微生物工程工艺原理传质与通气.ppt

第八章传质与通气 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 11传质与通气 11 1微生物的需氧和溶解氧控制一 细胞对氧的需求1 氧是细胞的成分 2 微生物只能利用溶解于基质中的氧 3 不同M有不同的氧需求 二 呼吸强度 比耗氧速率 和耗氧速率 摄氧率 是两种表示微生物吸氧量的方法 1 呼吸强度 QO2 单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量 mg分子氧 g干菌体 h 体现微生物的相对需氧量 2 耗氧速率 指单位体积培养液在单位时间内吸氧量 mg分子氧 L h QO2 X对一定微生物来说 细胞浓度直接影响培养液的吸氧量 三 影响微生物需氧量的因素1 碳源种类碳源种类不同 利用速度不同 C6H12O6 6O2 6H2O 6CO22 碳源浓度与碳源浓度是否成为限制性有关 3 培养条件 pH T pH T影响生长速率和产物生成速率 4 有害 代谢产物抑制细胞呼吸作用 5 培养时期的影响不同时期微生物生命活动能力不同 注意 溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同 四 微生物的临界氧浓度Cc微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求 临界氧浓度Cc 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 Cc 细胞比耗氧速率保持恒定 若C Cc 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 五 溶解氧控制的意义研究溶解氧控制的意义在于 1 满足生产需要 2 节能 降耗 1 供氧 气体主流 气膜 气液界面 液膜 液体主流 2 耗氧 液体主流 细胞周围液膜 菌丝体丛 细胞膜 细胞 氧的传递途径 11 2传质理论一 氧传递途径与传质阻力两个过程 八种阻力 按不同情况 阻力重要性不同 一 氧在发酵过程中的传递途径 二 传质阻力1 气膜阻力1 k1 气体主流与气液界面间的阻力 与空气情况有关 2 气液界面阻力1 k2 氧穿过气液界面的阻力 与空气情况和氧分子所具有的能量有关 3 液膜阻力1 k3 气液界面到液体主流间的阻力 与发酵液成分和浓度有关 4 液流阻力1 k4 液体流动对氧传递的阻力 与流动程度和流动形式有关 2 耗氧方面 1 液膜阻力1 k5 与发酵液浓度 成分和细胞特性等有关 2 扩散阻力1 k6 与微生物种类 生理特性有关 3 胞膜阻力1 k7 与微生物生理特性有关 取决于细胞运载方式和能力 4 反应阻力1 k8 氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力 与微生物种类 生理特性有关 总结分析在供氧方面 液膜阻力 1 k3 比较显著 在耗氧方面 细胞膜阻力 1 k6 比较显著 只要发酵条件合适 微生物耗氧不是矛盾的主要方面 氧的溶解问题是影响微生物利用氧效率高低的最大因素 二 气体溶解过程的双膜理论1 气液两相间存在稳定的相界面 界面两侧各有一层有效膜 溶质 氧 以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体 2 在相界面处 气液两相达到平衡 3 在气 液两相主体中 溶质 氧 浓度均匀 过程 氧由气相 气液界面 液相 气膜 液膜 p pi p pi Ci CL 气膜 液膜 气液界面 Ci CL 氧溶解必需穿过两层膜 气体主流 气液界面 氧分压差 p pi 气液界面 液体主流 氧浓度差 Ci CL 与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别是气膜阻力 1 kG 和液膜阻力 1 kL 单位接触面氧的传递速率NA为 NA 氧的传递速率 Kg分子O2 M2 h p pi 气相和气液界面处氧分压 atm Ci CL 气液界面和液相中氧浓度 Kg分子O2 M3 kG 气膜传质系数 Kg分子O2 M2 h atm kL 液膜传质系数 M h 氧分压pi和氧浓度Ci难测定 改用总传质系数KG或KL和总推动力 则 在稳定传递状态时 