微生物工程-第七章-发酵工业中氧的供给

第七章,发酵工业中氧的供需,大多数的工业发酵都属于好氧发酵！,氧是一种难溶性气体！在水中溶解度为0.25mol/m3！,T，氧的溶解度盐析作用，氧的溶解度0.21mol/m3！,仅能维持微生物1520s的正常代谢！,工业发酵氧的供需非常重要！,一、微生物对氧的需求二、发酵过程中氧的传递三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系四、影响氧传递的因素五、发酵过程中氧的传递效率六、溶解氧、摄氧率、KLa的测定,本章内容,呼吸作用（末端电子受体）直接参与一些生物合成反应,一、微生物对氧的需求,（1）氧在微生物发酵中的作用,（2）微生物的耗氧特征,1.微生物需氧量的表示方式,(1)呼吸强度（比耗氧速率）QO2：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。单位：mmolO2/（kg干菌体h）。(2)摄氧率（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。单位：=QO2X（7-1）X细胞浓度，kg(干重)/m3,只有溶解状态的氧才能被微生物利用！,微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响。概念：各种微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界氧浓度（Ccr）。CLCcr，QO2保持恒定CLCcr时，QO2(QO2)m(2)当CL1,培养初期：QO2逐渐增高，X较小。在对数生长初期：达到(QO2)m，但此时X较低，并不高。在对数生长后期：达到m,此时QO2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,2、影响微生物耗氧的因素,发酵条件的影响pH值影响酶活;温度影响酶活及溶氧：T,CL代谢类型(发酵类型)的影响若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大谷氨酸、天冬氨酸若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸,溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的（发酵不同阶段需氧要求不同）。氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。提高传氧效率,能大大降低空气消耗量,降低设备费和动力消耗,以及减少泡沫形成和染菌的机会,提高设备利用率。,（4）溶解氧控制的意义,重点1,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、发酵过程中氧的传递,供氧的实现形式：,气膜传递阻力,气液界面传递阻力,液膜传递阻力,液相传递阻力,细胞或细胞团表面的液膜阻力,固液界面传递阻力,细胞团内传递阻力,细胞膜细胞壁阻力,细胞内反应阻力,供氧方面阻力,耗氧方面阻力,1.氧的传递途径与传质阻力,供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力空气分散成细小气泡，增大接触界面与接触时间，促进氧气的溶解。耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力搅拌,2.双膜理论,双膜理论的气液接触,图7-3,气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，一层气膜，,一层液膜；氧以浓度差方式透过双膜；气泡内气膜以外的任一点氧浓度，氧分压相等；液膜以外的液体任一点氧浓度、氧分压相等。,2.双膜理论,（1）基本前提(三点假设),1）双膜界面,2）在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系：3）氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。,传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速率相等，则单位接触界面氧的传递速率为：nO2单位接触界面的氧传递速率，P、Pi气相中和气、液界面处氧的分压，MPaCL、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，m/h,（2）传质理论,若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，KG以氧分压差为总推动力的总传质系数，KL以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/hP*与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，PaC*与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3,根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即：H亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体、溶剂种类及温度有关。,由式,同理：由于氧气难溶于水，H值很大，,说明这一过程液膜阻力是主要因素。,KL以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/hkL液膜传质系数，m/h,在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数。在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为:,OTR：单位体积培养液中氧的传递速率，KLa：以浓度差为推动力的体积溶氧系数，h-1,s-1,3.氧传递方程,a：气液比表面积,nO2单位接触界面的氧传递速率,三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系,氧传递特征（发酵罐传递性能）若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。供氧与耗氧至少保证平衡，此时可用下式表示：,传递,消耗,设,则,变换,设,则,（7-21）,无量纲数Da为Damkhler准数，物理意义是细胞的最大耗氧量与最大供氧量之比。当Da1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在耗氧限制，整个过程受呼吸速率控制；当Da1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在供氧限制，整个过程受氧传递速率控制。,Da为X的线性函数,对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则,随X的，CLy，也,图7-4,稳态过程中，在KLa一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响,对于一个培养物来说，最低的通气条件可由下面公式求得。kLa亦可称为“通气效率”,可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。