《传质与通气》PPT课件.pptVIP

发酵工艺的控制第六章传质与通气 重点 微生物的需氧和溶解氧的控制 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系 微生物的临界氧浓度 氧的传递途径与传质阻力 气体溶解过程的双膜理论 氧传质方程 影响氧传递速率的主要因素 溶氧系数的测定 溶氧系数换算 难点 气体溶解过程的双膜理论 氧传质方程 溶氧 DO 是需氧微生物生长所必需 在发酵过程中有多方面的限制因素 而溶氧往往是最易成为控制因素 在28 氧在发酵液中的100 的空气饱和浓度只有0 25mmol L 1左右 比糖的溶解度小7000倍 在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100 空气饱和度 若此时中止供氧 发酵液中溶氧可在几秒 分 钟之内便耗竭 使溶氧成为限制因素 氧的供需及对发酵的影响 微生物对氧的需求发酵液中氧的供给影响Kla的因素 供氧的调节 与溶氧相关的参数测定发酵过程中溶氧监控的意义 氧的供需及对发酵的影响 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微生物方面来看 供氧对需氧微生物是必不可少的 在发酵过程中 必须供给适量的无菌空气 菌体才能繁殖和积累所需要的代谢产物 不同菌种及不同菌龄 不同发酵阶段所需的氧是不同的 微生物对氧的需求量可用呼吸强度和耗氧速率两种方法来描述 呼吸强度 是菌体的特征参数 耗氧速率 是与有关的工艺参数 两者之间的关系是如 谷氨酸发酵时 一般菌体生长繁殖期比谷氨酸生成期对氧的浓度要求低 长菌阶段供氧为菌体的亚适量 溶氧系数Kd为4 0 10 6 5 9 10 6mol mL min MPa 谷氨酸形成阶段要求溶氧系数Kd为1 5 10 5 1 8 10 5mol mL min MPa 三 影响需氧的因素 r QO2 X X菌体浓度 QO2 遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件 二 溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 CCr QO2 CL CCr 临界溶氧浓度 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度 微生物对氧的需求 一般对于微生物 CCr 1 15 饱和浓度 例 酵母4 6 10 3mmol L 1 1 8 产黄青霉2 2 10 2mmol L 1 8 8 定义 氧饱和度 发酵液中氧的浓度 临界溶氧溶度 所以对于微生物生长 只要控制发酵过程中氧饱和度 1 问题 一般微生物的临界溶氧浓度很小 是不是发酵过程中氧很容易满足 例 以微生物的摄氧率0 052mmolO2 L 1 S 1计 溶氧为0 25mmolO2 L 10 25 0 052 4 8秒 注意 由于产物的形成和菌体最适的生长条件 常常不一样 头孢菌素卷须霉素生长5 相对于饱和浓度 13 产物 13 8 氧对鱼类的影响 胡隐昌 水产养殖 2003 二 微生物的临界氧浓度 C临界 C临界 是微生物生长环境中氧浓度的一个概念 是指微生物进行某种生理活动时 对环境中氧浓度的最低要求 与最适氧浓度概念是相区别的 如对合成产物而言 便称为该产物合成的临界氧浓度 不同种类的微生物的C临界不同 同种微生物在进行不同生理活动时也不同 最适氧浓度的大小和产物合成代谢的特征有关 1 青霉素发酵的临界氧浓度在5 10mmol L之间 低于此值对青霉素的合成带来损失 时间愈长 损失越大 2 氨基酸发酵与需氧量的关系 第一类谷氨酸族氨基酸发酵 在菌体呼吸充足下 产量才最大 若供氧不足 合成受到强烈抑制 第二类天冬氨酸族氨基酸发酵 供氧充足可得最高产量 供氧受限影响不明显 第三类包括亮氨酸 缬氨酸和苯丙氨酸 仅在供氧受限 细胞呼吸受抑制 才能获得最大量的氨基酸 