p 与液相氧浓度CL平衡的氧分压 C 气相中氧分压P达平衡时的氧浓度 KG 以氧分压差为推动力总传质系数 KL 以氧浓度差为推动力总传质系数 其中 kG或kL与KG或KL的关系 可根据亨利定律来求得 即 根据式 5 1 有 同样可以证明 由式 5 4 和 5 5 有如下讨论 1 易溶气体 H很小 则KG kG 为气膜控制过程 2 难溶气体 H很大 则KL kL 为液膜控制过程 3 氧为难溶气体 为液膜阻力 传质系数 控制 所以下面介绍氧传质方程 三 氧传质方程式采用体积溶氧系数或体积传质系数 KLa 或KGa 据此氧传质 溶氧速率 方程可表示为 发酵体系中 若供氧与好氧达到平衡 则有 实际发酵体系中 这种平衡是暂时的 即体系中氧浓度是动态变化的 可表示 KLa值高 表明罐的通气状况好 反之则差 11 3影响氧供给的因素根据气液传质速率方程式 可知 凡影响推动力 C CL 或 p p 比表面积a和传质系数KL的因素 都会影响氧传递速率 一 影响推动力的因素1 温度氧是气体 它在水中的溶解度随温度升高而降低 在常压 4 33 内 纯水中氧的浓度CW 为 2 电解质盐析作用可降低氧的溶解 在电解质溶液中 有如下关系式 氧在水的溶解度 mol M3 氧在电解质溶液中的溶解度 mol M3 电解质溶液的浓度 kmol M3K Sechenov常数 存在几种电解质时 有 3 非电解质在非电解质溶氧中 氧的溶解度随溶质浓度增加而降低 其规律类似于电解质溶液 氧在非电解质溶液中的溶解度 非电解质中溶质的浓度或有机物浓度 4 氧分压 1 增加罐压提高罐压可提高氧分压 2 提高空气中氧的含量 富氧通气 a 深冷分离b 吸附分离c 膜分离 3 提高H D 二 影响KLa的因素KLa是a与KL合并作为一个参数 实际中影响该参数的因素有 一 操作条件1 搅拌A 搅拌的作用 1 打碎 防合并 增大气液接触面积 2 产生涡流 螺旋 延长停留时间 3 产生湍流 减厚度 降阻力 4 均匀混合 利吸收和积累 主要形式有 B 搅拌器 1 型式 旋桨式 轴向推动 涡轮式 径向推动 形成上下两个翻动 后者常被采用 多组时 上常为平桨式 下常为涡轮式 2 转速n和直径d 影响溶氧水平和混合程度 P H搅Q搅 n3d5 搅拌循环量Q搅 nd3 H搅 n2d2 增加n对提高溶氧有利 增加d对均匀混合有利 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 2 通气的影响 对特定发酵罐 是定值 随增加 增加 增加 增加 影响 的因素可以影响KLa值 与罐的形状 结构有关 随罐径增加而降低 通气表观线速度 二 液体性质的影响 1 液体密度 2 粘度 3 表面张力 4 扩散系数DL 综上所述 影响可归纳为 三 其它因素的影响 1 表面活性剂 定向排列 2 离子强度 KLa比水大 见图1 3 细胞浓度 非牛顿型增加 见图2 溶质浓度 g L X 图1 图2 11 4溶氧系数的测定 化学方法 亚硫酸盐氧化法 极谱法 电极法 取样 排气 一 亚硫酸盐氧化法1 作用原理 利用SO32 在Cu2 或Mg2 催化下 能迅速被O2氧化为SO42 的特性来间接得到氧浓度的方法 其反应式 A 氧化的特点 1 反应恒定 2 消耗 溶解 B 主要过程 1 将配制好的Na2SO3和Cu2 离子置于发酵罐或三角瓶中 2 通气 搅拌或摇瓶 2SO32 O2 2SO42 3 某时刻 取样 过量I2液 2SO32 I2 2SO42 用标准Na2S2O3反滴定 记录体积数V1 2S2O32 I2 2S4O62 4 间隔 t后 重复测定 记录体积数V2 两次测定 消耗的Na2S2O3体积差 V V2 V1 按一定关系体现为这段时间溶入的O2的量 即有 由此可得氧的平均溶解速率N 则溶氧系数Kd 因为 溶液中氧浓度为零 一溶入即被消耗 所以 p 0 此法特点 1 氧溶解速率与氧浓度无关 反应速度快 简单 2 只能测定反应器中Na2SO3溶液的溶氧系数 不能真是反映发酵液状况 二 极谱法 一 取样极谱法取出样品置入极谱仪中 记下对应时刻的氧浓度CL 以CL对t作图 得如图所示的曲线 时间 min CL C 从图可以看出 曲线的斜率 此时只有耗氧 而无氧溶解 再根据体系处于平衡时来计算KLa 取样极谱法的特点 1 简单 快速 2 在罐外测定 不是发酵状况 因而也存在一定误差 