第六章发酵工业中的传氧1ppt课件

1、本章内容本章内容一、细胞对氧的需求一、细胞对氧的需求 为什么要供氧？为什么要控制溶氧？为什么要供氧？为什么要控制溶氧？二、发酵过程中氧的传送二、发酵过程中氧的传送 如何实现供氧？如何控制溶氧？如何实现供氧？如何控制溶氧？三、影响氧传送的要素三、影响氧传送的要素四、摄氧率、溶解氧、四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定的测定一、细胞对氧的需求一、细胞对氧的需求一氧在微生物发酵中的作用一氧在微生物发酵中的作用二可利用氧的特征二可利用氧的特征三微生物的耗氧特征三微生物的耗氧特征四溶解氧控制的意义四溶解氧控制的意义一氧在微生物发酵中的作用一氧在微生物发酵中的作用 对于好气性微生物而言对于好气性微生物而言n呼

2、吸作用呼吸作用 n直接参与一些生物合成反响直接参与一些生物合成反响 COOHCHOHCHCHO3232二可利用氧的特征二可利用氧的特征n只需溶解形状的氧才干被微生物利用。只需溶解形状的氧才干被微生物利用。1.1.微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1) 呼吸强度比耗氧速率呼吸强度比耗氧速率 QO2 ：单位质量干菌体在：单位质量干菌体在单单 位时间内耗费氧的量。位时间内耗费氧的量。 单位：单位：mmolO2/kg干菌体干菌体h。(2) 摄氧率摄氧率耗氧速率：单位体积培育液在单位时间耗氧速率：单位体积培育液在单位时间 内耗费氧的量。单位：内耗费氧的量。单位： =QO2x x细胞浓度，细胞

3、浓度，kg(干重干重)/m32. QO2与溶氧浓度与溶氧浓度CL关系关系(1) 当CLCcr时， QO2 (QO2)m(2) 当CL Ccr，QO2 坚持恒定坚持恒定nCL1.三培育过程中细胞好氧的普通规律三培育过程中细胞好氧的普通规律n培育初期：培育初期： QO2逐渐增高，逐渐增高，x较小。较小。n在对数生长初期：到达在对数生长初期：到达(QO2 )m，但此时，但此时x较低，较低，并不高。并不高。n在对数生长后期：到达在对数生长后期：到达m, 此时此时 QO2 (QO2 )m ，x葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 n培育基浓度培育基浓度n 浓度大浓度大, QO2 ; 浓度小浓度小, QO2n

4、菌龄的影响菌龄的影响:普通幼龄菌普通幼龄菌QO2大大,晚龄菌晚龄菌QO2小小影响微生物耗氧的要素续影响微生物耗氧的要素续n 发酵条件的影响发酵条件的影响n pH值值 经过酶活来影响耗氧特征经过酶活来影响耗氧特征;n 温度温度 经过酶活及溶氧来影响耗氧特经过酶活及溶氧来影响耗氧特征：征：T , DO2 n 代谢类型代谢类型(发酵类型发酵类型)的影响的影响n 假设产物经过假设产物经过TCA循环获取循环获取,那么那么QO2高高,耗氧量大耗氧量大n 假设产物经过假设产物经过EMP途径获取途径获取,那么那么QO2低低,耗氧量小耗氧量小n溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响能够是不同的，溶解氧浓度对细胞生

5、长和产物合成的影响能够是不同的，所以须了解长菌阶段和代谢产物构成阶段的最适需氧量。所以须了解长菌阶段和代谢产物构成阶段的最适需氧量。 n氧传送速率已成为许多好气性发酵产量的限制要素。氧传送速率已成为许多好气性发酵产量的限制要素。n目前目前,在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率,就能大大降低空气耗费量就能大大降低空气耗费量,从而降低设备费和动力耗费从而降低设备费和动力耗费,且且减少泡沫构成和染菌的时机减少泡沫构成和染菌的时机, 大大提高设备利用率。大大提高设备利用率。四溶解氧控制的意义四溶解氧控制的意义二、发酵过程中氧的传送二、发酵过程中氧的传