相反 产物形成反而受抑制 氨基酸发酵过程的不同导致需氧量的不同的原因 不同代谢途径产生不同数量的NAD P H 则氧化时所需溶氧量就不同 三 发酵过程溶氧的变化正常发酵条件下 每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律 一 发酵过程中溶氧变化分为三个阶段 发酵初期 菌体生长过程 耗氧量剧增 溶氧浓度明显下降 出现一个低峰 发酵中后期 对分批发酵来说 溶氧变化比较小 在生产后期 菌体衰老 呼吸减弱 溶氧会逐步上升 当菌体自溶 溶氧上升更明显 二 发酵过程中 造成溶氧异常变化的原因 溶氧异常下降的原因溶氧异常上升的原因 污染好气性杂菌 大量的溶氧被消耗掉 菌体代谢发生异常 需氧量增加 使溶氧下降 某些设备或工艺控制发生故障或变化 引起溶氧下降 主要是好氧出现改变 如代谢异常 耗氧能力下降 染上烈性噬菌体 影响最为明显 四 溶解氧控制的意义 微生物只能从其生活的液体基质中获得氧 以供其生理活动 发酵液中所含氧的多少就显得很重要 氧是难溶气体 为满足发酵中菌体对氧的需求 必须采用强制供氧措施 另一方面 由于氧有时又可改变菌体的代谢方向 故又需要根据生产需要适时地调节控制供氧 这需要根据具体的发酵工艺而定 氧从空气经过一系列复杂的途径 最终被传递到菌体内呼吸酶所在的位置上才能被利用 一 传递途径与传递阻力 一 传递途径 气泡中氧 气膜 气液界面 发酵液 胞外液膜 细胞膜 细胞内 第二节传质理论 2 供氧方面的阻力 气膜 气液界面 液膜 发酵液 由于氧是难溶气体 所以即液膜处的阻力是主要阻力来源 3 耗氧方面的阻力 胞外液膜 菌丝丛 细胞膜 胞内传递 为耗氧方面的阻力主要来源 另外受菌体生理及培养基成分如pH不适 代谢产物积累等影响 细胞内反应阻力1 k8产生的原因 培养及的成分与其相应的酶的作用失活 一些生理条件如温度 pH值等不适于酶的反应 一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去 二 气体溶解过程 双膜理论氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程 因此 根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论 气相 氧 气液接触界面 液膜 氧气在气膜中的扩散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧分压之差 即P Pi 在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度与液体中氧浓度之差 即Ci CL 两种膜的阻力分别用和表示 则单位界面氧的传递速率为 由于不能直接测定气膜和液膜处氧的分压 氧浓度 上试不能直接用于实际操作 如果将两膜合并起来考虑 用总传质系数和总推动力来考虑上式 则 根据亨利定律 气体的溶解度与该气体的分压成正比 可得 为找出总传质系数与上述气膜 液膜的传递系数之间的关系 将 变形 利用亨利定律 将O2浓度换成相对应的分压来表示 得 再根据 提供的关系 对于易溶气体如NH3来讲 H很小 可以忽略 则 此时气体溶解的阻力主要来自于气膜阻力 同得 对于难溶气体如O2 H很大 此时气体溶解的阻力主要来自于 三 传质方程 以上只是讨论氧溶解的过程 对于整个发酵工艺控制来讲 作为控制工艺的参数还需要从整个发酵罐对氧的需求来进行调控 在讨论氧溶解过程时接触到气 液界面 但没有涉及其面积 可以想象 如传质界面积加大 单位时间内溶到发酵液中的氧的量也越大 为了考虑到这方面的因素 在实际应用中 引入内界面面积参数 用 表示 单位为 以上讨论提及 氧是难溶气体 H很大 其 将两边同乘 则体积溶氧速率 是以为动力的体积溶氧系数 该式中 均易测量 据此可以算出 另外 要使发酵正常进行 供氧与耗氧至少应相等 从此式亦可算出 需要指出的是 