第7章-发酵工业中氧的供需.

1、第第7章章发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需本章内容本章内容一、细胞对氧的需求（为什么要供氧？为什么要控制一、细胞对氧的需求（为什么要供氧？为什么要控制溶氧？）溶氧？）二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何控制二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何控制溶氧？）溶氧？）三、影响氧传递的因素三、影响氧传递的因素四、摄氧率、溶解氧、四、摄氧率、溶解氧、KLa（溶氧系数）的测定（溶氧系数）的测定 溶氧（溶氧（DO）是需氧微生物生长所必需。在发酵）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。因素。 在在28

2、氧在发酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只的空气饱和浓度只有有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在对倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）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。钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。 q 微生物对氧的需求微生物对氧的需求q 发酵液中氧的供给发酵液中氧的供给q 影响影响KLa的因素（供氧的调节）的因素（供氧的调节）q 与溶氧相关的参数测定与溶氧相关的参数测定q 发酵过程中溶氧

3、监控的意义发酵过程中溶氧监控的意义（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）v呼吸作用呼吸作用 v直接参与一些生物合成反应直接参与一些生物合成反应 COOHCHOHCHCHO3232（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征v只有溶解状态的氧才能被微生物利用。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（一）、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：）：单位时间内单位重量单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1

4、摄氧率（摄氧率（r）：）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X（二）、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响（二）、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr: 临界溶氧浓度，临界溶氧浓度，指不影响呼吸所允许的最低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：一般对于微生物： Cr115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.610-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.210-2 mmol.L-1, 8.8%定义：定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液

5、中氧的浓度/临界溶氧溶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：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中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。氧很容易满足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：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： 头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5% (相对于饱和浓度）相对于饱和浓度） 13%产物产物 1

6、3% 8%（三）、影响需氧的因素（三）、影响需氧的因素r= QO2 .Xq 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件影响微生物耗氧的因素影响微生物耗氧的因素v微生物本身遗传特征的影响微生物本身遗传特征的影响v培养基的成分和浓度培养基的成分和浓度碳源种类碳源种类 耗氧速率：油脂或烃类耗氧速率：油脂或烃类 葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 培养基浓度培养基浓度 浓度大，浓度大，QO2 ；浓度小，；浓度小， QO2菌龄的影响：一般幼龄菌菌龄的影响：一般幼龄菌QO2大，晚龄菌大，晚龄菌QO2小小影响微生物耗

7、氧的因素（续）影响微生物耗氧的因素（续）v 发酵条件的影响发酵条件的影响 pH值值 通过酶活来影响耗氧特征通过酶活来影响耗氧特征; 温度温度 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T ，DO2 v 代谢类型（发酵类型）的影响代谢类型（发酵类型）的影响 若产物通过若产物通过TCA循环获取循环获取, ,则则QO2高高，耗氧量大耗氧量大 若产物通过若产物通过EMP途径获取途径获取, ,则则QO2低，耗氧量小低，耗氧量小v溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适了解长菌阶段

8、和代谢产物形成阶段的最适需氧量需氧量。 v氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。v目前，在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧目前，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动力消耗，且减少泡沫形成和染菌的机会, , 大大提高大大提高设备利用率。设备利用率。溶解氧控制的意义溶解氧控制的意义供氧的实现形式供氧的实现形式 摇瓶水平：摇床转速慢，装量多摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和搅拌缓和，通气缓和 表

9、面通气，膜透析（扩散）表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少摇瓶水平：转速快，装量少 通无菌空气并搅拌通无菌空气并搅拌 气升式气升式 发酵罐水平发酵罐水平需氧量小需氧量小发酵罐发酵罐需氧量大需氧量大 二、反应器中氧的传递二、反应器中氧的传递 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（一）、发酵液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/hpAcA pA,i cA,i气气膜膜液液膜膜相界

10、面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体传质方向传质方向双膜理论示意图双膜理论示意图溶溶质质A在在气气相相中中的的分分压压溶溶质质A在在液液相相中中的的摩摩尔尔浓浓度度湍流扩散湍流扩散分子扩散分子扩散湍流扩散湍流扩散气相液相pApAicAicAcApAFGHEGE)(AiAAsmLLccccDN)(AiAppPPRTDNABmGG液相有效层流膜厚气相有效层流膜厚双模模型双模模型界面界面 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。浓度的差值来表示。（1） 以（以（p-pe）表示总推动力表示总推动力双膜理论：双膜理论： p

11、i=ci /H亨利定律：亨利定律： pe=c/H 液相吸收速率方程液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)气相吸收速率方程气相吸收速率方程NA=kG(p-pi)eGLAppkHkN)11(代入代入总吸收速率方程总吸收速率方程令令GLGkHkK111式中式中 KG气相总吸收系数，气相总吸收系数，kmol/(m2skPa) 对于易溶气体，对于易溶气体，H值很大值很大，则有：，则有：1/HkL1/kG，此时传质阻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。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/KG 1/kG 或或 KG kG 对于

12、气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相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。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，此种情况称为大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为“气膜控制气膜控制”（gas-film control）。）。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。（2）以（）以（Ce-C）表示总推动力表示总推动力eGLAppkHkN)11(HcHckHkNeGLA)11(cckHkNeGLA)1(GLLkHkK11令令代入代入N

13、A=KL(ce-c)KL液相总吸收系数，液相总吸收系数，m/s 对于难溶气体，对于难溶气体，H值很小，值很小，则有：则有：H/kG1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体量小时菌体量较小，采用小通风较小，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。定要把握好。例：例： 生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml初期初期 与与 前期前期（三）、发酵过程中溶氧浓度监控的意义（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、考察工艺控制是否满足要求2、其它异常情况的表征、其它异常情况的表征 染菌、噬菌体、设备和操作故障染菌、噬菌体、设备和