6、送 一供氧的实现方式一供氧的实现方式二发酵过程中氧的传送二发酵过程中氧的传送1. 1. 氧的传送途径与传质阻力氧的传送途径与传质阻力2. 2. 气体溶解过程的双膜实际气体溶解过程的双膜实际 3. 3. 氧传送方程氧传送方程4. 4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系发酵过程耗氧与供氧的动态关系(一一) 供氧的实现方式供氧的实现方式 摇瓶程度：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和 外表通气，膜透析分散 摇瓶程度：转速快，装量少 通无菌空气并搅拌 气升式 发酵罐程度发酵罐程度需氧量小需氧量小发酵罐发酵罐需氧量大需氧量大1. 1. 细胞培育体系氧的传送过程细胞培育体系氧的传送过程气泡气泡细胞细胞滞流区

7、滞流区滞流区滞流区气气- -液界面液界面液液- -细胞团界面细胞团界面细胞团细胞团细胞膜细胞膜液相主体液相主体生化反响生化反响二发酵过程中氧的传送二发酵过程中氧的传送(1)(1)双膜实际的根本前提双膜实际的根本前提n气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；n气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流形状，氧以气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流形状，氧以浓度差方式透过双膜；浓度差方式透过双膜；n气泡内气膜以外的气体分子处于对流形状，称

8、为气体主流，气泡内气膜以外的气体分子处于对流形状，称为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；任一点氧浓度，氧分压相等；n液膜以外的液体分子处于对流形状，称为液体主流，任一液膜以外的液体分子处于对流形状，称为液体主流，任一点氧浓度、氧分压相等。点氧浓度、氧分压相等。2. 气体溶解过程的双膜实际气体溶解过程的双膜实际氧在空气中的分压氧溶解于液相的浓度气 液 接 触 面气 膜 液 膜扩 散 方 向ppiCiCLp - piCLCi-双膜实际的气液接触双膜实际的气液接触n在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系浓度处于平衡关系; ;n氧传送过程处于稳定

9、形状时，传质途径上各氧传送过程处于稳定形状时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。点的氧浓度不随时间而变化。 气膜传送阻力气膜传送阻力1/kG 气液界面传送阻力气液界面传送阻力1/kI 液膜传送阻力液膜传送阻力1/kL 液相传送阻力液相传送阻力1/kLB 细胞或细胞团外表的液膜阻力细胞或细胞团外表的液膜阻力1/kLC 固液界面传送阻力固液界面传送阻力1/kIS 细胞团内的传送阻力细胞团内的传送阻力1/kA 细胞膜、细胞壁阻力细胞膜、细胞壁阻力1/kW 反响阻力反响阻力1/kR供氧方面的阻力供氧方面的阻力耗氧方面的阻力耗氧方面的阻力氧的传送阻力氧的传送阻力(2) 传质实际传质实际n传质到达稳态

10、时，总的传质速率与串联的各步传质速传质到达稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速率相等，那么单位接触界面氧的传送速率为率相等，那么单位接触界面氧的传送速率为 ：n nnO2单位接触界面的氧传送速率，单位接触界面的氧传送速率，nP、Pi气相中和气、液界面处氧的分压，气相中和气、液界面处氧的分压，MPanCL、Ci液相中和气、液界面处氧的浓度，液相中和气、液界面处氧的浓度，nkG气膜传质系数，气膜传质系数，nkL液膜传质系数，液膜传质系数，m/hLLiGiOkCCkPPn112阻力推动力)(22hmlOkmo3mkmol)(2MPahmkmol假设改用总传质系数和总推进力，那么在稳定形状时，假设改

11、用总传质系数和总推进力，那么在稳定形状时， KG以氧分压差为总推进力的总传质系数，以氧分压差为总推进力的总传质系数， KL 以氧浓度差为总推进力的总传质系数，以氧浓度差为总推进力的总传质系数，m/s P*与液相中氧浓度与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，相平衡时氧的分压，Pa C*与气相中氧分压与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，达平衡时氧的浓度，mol/m3)CC(K)PP(KnL*L*GO2 )Pasm(mol2根据亨利定律，与溶解浓度到达平衡的气体分压与该气体根据亨利定律，与溶解浓度到达平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即：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