供氧与耗氧的平衡是动态的 也称为 通气效率 用来衡量发酵罐的通气状况 高 表示通气富裕 低则表示贫乏 另外 从的构成看 对于给定的气体而言为定值 因此的变化受a的影响 所以发酵通气的控制主要是想法提高a的值 当供氧与耗氧达到平衡时 第三节影响氧传递速率的主要因素 影响氧传递速率的主要因素为 一 搅拌 一 搅拌的作用 搅拌的作用过度强烈搅拌的危害 产生到的剪切力 对细胞造成损伤 特别是丝状菌 1 增加溶氧速率 2 使微生物悬浮混合一致 促进产物代谢 把大的空气泡打成小的 使液体作涡流运动 增加了接触时间 使发酵液呈湍流运动 减少液膜阻力 KLa增大 二 搅拌器的形式 直径大小 转速 组数等对氧的传递速率的影响 1 搅拌器的形式 按液流形式可分为 轴向式 如浆式 锚式 框式和推进式 径向式 如涡轮式 2 带挡板的发酵罐与不带挡板的区别 挡板的数目一般为4个 其宽度一般为罐径的1 12 1 10 与罐壁垂直 且留有空隙10 40mm 2 搅拌转速n和叶径d对溶氧水平和混合程度的影响 当功率不变时 n3d5 常数 即低转速大叶径或高转速小叶径都能达到同样的功率 功率P与搅拌循环量Q搅合液流速度压头H搅成正比 即P Q搅H搅在湍流状态下 P Q搅H搅 n3d5而Q搅 nd3H搅 n2d2但是 必须两者兼顾 当空气流量小或黏度小 菌体易分散均匀 采用小叶径 高转速较好 当空气流量大或黏度大 菌丝易结团的 采用大叶径 低转速较好 3 搅拌组数对溶氧的影响 搅拌器的组数确定要根据有利于提高溶氧水平 又要保证混合均匀 如 在H D 2 4的发酵罐中 培养物为牛顿型 相同功率下 两组搅拌器的溶氧值Kd比三组的Kd值高 但在丝状发酵液 当黏度 0 700Pa s时 三组搅拌器比两组的Kd值高 而当黏度 0 500Pa s时 三组合两组搅拌的Kd值基本相等 二 空气线速度 机械搅拌通风发酵罐的溶氧系统KLa与空气线速度vs的关系为 KLa vs 为指数 在0 4 0 72之间 当增加通风量是 空气线速度相应增加 从而增大溶氧 但如果只增加风量而转速不变 功率会降低 又会使溶氧系数降低 同时 空气线速度过大时 会发生 过载 现象 过载 指浆叶不能打散空气 气流形成大气泡在轴的周围逸出 使搅拌效率和溶氧速率大大降低 三 空气分布管 1 发酵中常用的空气分布管 有单管 多孔环管和多孔分支环管等 2 空气分布管对氧溶解速率的影响 通风量小时 气泡的直径与空气喷口的直径的1 3次方成正比 即喷口直径越小 气泡直径越小 但在工业发酵中 通风量大时 采用单管或环形管通风效应不受影响 常采用单管向上开口 且空气被搅拌器打碎 四 氧分压 1 增加氧分压的作用 由传质方程式看出 增加推动力 c cL 或 p p 可使氧的溶解度增加 增加空气中氧的分压可使氧的溶解度增大 2 增加氧分压的方法 增加空气压力 罐压 采用含氧量较多的空气或纯氧 3 氧分压过大造成的危害 设备要求高 增加成本 影响菌体的生理代谢 一般在5大气压下不会受损害 出现氧中毒 五 发酵罐内液柱高度 一般在不增加功率消耗和空气流量时 增加体积会使通风效率降低 但在空气流量和单位发酵液体积好功率不变时 通风效率随H D 罐的径高比 的增大而增加 如 当H D从1增加到2时 KLa可增加40 当H D从2增加到3时 KLa可增加20 国外通常采用H D 3 5 国内的工厂采用H D 3 六 发酵体积 通常 发酵罐体积大氧利用率高 7 10 体积小氧利用率低 3 5 不同容积的发酵罐所需搅拌与通风的关系 保持溶氧系数相等 通风量随发酵罐容积的增大而相对减小的原因 大罐气液接触时间长 氧的溶解率也高 七 发酵液的物理性质 1 发酵过程中 培养液的变化黏度 表面张力 离子浓度等发生变化 从而影响气泡的大小 稳定性和氧的传递速率 2 当发酵液浓度增大 黏度增大时 KLa值降低 3 发酵过程中形成的大量泡沫 菌体与泡沫形成稳定的乳浊液 影响氧的传递 可加入消泡剂 第四节溶氧系数的测定关于的测定方法有多种 