌体后 使菌体 尘埃移向电极 最终沉降吸附在电极上 以达到除尘除菌的目的 3 介质过滤除尘 除菌实际使用时根据具体发酵选用除菌方式 一般常用过滤除菌的方法 三 介质过滤除菌 按过滤机制不同可分为绝对过滤和深层过滤 绝对过滤 是利用微孔滤膜 其空隙小于0 5 m 甚至小于0 1 m深层过滤 以纤维 棉花 玻璃纤维 尼龙 颗粒状介质 活性炭 为过滤层 介质层厚 其空隙大于50 m 以超细玻璃纤维 石棉板 烧结金属板 聚四氟乙烯等作为过滤介质 介质层薄 其空隙大于0 5 m 一 绝对过滤 介质之间的空隙小于被滤除的微生物 当空气流过介质层后 空气中的微生物被滤除 介质的空隙小于0 5 m 二 介质过滤 1 介质过滤机理1 惯性碰撞作用当微生物等颗粒随空气以一定的速度流动 在接近纤维时 气流碰到纤维而受阻 空气就改变运动方向绕过纤维继续前进 但微生物等颗粒由于具有一定的质量 在以一定速度运动时具有惯性 碰到纤维时 由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上 由于摩擦 粘附作用 被滞留在纤维表面上 这叫做惯性滞留作用当气流达到一定速度时 它是介质过滤除尘的主要作用 2 阻截作用在气流速度在临界速度以下 由于速度很低时 在纤维周边形成一层边界滞留区 在滞留区内气流速度更慢 在滞留区内的颗粒缓慢接近纤维 并与之接触 由于摩擦 粘着作用而被滞留 这种作用称为阻截作用 3 布朗运动很小的颗粒在流动速度很慢的气流中能产生一种不规则直线运动 称为布朗运动 4 重力沉降 当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时 微粒就沉降 5 静电吸附 很多微生物都带电荷 譬如枯草芽孢杆菌孢子中20 带正电荷 15 带负电荷 诱导电荷的产生 2 过滤效率 过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值 它是衡量过滤设备过滤能力的指标 穿透率 P 为 过滤效率 过滤前空气中的微粒数 过滤后空气中的微粒数 穿透率 过滤前空气中的微粒数 将上式变形后积分 或 这就是对数穿透定律 表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数 常数K的值与空气流速 纤维充填密度和直径 空气中微粒大小等因素有关 3 影响介质过滤效率的因素 1 介质的种类2 介质的直径3 介质密度 4 空气流速 5 介质厚度 6 空气中微粒的大小 四 空气过滤器类型 1 分类1 以纤维状物 棉花 玻璃纤维 涤纶 微尼纶等 或颗粒状物质 如活性炭 为介质所构成的过滤器 特点 过滤层厚度大 体积大 压力降大 操作麻烦2 以微孔滤纸 滤板 滤棒构成的过滤器 特点 过滤层薄 体积小 压降小 操作简单 价格贵 2 过滤器的结构类型 五 空气过滤流程 1 对空气的要求无菌 干燥 有一定的温度 一定的压力一般流程如下 高空采风 无油润滑空气压缩 贮罐