12、体的难易程度，与气体、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。溶剂种类及温度有关。*HCP L*HCP iiHCP *OG*G2OPPnK)PP(Kn2 22222OLiOiO*iOiO*Gn)CC(HnPPnPPnPPnPPK1 2211OiGGiOnPPkkPPn2OLiLnCCk1 LLiokCCn/12LGGkHk1K1 由式同理：同理：由于氧气难溶于水，由于氧气难溶于水，H H值很大，值很大， , ,阐明这一过程液膜阻力是主要要素。阐明这一过程液膜阻力是主要要素。LGLkHkK111GHk1Lk1LLkK 3.3.氧传送方程氧传送方程n在气液传质过程中，通

13、常将在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处置，称为体积作为一项处置，称为体积溶氧系数或体积传质系数。溶氧系数或体积传质系数。n在单位体积培育液中，氧的传质速率气液传质的根本方在单位体积培育液中，氧的传质速率气液传质的根本方程式为程式为n )(1)()(*PPHaKPPaKCCaKOTRLGLLOTR单位体积培育液中氧的传送速率， KLa以浓度差为推进力的体积溶氧系数， h-1,s-1 KGa以分压差为推进力的体积溶氧系数,)hm(olkm3)MPahm(olkm34. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系n细胞呼吸的本征要求细胞呼吸的本征要求:n氧传送特征发酵罐传送性能氧传送特征发酵罐传送性能n假设

14、需氧量供氧量，那么消费才干受设备限制，需假设需氧量供氧量，那么消费才干受设备限制，需进一步提高传送才干；进一步提高传送才干；n假设需氧量供氧量，那么消费才干受微生物限制，假设需氧量供氧量，那么消费才干受微生物限制，需挑选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。需挑选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 n供氧与耗氧至少必需平衡，此时可用下式表示：供氧与耗氧至少必需平衡，此时可用下式表示：n 2OQxLLmOOLLCKxCQxQCCaKOTR)()(22*传送传送耗费耗费 对于一个培育物来说，最低的通气条件可由式 求得。 kLa亦可称为“通气效率, 可用来衡量发酵罐的通气情况，高值表示通气条件富有，低值

15、表示通气条件贫乏。LOLCCxQaK*2n在发酵过程中，培育液内某瞬间溶氧浓度变化在发酵过程中，培育液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示可用下式表示:n在稳态时在稳态时,那么那么 ，那么，那么xQCCaKdtdCOLLL2)(*0dtdCLaKxQCCLOL2*由气液传送速率方程)(*LLCCaKOTR 2. kLa的影响要素一影响氧传送的要素一影响氧传送的要素1. 影响推进力影响推进力C*-CL的要素的要素 影响比外表积影响比外表积a的要素的要素 影响液膜传送系数影响液膜传送系数kL的要素的要素 可知，影响氧传送速率的要素即影响供氧的要素有：可知，影响氧传送速率的要素即影响供氧的要素有：1)

16、温度温度n氧 在 水 中 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 ， 在氧 在 水 中 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 ， 在1.01105Pa和温度在和温度在433的范围内，与空气平衡的的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下阅历公式计算纯水中，氧的浓度可由以下阅历公式计算:n n n t温度温度,n Cw*氧在纯水中的溶解度氧在纯水中的溶解度, mol/m3 n n T ，Cw* ，推进力，推进力n 6 .316 .14*tCw2) 溶质n电解质电解质n 1) 对于单一电解质对于单一电解质 n Ce*氧在电解质溶液中的溶解度氧在电解质溶液中的溶解度,

17、mol/m3 n Cw*氧在纯水中的溶解度氧在纯水中的溶解度, mol/m3n CE电解质溶液的浓度电解质溶液的浓度, kmol/m3n KSechenov常数常数,随气体种类随气体种类,电解质种类和温度变电解质种类和温度变化。化。E*e*wKCCClg )C,C(*eE2) 溶质溶质2对于几种电解质的混合溶液：对于几种电解质的混合溶液：式中式中 hi第第i种离子的常数种离子的常数, m3/kmol 离子强度离子强度, kmol/m3 Zi第第i种离子的价数种离子的价数, 第第i种离子的浓度种离子的浓度, kmol/m3 iii*e*wIhCClgEiiiCZ21I EiC2) 溶质续溶质续B

18、. 非电解质非电解质 式中式中 Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3 CN非电解质或有机物浓度非电解质或有机物浓度, kg/m3 k非电解质的非电解质的Sechenov常数常数, m3/kgNnwKCCC*lg)C,C(*nN2) 溶质续溶质续C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3jnjwiiimwCCIhCC*lglg溶质溶质， Cm*3) 溶剂溶剂n通常溶剂为水通常溶剂为水; n氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。 4) 氧分压氧分压n提高空气总压添加罐压，从而提高