如亚硫酸盐氧化法 极普法以及氧的物料恒算法等 现多采用溶氧电极法 这是一种参量变换器 把溶氧浓度变成一个与之呈线性关系的电流量 进行测量 这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温 可以固定装在发酵罐上 连续地测量培养液中溶氧浓度 虽然溶氧电极法为当前测量溶氧浓度的最常用方法 但作为对溶氧系数的测量方法而言 有必要向大家介绍其它种方法的基本情况 一 亚硫酸盐氧化法1 原理用铜离子作为催化剂时 溶解到水中的氧能立即氧化其中的亚硫酸根离子 使之成为硫酸根离子 其氧化反应速度在较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无关 实际上氧分子一经溶入液相 立即就被还原掉 这样的反应特性排除了氧化反应速度成为溶氧阻力的可能 因此 氧溶于液体的速度就是控制此氧化反应的因素 反应原理 在Cu2 存在下 2SO32 O2 2SO42 剩余的SO32 与过量的碘作用 SO32 I2 SO42 2I 再用Na2S2O3滴定剩余的碘 2Na2S2O3 I2 Na2S4O6 即 S2O32 I2 S4O62 2I 2 操作将一定温度 20 45 的自来水加入试验罐 加入化学纯的Na2SO3晶体 使SO32 约为1mol L 再加入化学纯的CuSO4晶体 使Cu2 浓度约为10 9mol L 待完全溶解后 开阀通气 空气阀一开就接近预定的流量 并在几秒内调整至所需的空气流量 当气泡从喷管中冒出的同时 立即计时 为氧化作用的开始 氧化时间可以控制在5 20分钟 到停止通气和搅拌 准确的记录氧化时间 试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 移液管下端开口离开碘液液面不要超过1cm 以防止氧化 然后以淀粉作指示剂 以硫代硫酸钠标准液滴定至终点 根据反应原理 4Na2S2O3 O2设 体积溶氧系数用N表示 硫代硫酸钠浓度用C表示 取样量用S表示 t为两次取样的时间间隔 n为两次滴定所耗用的Na2S2O3体积之差 结合N的定义 P175 则 式中P为罐压 据此算出N 代入 即可得 3 亚硫酸盐氧化法的优缺点二 取样极普法1 原理 在一定电压时 硫经极普仪电解池的电流大小与电解池中液体所含氧浓度成正比变化 C CL2 方法 从发酵罐取出样品置于电解池中 记录下随时间而下降的发酵液中氧浓度的变化 在直角坐标上以氧浓度对时间作图 得 所得曲线斜率值为菌体耗氧速率 利用即可求得 3 特点 罐压与外压不同 且不搅拌 因而误差较大 三 排气法原理 先将发酵液中的O2驱赶掉 再通气搅拌 同时定时测定发酵液的氧浓度 最大值即为 氧的传递速率可表示为 是常数 将该式积分后变为 为积分常数 该式表明 是t的函数 两者呈线性关系 其斜率为 因此 通过作图即可求得值 四 溶氧电极法1 原理 溶氧电极实际上是一种电解电池 有两个电极 由银丝组成的阴极和由铅皮组成的阳极 这对电极装置在两端开口的玻管套内 靠近阴极一端用一种耐热的只允许气体透过而不透过水及离子的半透塑料膜覆盖 形成一个有一定容积的电池 在电池中加入电解质溶液 5MHAc 0 5MNaAc 0 1MPbAc2 这样就在两电极之间产生了一个电势差 使阳极的铅变成离子Pb2 进入电解质溶液 同时放出的电子在阴极上把透过半透膜进入的氧立即还原成OH 阳极 Pb Pb2 2e阴极 2e 1 2O2 H2O 2OH 在两电极之间接一电流表 那么透过半膜溶入液体中的氧立即在阴极上被还原而产生相应电流 在电流表上指示出来 由于氧一进入膜内就立即被还原 实际上电池内部的溶氧浓度为零 因此氧的透过率正比于被测液体中的氧分压 2 应用 测菌体耗氧速率r发酵液中氧浓度的变化瞬值可表示为 当关闭进气阀时 发酵液内的溶氧浓度由C1经过时间t1后降为C2 再开启进气阀 则氧浓度由C2经过时间t2后上升到C1 则 将这两式代入 式 即可求出 结合使用氧