7.发酵工业中的供氧

七 发酵工业中氧的供需,一 微生物对氧的需求,发酵工业中氧的供需,一 微生物对氧的需求,好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，供氧对需氧微生物是必不可少的。需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。,不同菌种及不同菌龄、不同发酵阶段所需的氧是不同的；微生物对氧的需求可用呼吸强度和耗氧速率两种方法来描述。,一 微生物对氧的需求,发酵工业中氧的供需,影响微生物好氧的因素,微生物本身的遗传特征；培养基的成分和浓度；菌龄；发酵条件；代谢类型；,控制溶解氧的意义,微生物进行某种生理活动时，对环境中氧浓度的最低要求。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。发酵液溶氧控制的目的是根据不同发酵阶段，保证溶氧浓度不低于C临界。,一 微生物对氧的需求,发酵工业中氧的供需,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。,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,二 发酵过程中氧的传递,气体交换,气体分压混合气体之总压力等于各组分气体压力之和；根据Avogadro定律，各组分气体的分压在总压力中所占的百分比，相当于该组分气体在混合气体中所占容积百分比。,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,气体的溶解度若有一液相区域（如水）与一气相区域（如空气）相接触，则空气中各种气体分子将撞击液面并进入液体（溶解）；另一方面，气体分子的运动导致气体从液体逸出，这种逸出力称为张力。在一定分压下，溶解与逸出达成动态平衡，即可以把液体中气体的张力视为分压，该分压是气体在液相区域内扩散的动力。,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,氧的传递途径与传质阻力,传递途径,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,供氧方面的阻力,耗氧方面的阻力,:气膜；,：气液界面；,：液膜；,是该过程阻力的主要来源；,：发酵液；,：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；,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,气体溶解过程：双膜理论,1923年Whiteman提出了气体溶解过程的传质模型：双膜理论。,要点:气液两相接触时，两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜，溶质以分子扩散的方式通过此膜层。在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。在两个滞流膜以外的气液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,双膜理论将复杂的相际传质过程归结为两种流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。故，整个相际传质过程的阻力便全部集中在两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称双阻力模型。,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,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；,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,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 达到平衡的氧的溶解度；,上试不能直接用于实际操作。用总传质系数和总推动力来描述，则上式 ：,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,根据亨利定律，可得：,则NA的表达式可以写为：,可得：,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,同样方法可得出KL的表达式：,对于易溶气体来讲：,对于难溶气体来讲：,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,传质方程,界面面积参数用a表示，单位：m2/m3,体积溶氧系数 KLa,NA是氧气的传质速率，即穿越气-液界面的速率。引入内界面参数a，用以描述单位体积发酵液的传氧速率。,二 发酵过程中氧的传递,发酵工业中氧的供需,N:氧的传递速率；KLa：以浓度差为动力的体积溶氧系数；KGa：以分压差为推动力的体积溶氧系数；cL：发酵液中氧浓度；c*：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度；p：气相中氧分压；p*：与液相中氧浓度c平衡的氧分压；H：亨利常数；,三 发酵过程好氧与供氧的动态关系,发酵工业中氧的供需,供氧与耗氧的平衡是动态的,在恒定状态下,三 发酵过程好氧与供氧的动态关系,四 影响氧传递的因素,发酵工业中氧的供需,四 影响氧传递的因素,推动力因素：温度、溶质、溶剂、氧分压；,KLa因素：搅拌、设备参数、发酵液性质；,五 溶氧系数的测定,发酵工业中氧的供需,五 溶氧系数的测定,亚硫酸盐氧化法,1.原理,在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，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。,五 溶氧系数的测定,发酵工业中氧的供需,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。,五 溶氧系数的测定,发酵工业中氧的供需,在Cu2+存在下，2SO32- + O2 2SO42-剩余的SO32-与过量的标准碘作用：SO32- + I2 SO42- + 2I-再用Na2S2O3标定液滴定剩余的碘: S2O32- + I2 S4O62- + 2I-,反应原理,五 溶氧系数的测定,发酵工业中氧的供需,将一定温度（2045）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。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520分钟，到停止通气和搅拌，准确的记录氧化时间。,2.操作,五 溶氧系数的测定,发酵工业中氧的供需,试验前后各用移液管取10100mL样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中。然后以淀粉作指示剂，以硫代硫酸钠标准液滴定至终点。移液管下端开口离开碘液液面不要超过1cm，以防止氧化。,五 溶氧系数的测定,发酵工业中氧