19、了氧分压，对提高空气总压添加罐压，从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但添加罐压是有一定限制的。应的溶解度也提高，但添加罐压是有一定限制的。n坚持空气总压不变，提高氧分压，即改动空气中氧的坚持空气总压不变，提高氧分压，即改动空气中氧的组分浓度，如：进展富氧通气等。组分浓度，如：进展富氧通气等。 影响影响KLa的要素的要素 发酵罐的外形，构造几何参数 搅拌器，空气分布器几何参数 通气：表观线速度Ws 操作条件 搅拌：转速N，搅拌功率PG 发酵液体积V，液柱高度HL 发酵液的性质：如影响发酵液性质的外表活性剂、离子 强度、菌体量等。设备参数设备参数综合三类影响要素，有综合三类影响要素，有其中其中

20、 d搅拌器直径，搅拌器直径，m ; 搅拌器转速，搅拌器转速，s-1 ; 液体密度，液体密度，kg/m3; 液体粘度，液体粘度，Pas ; DL分散系数分散系数, m2/s ; 界面张力，界面张力，N/m; Ws 表观线速度，表观线速度，m/s ; g 重力加速度重力加速度, 9.81m/s2),(gDWNdfaKLsLKLa的准数关联式的准数关联式 写成准数式写成准数式( (无因次式无因次式) ) 准数RenoldsNdmRe2LLDdaK212)Nd(23)(2gdN4)(LD5)(sW6)(sWNdSherwoodLLDdaK2准数准数准数 Froude2gdN通气准数3NdQWNdNag

21、ssW气流准数SchmidtLD准数KLa影响要素的分析根据影响要素的分析根据 ： 以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例： 合并化简得：合并化简得：LLDdaK20.065 . 12)(Nd19. 02)(gdN5 . 0)(LD6 . 0)(sW32. 0)(siWND6 . 019. 04 . 028. 05 . 051. 12 . 2gWDdNsLKLa=0.06问题：当设备一定，发酵液性质一定，即问题：当设备一定，发酵液性质一定，即d；、 、DL、g两类要素不变，可否建立两类要素不变，可否建立KLa与操作条件间的独立关联式：如与操作条件间的独立关联式：

22、如 ？WkaKLs2 . 228. 0不行，实测后必需以不行，实测后必需以 进展分析。进展分析。 当通气是重要影响要素时，建立小型罐胜利发酵的关当通气是重要影响要素时，建立小型罐胜利发酵的关 联式或建立放大的关联式要特别小心。联式或建立放大的关联式要特别小心。 当其他条件一定，改动当其他条件一定，改动N、Ws测相应的测相应的KLa，不能根，不能根 据实测数据建立方程据实测数据建立方程 KLaKNWs 当规模扩展后，想建立等当规模扩展后，想建立等KLa放大的关联式更困难，放大的关联式更困难， 只思索只思索N、Ws 时，那么时，那么KLa与与 相差甚远，关相差甚远，关系复杂。系复杂。sGLWVPk

23、aK)(WNsn实践任务中，通常以实践任务中，通常以“单位体积搅拌功率替单位体积搅拌功率替代代“N建立建立KLa表达式，那么实测时拟合得很表达式，那么实测时拟合得很好。好。nPG/ V不仅包含了不仅包含了“N的变化，也真实反映的变化，也真实反映了流态的影响了流态的影响(即即Ws、N与设备及发酵液特性与设备及发酵液特性共同作用共同作用)。A. 搅拌对KLa的影响n转速转速NPG KLan搅拌作用搅拌作用(影响影响KLa原理原理)n将通入培育液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，将通入培育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，即从而增大气液相的接触面积，即aK

24、La溶氧溶氧n搅拌产生涡流，延伸气泡在液体中的停留时间，溶氧搅拌产生涡流，延伸气泡在液体中的停留时间，溶氧n搅拌呵斥湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传送搅拌呵斥湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传送过程的阻力，即过程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧溶氧n搅拌使菌体分散，防止结团，有利于固液传送中接触面积的搅拌使菌体分散，防止结团，有利于固液传送中接触面积的添加，使推进力均一；同时，也减少菌体外表液膜的厚度，添加，使推进力均一；同时，也减少菌体外表液膜的厚度，有利于氧的传送。有利于氧的传送。A. 搅拌对KLa的影响续nN并不是越大越好n 剪切力， 对细胞损伤，对形状破坏n PG，发

