第7章-发酵工业中氧的供需..ppt

第7章发酵工业中氧的供需,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（溶氧系数）的测定,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。,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,（一）氧在微生物发酵中的作用（对于好气性微生物而言）,呼吸作用直接参与一些生物合成反应,（二）可利用氧的特征,只有溶解状态的氧才能被微生物利用。,一、微生物对氧的需求,（一）、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2g菌-1h-1,摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2L-1h-1。,r=QO2.X,（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。,一般对于微生物：Cr115%饱和浓度,例：酵母4.610-3mmol.L-1,1.8%产黄青霉2.210-2mmol.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0.052mmolO2L-1S-1计，0.25/0.052=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%,（三）、影响需氧的因素,r=QO2.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,影响微生物耗氧的因素,微生物本身遗传特征的影响培养基的成分和浓度碳源种类耗氧速率：油脂或烃类葡萄糖蔗糖乳糖培养基浓度浓度大，QO2；浓度小，QO2菌龄的影响：一般幼龄菌QO2大，晚龄菌QO2小,影响微生物耗氧的因素（续）,发酵条件的影响pH值通过酶活来影响耗氧特征;温度通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T，DO2代谢类型（发酵类型）的影响若产物通过TCA循环获取,则QO2高，耗氧量大若产物通过EMP途径获取,则QO2低，耗氧量小,溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。目前，在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率，就能大大降低空气消耗量，从而降低设备费和动力消耗，且减少泡沫形成和染菌的机会,大大提高设备利用率。,溶解氧控制的意义,供氧的实现形式,摇瓶水平：摇床转速慢，装量多搅拌缓和，通气缓和表面通气，膜透析（扩散）摇瓶水平：转速快，装量少通无菌空气并搅拌气升式,发酵罐水平,需氧量小,发酵罐,需氧量大,二、反应器中氧的传递,二、反应器中氧的传递,（一）、发酵液中氧的传递方程,N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数m/h,湍流扩散,分子扩散,湍流扩散,pA,pAi,cAi,cA,cA,pA,F,G,H,E,G,E,液相有效层流膜厚,气相有效层流膜厚,双模模型,界面,吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。,（1）以（p-pe）表示总推动力,液相吸收速率方程,NA=kL(ci-c),NA=kLH(pi-pe),气相吸收速率方程,NA=kG(p-pi),代入,总吸收速率方程,令,式中KG气相总吸收系数，kmol/(m2skPa),对于易溶气体，H值很大，则有：1/HkL1/kG，此时传质阻力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。,NA=KG(p-pe),1/KG1/kG或KGkG,对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相湍动程度。,即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为“气膜控制”（gas-filmcontrol）。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。,（2）以（Ce-C）表示总推动力,令,代入,NA=KL(ce-c),KL液相总吸收系数，m/s,对于难溶气体，H值很小，则有：H/kG1,控制：0-12小时小通风12小时后增加通风,原因：0-12小时菌体量较小，采用小通风,12,一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。,例：生产肌苷酸：通气量不变17.15mg/ml24小时增加22.55mg/ml30小时增加18.25mg/ml36小时增加12.34mg/ml,初期与前期,（三）、发酵过程中溶氧浓度监控的意义,1、考察工艺控制是否满足要求,2、其它异常情况的表征染菌、噬菌体、设备和操作