二 排气极谱法也是一种非发酵状态下的测定方法 其方法是 1 充氮气 赶出其中的氧 2 通气和搅拌 测定溶氧浓度值 作图可得到下图 时间t CL C 在这种状态下有 即 积分后可得 时间 斜率 KLa 此法特点 省时 又能用于测定在非发酵状态下发酵设备的通气效率 工业测定需用大量的氮气 且难以代表整个发酵液的特征 三 复膜电极法过程 发酵过程停止通气片刻 溶解氧因被生产菌利用而浓度降低 人为地制造一个不稳定的状态 溶氧和耗氧速率不平衡 来求KLa 不稳定状态时 发酵液中某时间间隔的溶氧量为 CL t C1 C2 C t1 t2 t3 A B 其测定步骤为 停止对发酵罐供气 此时由于菌体的呼吸作用而使溶氧浓度直线下降 图中的直线AB的斜率即为所测的菌体呼吸率 该过程可用下式表达 在B点重新开始供气使溶氧浓度开始增加 直至达到浓度为C 在这段时间中所观察到的溶氧浓度的增值BC 即为氧传递至溶液和被菌体呼吸后的差值 该过程可用下式表达 经过几次同样的操作 得到几组不同的dC dt 值 CL值 再以CL对作图 得直线 其斜率为 1 KLa 外推得C 四 氧平衡法在一定的时间间隔内直接测定传递至溶液中氧的量 此方法涉及到下列一些参数的测定 1 发酵罐中发酵液体积的测定 L V 2 进口和出口的空气体积流量的测定L min Qi和Q0 3 发酵器进出口的气体温度 K Ti和T0 4 发酵器进出口氧的分压 pi和p0 然后 氧传递速率可由下式决定 全部发酵中 单位时间的溶氧量是进出口气体中含氧量之差 即 p 进出口压力平均值 P气体的平均总压力 发酵罐平均高度处的压力 参考书目 1 生物工艺学 上 下 俞俊棠 华东理工大学出版社 1992 5 2 生化生产工艺学 梅乐和等 科学出版社 1999 8 THEEND 2008 4 22 宜宾学院生命科学与食品工程系 第九章发酵产物的提取及精制概论 发酵产物的提取及精制概述发酵醪的预处理 2008 4 22 一 下游加工技术的重要性1 产品分离纯化是最终获得商业产品的环节 2 投资费用高 抗生素 乙醇 柠檬酸占60 3 分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展 2008 4 22 几种产品在发酵液中的浓度产品典型浓度 g L 抗生素25氨基酸100酒精100有机酸100酶20蛋白质10 2008 4 22 二 下游加工技术的特点1 发酵液的复杂性造成分离上的困难性 2 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定 3 多为分批操作 各批发酵液不尽相同 要求下游加工有一定弹性 2008 4 22 1概述一 发酵产物的分类从工业发酵范畴来看 从发酵液中获得的发酵产物大致可分为三类 1 菌体 2 酶 3 代谢产物 2008 4 22 二 发酵产物提炼的步骤和方法影响提炼方法的因素1 产物类型不同 提取 精制的方法不同 如 分离菌体胞内酶与代谢产物的方法明显不同 2 产物类型相同 但结构不同 提取精制方法不同 3 产物酸碱性 水溶性等不同 方法不同 2008 4 22 如何着手对一种未知的发酵产品进行提取 1 产品的类型 性质的研究 可大致确定它是属于哪一类型 可了解它是一种成分还是几种成分的混合物 2 稳定性研究 确定在哪一种条件下进行提取和精制不受破坏 即确定提取条件 2008 4 22 发酵产物的提取和精制 浓缩纯化 三个步骤 1 预处理 改变发酵液物理性质 2 提取 分离出目的物及其性质相似物 3 精制 除去相似物 精炼目的 4 后加工 使用要求决定 2008 4 22 1 常用提取方法 离子交换树脂法膜分离法凝胶层离法沉淀法吸附法溶媒萃取法 2 常用精制方法 除了上述几种外 还含浓缩 结晶 干燥 蒸馏等 其方法的选择 取决于醪特性 菌种 产物性质 2008 4 22 三 提取精制过程中要注意的问题 防变性和降解 防辅基流失 防醪中所需产物被分解或挥发 2008 4 22 2发酵醪的预处理一 发酵醪的一般特征 1 水量大 2 产物浓度低 3 悬浮物以胶体状物 菌体 蛋白 为主 不利 a不利于过滤 b增加了提取精制等后工序的提取难度 2008 4 22 4 含有无机盐类 非蛋白质大分子杂质及其降解产物等 5 存在少量发酵副产物 6 含其它有机杂质 2008 4 