25、酵期间搅拌热，添加传热负荷 NB. 通气对KLa的影响: n在通气量在通气量Q较低时较低时, QWs KLaC. 通气、搅拌的关联对KLa的影响 n从公式上看从公式上看, PG, Ws, KLa, 但但Ws的添加是有上限的的添加是有上限的,n n当当Ws (Ws)m, 导致导致PG严重下降严重下降. n Ws (Ws)m， PG ，KLa 当通气量超越一定上限时当通气量超越一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去散到液体中去, 而在大量气泡中空转而在大量气泡中空转, 发生发生“过载景象过载景象, 此时此时搅拌功率搅拌功率PG会大大下降会大大下降, KL

26、a也会大大下降。也会大大下降。 只需只需Q，N同时提高，同时提高，PG才不会大大才不会大大 下降，下降，KLa。C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响 sGLWVPKaKlg)(lglg表观空气速度与表观空气速度与KLa的关系的关系设备规模的影响设备规模的影响n单位体积的液体的搅拌功率的指数单位体积的液体的搅拌功率的指数随培育安装的规模随培育安装的规模而相应变化而相应变化 n 如如: 小试小试 9L=0.95n 中试中试 500L=0.67 n 消费规模消费规模 27T54T=0.50 可见可见, 在放大过程中在放大过程中, KLa在一样条件下会减小在一样条件下会减小.设备外形构造的影响设备外形

27、构造的影响:n如如20T的伍式发酵罐的伍式发酵罐: =0.72, =0.11搅拌器方式的影响搅拌器方式的影响: 、数值不同数值不同 对于值:弯叶平叶箭叶 对于值:弯叶箭叶平叶 但是破碎细胞才干: 平叶箭叶弯叶 翻动流体才干: 箭叶弯叶平叶平叶平叶箭叶箭叶弯叶弯叶此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及此外，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在罐内的相对位置等对KLa都有影响都有影响. 搅拌器方式的影响搅拌器方式的影响外表活性剂的影响外表活性剂的影响 气液界面厚度, 1/kL, kL 气泡变小, a 低浓度外表活性剂时,以a为主, KLa；添加至一定量时, kL降至最

28、低, KLa下降显著；再继续添加时，kL维持最低程度不再下降，而a，此时KLa从最低点有所上升。 外表活性剂的浓度外表活性剂的浓度KLa受两种趋势影响 外表活性剂月桂基磺酸钠外表活性剂月桂基磺酸钠NaLSO4浓度对浓度对KLa、KL和和da(a)的影的影响响离子强度对离子强度对KLa的影响的影响n电解质溶液浓度电解质溶液浓度,那么气泡变小那么气泡变小,a, KLa;n有机溶质浓度有机溶质浓度,那么气泡变小那么气泡变小,a, KLan电解质溶液浓度电解质溶液浓度，传氧特性好，传氧特性好(KLa)，溶氧特性，溶氧特性C*E 差。详细的，离子强度差。详细的，离子强度 I 影响影响KLa公式中的公式中

29、的, k值。值。nI=00.4时时, =0.40+0.862I/(0.274+I), 且且I,常数常数k。I0.4时时, =0.9, k值不再变化。值不再变化。n也随也随I增大而增大，但增大而增大，但I对对的影响较小，的影响较小，在在0.35 0.39之之间变化，不如间变化，不如变化大。变化大。菌体浓度菌体浓度n细胞浓度细胞浓度 x，KLa()菌丝浓度对菌丝浓度对KLa的影响的影响二发酵过程中的氧传送效率二发酵过程中的氧传送效率n定义：每溶解定义：每溶解1kg O2所耗费的电能千瓦小时所耗费的电能千瓦小时/kg O2)定义为氧传送效率或传氧效率。定义为氧传送效率或传氧效率。n意义：意义：n代表