,在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示：在稳态时,则，则非稳态过程，如图7-5,X0：初始菌液浓度,（7-25）,气液传递速率方程：,四、影响氧传递的因素,1、影响推动力C*-CL的因素2、KL的影响因素,影响比表面积的因素影响液膜传递系数kL的因素,（1）温度（2）溶质（3）溶剂（4）氧分压,1、影响推动力C*-CL的因素,氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01105Pa和温度在433的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算：,（1）温度,t温度,Cw*：与空气平衡时水中的氧浓度,T，Cw*，推动力,A、电解质1)对于单一电解质,（2）溶质,Ce*氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3Cw*氧在纯水中的溶解度,mol/m3CE电解质溶液的浓度,kmol/m3KSechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.,式中hi第i种离子的常数,m3/kmol离子强度,kmol/m3Zi第i种离子的价数,第i种离子的浓度,kmol/m3,2）对于几种电解质的混合溶液：,B.非电解质,Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度,mol/m3CN非电解质或有机物浓度,kg/m3K非电解质的Sechenov常数,m3/kg,C.混合溶液(电解质+非电解质):叠加,溶质，Cm*,Cm*氧在混合溶液中的溶解度,mol/m3,通常溶剂为水;氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。可合理添加有机溶剂降低水的极性，增加溶解氧浓度。,（3）溶剂,一、提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的（CO2浓度，不利于发酵）。二、保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。,（4）氧分压,设备参数发酵罐的形状结构、搅拌器直径d、挡板、空气分布器操作条件通气表观线速度Ws、搅拌转速N、搅拌功率Pw、发酵体积V、液柱高度HL发酵液性质：发酵液密度、黏度、界面张力、扩散系数DL,2、影响KLa的因素,综合三类影响因素，有：,（1）KLa的准数关联式,其中d搅拌器直径，m;搅拌器转速，s-1;液体密度，kg/m3;液体粘度，Pas;DL扩散系数,m2/s;界面张力，N/m;Ws表观线速度，m/s;g重力加速度,9.81m/s2,写成准数式(无量纲式),准数,是惯性力与黏性力的比值，用作流态的判断。,Re10层流：质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动Re104湍流：有垂直于流管轴线方向的分速度产生,=气流准数,准数,：表示重力对流动影响的准数，与搅拌状态有关,：与液膜传质系数KL有关,：与气流有关,：与通气搅拌功率PG的计算有关。Qg：工况通气量,对牛顿型流体发酵液：（没有颗粒的混合单一流体）,搅拌比通气影响更大，转速NPGKLa,（2）影响KLa的因素分析,1）操作条件的影响,PG：通气搅拌功率；V:培养液体积；WS：通气表观线速度,搅拌作用(影响KLa原理),搅拌对KLa的影响,将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积，即aKLa溶氧搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，KLa溶氧搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧,重点2,d.搅拌使培养液成分均匀分布、菌体分散，有利于固液传递中接触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。,气升式发酵罐,没有机械搅拌，上升气泡产生搅拌作用。,N并不是越大越好!,N剪切力，对细胞损伤，对形态破坏PG，发酵期间搅拌热，增加传热负荷,搅拌器的型式、直径、转速、组数、间距及位置都对氧的传递速率有影响。,通气对KLa的影响:,从公式上看,PG,Ws,KLa,但Ws的增加是有上限的,当Ws(Ws)m,Ws会通过、来影响PG，导致PG严重下降.Ws(Ws)m，PG，KLa,在通气量Q较低时,QWsKLa,当通气量超过一定上限时,搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去,而在大量气泡中空转,发生“过载”现象,此时搅拌功率PG会大大下降,KLa也会大大下降。只有Q，N同时提高，PG才不会大大下降，KLa。,表观空气速度与KLa的关系,单位体积的液体的搅拌功率的指数随培养装置的规模而相应变化：,可见,在放大过程中,KLa在相同条件下会减小.,2）设备参数的影响,A.设备规模,如:小试9L=0.95中试500L=0.67生产规模27T54T=0.50,如20m3的伍式发酵罐:=0.72,=0.11,B.设备形状结构,平叶,箭叶,弯叶,C.搅拌器形式,值:弯叶平叶箭叶值:弯叶箭叶平叶破碎细胞能力:平叶箭叶弯叶翻动流体能力:箭叶弯叶平叶搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对KLa都有影响.,发酵液黏度、pH值、极性、表面张力、离子浓度等物理化学性质的改变，影响气泡大小、气泡稳定性和氧的传递效率。,3）发酵液性质的影响,影响发酵液性质，进而影响KLa的其他因素：表面活性剂离子强度菌体浓度,低浓度表面活性剂时,以a为主,KLa添加至一定量时,kL降至最低,KLa下降显著再继续增加时，kL维持最低水平不再下降，而a，此时KLa从最低点有所回升,表面活性剂的浓度,KLa受两种趋势影响,气液界面厚度,1/kL,kL气泡直径（dB）变小,a,表面活性剂,表面活性剂月桂基磺酸钠浓度对KLa、KL和dB的影响,电解质溶液浓度，则气泡变小，a，KLa;有机溶质浓度，则气泡变小，a，KLa,离子强度,电解质溶液浓度，传氧特性好(KLa)，溶氧特性C*e变差。,I=00.4时,=0.40+0.862I/(0.274+I),且I,常数k.I0.4时,=0.9,k值不再变化.也随I增大而增大，但I对的影响较小，在0.350.39之间变化，不如变化大.,离子强度I影响KLa公式中的,k值.,细胞浓度X，KLa()相同浓度KLa，丝状菌Ccr）,Qi=Q0=0,用一支响应很快的溶氧电极测定发酵液中的溶氧变化。,（3）氧电极法,亚硫酸盐氧化法取样极谱法物料衡算法动态法排气法复膜电极法,3、KLa的测定原理与方法,原理利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。反应速度与亚硫酸钠浓度无关。用碘量法测定Na2SO3消耗的速率，即可求得氧传递速率OTR,再由式OTR=KLaC*求出KLa。,（1）亚硫酸盐氧化法,亚硫酸盐氧化值Kd,Kd：以氧分压差为传氧推动力的体积溶氧系数V：测试液的总体积C：亚硫酸钠的体积摩尔浓度S：取样量t：两次取样的时间间隔p：罐压,优点氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需特殊仪器。,缺点不及极谱法准确；只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L以内才较准确可靠；不能对发酵过程实测，Na2SO3对微生物生长有影响，且发酵液的性质影响氧的传递。,原理当电解电压为0.61.0V时，扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。,（2）取样极谱法,由式求得KLa,极谱法工作曲线,优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算出溶氧系数。,缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。,对发酵液中的氧进行物料衡算,稳态时,于是,对大型发酵罐，可用平均推动力代替,Ci*，CL：与进气和排气氧分压平衡的液相氧浓度,（3）物料衡算法,优点：求得的KLa值比较真实可靠。缺点：准确性受到测定指标的影响，步骤繁琐。,原理：发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求KLa。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为：,可改写为：,（4）动态法,停气t1,C1C2,=QO2x=通气t2，C2C1，将CL对作图可得一直线，斜率为1/KL