22 二 醪预处理要求 1 菌体的分离过滤或离心 要求 控制周期 过滤时间 2 固性物的去除通过过滤处理 将固形杂质去除 2008 4 22 3 蛋白质的去除 等电 变性凝固等 4 重金属离子的除去 5 其它有机杂质的去除 6 改变醪的性质 7 调节适当温度 2008 4 22 三 菌体的分离 一 菌体与发酵醪的分离方法1 细菌和酵母 采用高速离心 1 细菌 2 酵母 2 霉菌和放线菌 采用过滤 2008 4 22 二 离心分离原理 根据发酵液中的物质比重不同 在离心力场的作用下 将悬浮液中的固相和液相加以分离 1 沉降式 管式蝶式离心机 2 过滤式 多种形式分批 自动间隙或连续式 2008 4 22 1 碟式高速离心机结构与工作原理 结构倒锥形多孔碟片金属转鼓 工作原理 中心进料 因固液比重不同 在碟片空间内由于离心力的作用 把醪分成固液两相 2008 4 22 2008 4 22 2 管式高速离心机工作原理 下部进料 经档板分散于转筒底部 受离心力作用而上旋 轻液位于筒的中央螺旋向上移动 菌体则靠近筒壁 经分离盘时 轻液沿轻液孔进入集液槽 菌体位于转筒壁 停机的时候取出 2008 4 22 管式分离机主要分为澄清型和分离型两种 澄清型 难分离悬浮液的液固分离 分离型 难分离的乳浊液 液液二相分离 液液固三相分离 2008 4 22 2008 4 22 三 过滤1 影响过滤速度的因素 胶体物存在情况 1 培养基组成及利用程度 2 发酵终点的判定是否正确 3 菌种 2008 4 22 2 提高过滤设备处理能力的途径 1 扩大设备尺寸 增加过滤面积 增大设备规模 2 提高过滤速度 强化设备处理能力 2008 4 22 提高过滤设备处理能力途径 提高过滤速度 物化方法 工艺措施 结构措施 悬浮液制备过程中 悬浮液制备后 造成大颗粒固形物 固形物颗粒凝固 减少固定膜厚度 添加助滤剂 保持适当的滤饼厚度 采取最大的允许过滤压力 控制适当的悬浮液浓度 固形物颗粒分级过滤 反向过滤 动态过滤 挤动过滤 电场与磁性过滤 自动化 扩大设备尺寸 增加过滤面积 2008 4 22 3 改善滤饼结构的物理化学方法具体措施 在制备悬浮液过程中或之后 造成大颗粒 2008 4 22 1 酸化凝结法 胶体体系的稳定性与其带电荷有关 在某pH下 净电荷为0 溶解度最小 pH pI 常用酸试剂 草酸 盐酸 硫酸及磷酸 Fe2 金霉素 草酸 草酸铁 金霉素 Ca2 草酸 草酸钙 2008 4 22 2 热处理法 热凝固法 加热使蛋白质凝固 不适宜用于热敏感的发酵产品的生产中 2008 4 22 3 添加絮凝剂胶体粒子间电荷相同而互斥而不聚沉 利用絮凝剂 分子活性基团多 多点结合 长链线性结构 高电荷密度 特点而使胶体粒子沉淀 常用的絮凝剂 聚丙烯酰胺 PAM 含40000个PAM单体 2008 4 22 4 添加助滤剂 能形成一层不可压缩的滤层 截留了悬浮杂质 隔离了细小 易压缩杂质与过滤介质接触 以形成疏松滤饼 2008 4 22 注意 a 方法 预涂层 或醪中直接加入 或两法兼用 b 助滤剂种类 用量要恰当 是取得良好过滤效果的关键 2008 4 22 5 添加反应剂添加能相互反应 或能和某些溶解盐类反应生成不溶解的沉淀的物质 3CaCl2 2Na3PO4 Ca3 PO4 2 6NaCl关键在选择合适的反应剂 2008 4 22 6 添加酶制剂当醪中有不溶解的多糖存在时 加入能使其转化为单糖的酶制剂 改善粘度 对提高过滤速滤有帮助 2008 4 22 4 工艺措施A保持适当的滤饼厚度B采取最大的允许过滤压力C控制适当的悬浮物的浓度D固形颗粒分级过滤 2008 4 22 5 结构措施A反向过滤B动态过滤 过滤速度高 过滤介质截留的固体粒子连续地被除去 不能形成较厚滤饼层 C电场 磁场过滤 两性物质 D自动过滤 2008 4 22 6 过滤介质 过滤单元上使用的过滤介质种类很多 按材料大致可分几个方面 1 天然纤维和合成纤维滤布帆布绸绢涤纶尼龙布玻璃纤维选择时主要注意 不同纤维的物理 化学性能不同 纹路 平纹 链纹 2008 4 22 2 天然毛毡和合成滤毡三维均匀纤维团 无粘结剂 用途广 能使涂层和滤饼的形成迅速均匀 3 微孔纤维薄膜和金属薄膜 A 主要是醋酸纤维素 聚碳酸脂类 B 惰性金属合金为主 2008 4 22 4 多孔陶瓷 金属陶瓷与烧结树脂再生能力