30、每传送代表每传送1kg O2所需输入的能量，这个能量包括搅所需输入的能量，这个能量包括搅拌器和空气紧缩机耗用功率的总能量。拌器和空气紧缩机耗用功率的总能量。n数值越低，传氧效率越高。数值越低，传氧效率越高。n作为评价通气发酵罐的重要目的，可以此作为评价和作为评价通气发酵罐的重要目的，可以此作为评价和比较不同类型的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的比较不同类型的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的一个直接手段。一个直接手段。二发酵过程中的氧传送效率续二发酵过程中的氧传送效率续n传氧效率的测定：传氧效率的测定：Na2SO3氧化法测定氧化法测定n传氧效率的比较传氧效率的比较n对于大罐和小罐，小罐的传氧效率

31、高；对于大罐和小罐，小罐的传氧效率高；n对于一样的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效率对于一样的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效率高；高；n对于规模一样，同为牛顿型流体，但发酵液类别不同，对于规模一样，同为牛顿型流体，但发酵液类别不同，在在 KLa一样时，传氧效率根本一致。一样时，传氧效率根本一致。一溶解氧一溶解氧CL的测定原理与方法的测定原理与方法n化学法化学法n极谱法极谱法n复膜氧电极法复膜氧电极法1 化学法化学法n原理：在样品中参与硫酸锰和碱性原理：在样品中参与硫酸锰和碱性KI溶液，生成氢氧化锰溶液，生成氢氧化锰沉淀，与溶解氧反响生成锰酸锰，再在反响液中参与沉淀，与溶解氧反响生成锰酸锰

32、，再在反响液中参与H2SO4, 释放出游离的碘，然后用规范释放出游离的碘，然后用规范Na2S2O3液滴定。液滴定。n MnSO4+2NaOH Mn(OH)2+Na2SO4n 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2n MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2On MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4n I2+2Na2S2O32NaI十十Na2S4O6 1 化学法续n优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。n缺陷：当样品中存在氧化复原性物质，测定结缺陷：当样品中存在氧化复原性物质，测定结果会有偏向；当样品带有颜色

33、时，会影响测定果会有偏向；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判别，故不适宜测定发酵液的溶解氧浓终点的判别，故不适宜测定发酵液的溶解氧浓度。度。2极谱法极谱法 原理：给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考原理：给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考电极阳极加上直流电压，当电解电压固定在电极阳极加上直流电压，当电解电压固定在0.8V左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生如下氧化复原反响而被耗费，如下氧化复原反响而被耗费， 酸性时酸性时 O2+2H+2e H2O2 中性或碱性时中性或碱性时 O22H2O +2e H2O22OH n 原理：原理：n 阴极外表与液体的主体之

34、间存在氧的浓度差，阴极外表与液体的主体之间存在氧的浓度差，于是液体主体的溶解氧就会分散到阴极的外表于是液体主体的溶解氧就会分散到阴极的外表参与电极反响，使电路中维持一定的电流。当参与电极反响，使电路中维持一定的电流。当氧的分散过程到达稳定形状时，溶解氧浓度与氧的分散过程到达稳定形状时，溶解氧浓度与测得的分散电流成正比。测得的分散电流成正比。氧浓度与分散电流的关系氧浓度与分散电流的关系 ADFLiCCLCL2ADFLiCLL22极谱法极谱法n阴极外表极易被污染，影响重现性，所以普通阴极外表极易被污染，影响重现性，所以普通采用滴汞电板作为阴极，阳极那么可用甘汞电采用滴汞电板作为阴极，阳极那么可用甘

35、汞电极。极。n假设样品中含有其它的氧化复原性物质会影响假设样品中含有其它的氧化复原性物质会影响电极反响，从而影响到该法的准确性，使测定电极反响，从而影响到该法的准确性，使测定结果有误差。结果有误差。3复膜氧电极法复膜氧电极法n复膜氧电极类型：极谱型；原电池型复膜氧电极类型：极谱型；原电池型n原理：复膜氧电极测得的实践为氧从液相主体到阴极的扩原理：复膜氧电极测得的实践为氧从液相主体到阴极的扩 散速率。当分散过程到达稳定形状时，单位面积氧的分散散速率。当分散过程到达稳定形状时，单位面积氧的分散速率为：速率为：n no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)n

36、 根据根据Faraday定律，原电池型氧电极的稳定电流为：定律，原电池型氧电极的稳定电流为：n i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPLn 溶氧电极测定的实践是液体中的氧分压溶氧电极测定的实践是液体中的氧分压 复膜氧电极表示图 a a极谱型极谱型 b b原电池型原电池型复膜氧电极内外氧电压的分布复膜氧电极内外氧电压的分布c二摄氧率二摄氧率的测定原理与方法的测定原理与方法 n瓦氏呼吸仪法瓦氏呼吸仪法n物料衡算法物料衡算法n氧电极法氧电极法1瓦氏呼吸仪法瓦氏呼吸仪法n经过测压计测定密闭经过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速三角瓶的压力变化速率即氧的耗费速率，率即氧的耗费速率，根据培育液体积

37、计算根据培育液体积计算摄氧率。摄氧率。2物料衡算法物料衡算法0dtdCL 稳态时，稳态时，LOoooiiiLLXVQRTpQRTpQdtdCV2)(12oooiiiLORTpQRTpQVXQ3氧电极法氧电极法n假设在某一时辰停顿向发酵液通气，而维持原来的搅假设在某一时辰停顿向发酵液通气，而维持原来的搅拌转速，那么拌转速，那么CLCcrXQdtdCOL2 KLa KLa的测定原理与方法的测定原理与方法n亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法n取样极谱法取样极谱法n物料衡算法物料衡算法n动态法动态法n排气法排气法n复膜电极法复膜电极法1 亚硫酸盐氧化法n原理原理n利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速

38、氧化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送系数。的特性来测定发酵设备的氧传送系数。n当亚硫酸钠浓度为当亚硫酸钠浓度为0.0180.5kmol/m3、温度在、温度在2045之间，反响速度与亚硫酸钠浓度无关。之间，反响速度与亚硫酸钠浓度无关。n用碘量法测定用碘量法测定Na2SO3 耗费的速率，即可求得氧传送耗费的速率，即可求得氧传送速率速率OTR, 再由式再由式OTR=KLaC*求出求出 KLa 。n 2Na2SO3+O22Na2SO4n H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HIn 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2NaI1亚硫酸盐氧化法续亚硫酸

39、盐氧化法续n亚硫酸盐氧化法值亚硫酸盐氧化法值Kd )min/(40002MPamlmolOStpCVpOTRKd1亚硫酸盐氧化法续亚硫酸盐氧化法续n优点优点n氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反响速度快，不氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反响速度快，不需特殊仪器。需特殊仪器。n缺陷缺陷n不及极谱法准确；不及极谱法准确；n只能评价发酵罐的传氧性能，且任务容积在只能评价发酵罐的传氧性能，且任务容积在4-80L以内以内才较准确可靠；才较准确可靠；n不能对发酵过程实测，不能对发酵过程实测，Na2SO3对微生物生长有影响，对微生物生长有影响，且发酵液的性质影响氧的传送。且发酵液的性质影响氧的传送。2取样极

40、谱法取样极谱法n原理原理n当电解电压为当电解电压为0.61.0V时，分散电流的大小与液体中时，分散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。溶解氧的浓度呈正比关系。n由式由式 求得求得KLa n优点：可以测定培育形状下发酵液中的溶解氧浓度，优点：可以测定培育形状下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算出溶氧系数。进而可计算出溶氧系数。n缺陷：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，缺陷：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与在发酵与在发酵 罐中的实践情况不完全一致，因此误差罐中的实践情况不完全一致，因此

41、误差较大。较大。LLOLLCCCCXQCCaK*2*斜率极谱法任务曲线极谱法任务曲线(3)物料衡算法物料衡算法 n对发酵液中的氧进展物料衡算对发酵液中的氧进展物料衡算 )(*LLLCCaKdtdC0dtdCL稳态时稳态时)/(*LLCCaK于是于是对大型发酵罐，可用平均推进力对大型发酵罐，可用平均推进力 )()(ln)()()(*LoLiLoLimLCCCCCCCCCC4动态法动态法n原理原理n 发酵过程中停顿通气片刻，人为制造一个不稳定形发酵过程中停顿通气片刻，人为制造一个不稳定形状来求状来求KLa。不稳定形状时发酵液中某一时间间隔的。不稳定形状时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为：溶氧量为：n 可改写为可改写为n xQCCaKdtdCOLLL2*)(*2)(1(CxQdtdCaKCOLLL*)(1(CdtdCaKLL停气停气t1, C1 C2, =QO2x=通气通气t2， C2