生化工程 第四章 通气与搅拌

1、第四章第四章 通气与搅拌通气与搅拌 引言引言 大多数发酵微生物是好气型的。大多数发酵微生物是好气型的。 葡萄糖的氧化可表示为：葡萄糖的氧化可表示为： C6H12O6 + 6O26H2O + 6CO2 + ATP 由于氧是难溶气体，一次供氧，难以满足菌由于氧是难溶气体，一次供氧，难以满足菌体用于碳源完全呼吸所需的氧，所以需要不断体用于碳源完全呼吸所需的氧，所以需要不断通气。通气。 通气和搅拌是工业发酵过程的重要内容。通气和搅拌是工业发酵过程的重要内容。4 通气与搅拌通气与搅拌 4-1 微生物的需氧和溶解氧控制微生物的需氧和溶解氧控制 一、细胞对氧的需求一、细胞对氧的需求 1、氧是细胞的成分。、氧

2、是细胞的成分。 2、微生物只能利用溶解于基质中的氧。、微生物只能利用溶解于基质中的氧。 3、不同、不同M有不同的氧需求。有不同的氧需求。 二、呼吸强度二、呼吸强度(比耗氧速率比耗氧速率)和耗氧速率和耗氧速率(摄氧率摄氧率) 是两种表示微生物吸氧量的方法。是两种表示微生物吸氧量的方法。 1、呼吸强度、呼吸强度(QO2)：单位重量干菌体在单位时：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量。（间内的吸氧量。（mg分子分子氧氧/g干菌体干菌体h） 体现微生物的相对需氧量。体现微生物的相对需氧量。 2 2、耗氧速率、耗氧速率()：指单位体积培养液在单位时指单位体积培养液在单位时间内吸氧量。间内吸氧量。(mg分子

3、分子氧氧/Lh) QO2X 对一定微生物来说，细胞浓度直接影响培养对一定微生物来说，细胞浓度直接影响培养液的吸氧量。液的吸氧量。 三、影响微生物需氧量的因素三、影响微生物需氧量的因素 1.1.碳源种类碳源种类 碳源种类不同，利用速度不同。碳源种类不同，利用速度不同。 C6H12O6+6O26H2O+6CO2 2.2.碳源浓度碳源浓度 与碳源浓度是否成为限制性有关。与碳源浓度是否成为限制性有关。 3.培养条件培养条件(pH、T) pH、T 影响生长速率和产物生成速率。影响生长速率和产物生成速率。 4.(有害有害)代谢产物代谢产物 抑制细胞呼吸作用。抑制细胞呼吸作用。 5.培养时期的影响培养时期的

4、影响 不同时期微生物生命活动能力不同。不同时期微生物生命活动能力不同。 注意：注意：溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同。响可能不同。 四、微生物的临界氧浓度四、微生物的临界氧浓度Cc 微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求临界氧浓度临界氧浓度Cc。 当不存在限制性基质时，耗氧速率因基质中当不存在限制性基质时，耗氧速率因基质中氧浓度不同而异。若氧浓度不同而异。若CCc，细胞比耗氧速率，细胞比耗氧速率保持恒定；若保持恒定；若CCc，细胞比耗氧速率会下降，细胞比耗氧速率会下降，并随并随C下降而下降。下降而下降。 常见微生物

5、的临界氧浓度见下表。常见微生物的临界氧浓度见下表。 五、溶解氧控制的意义五、溶解氧控制的意义 研究溶解氧控制的意义在于：研究溶解氧控制的意义在于： 1.1.满足生产需要；满足生产需要； 2.2.节能、降耗；节能、降耗；1.供氧：气体主流供氧：气体主流气膜气膜气液界面气液界面液液膜膜液体主流。液体主流。2.耗氧：液体主流耗氧：液体主流细胞周围液膜细胞周围液膜菌丝菌丝体丛体丛细胞膜细胞膜细胞。细胞。氧的传氧的传递途径递途径 4-2 传质理论传质理论 一、氧传递途径与传质阻力一、氧传递途径与传质阻力 两个过程，八种阻力，按不同情况，阻力重两个过程，八种阻力，按不同情况，阻力重要性不同。要性不同。 (

6、一一)氧在发酵过程中的传递途径氧在发酵过程中的传递途径 (二二)传质阻力传质阻力 1.气膜阻力气膜阻力1/k1：气体主流与气液界面间的阻：气体主流与气液界面间的阻力，与空气情况有关。力，与空气情况有关。 2.气液界面阻力气液界面阻力1/k2：氧穿过气液界面的阻力，：氧穿过气液界面的阻力，与空气情况和氧分子所具有的能量有关。与空气情况和氧分子所具有的能量有关。 3.液膜阻力液膜阻力1/k3：气液界面到液体主流间的阻：气液界面到液体主流间的阻力，与发酵液成分和浓度有关。力，与发酵液成分和浓度有关。 4.液流阻力液流阻力1/k4：液体流动对氧传递的阻力，：液体流动对氧传递的阻力，与流动程度和流动形式

7、有关。与流动程度和流动形式有关。 2.2.耗氧方面耗氧方面 (1)(1)液膜阻力液膜阻力1/k1/k5 5：与发酵液浓度、成分和细：与发酵液浓度、成分和细胞特性等有关。胞特性等有关。 (2)(2)扩散阻力扩散阻力1/k1/k6 6：与微生物种类、生理特性：与微生物种类、生理特性有关。有关。 (3)(3)胞膜阻力胞膜阻力1/k1/k7 7：与微生物生理特性有关，：与微生物生理特性有关，取决于细胞运载方式和能力。取决于细胞运载方式和能力。 (4)(4)反应阻力反应阻力1/k1/k8 8：氧分子与细胞内呼吸酶系：氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力，与微生物种类、生理特性有关。反应时的阻力，与微生物种

8、类、生理特性有关。 总结分析总结分析 在供氧方面，液膜阻力在供氧方面，液膜阻力(1/k(1/k3 3) )比较显著；比较显著； 在耗氧方面，细胞膜阻力在耗氧方面，细胞膜阻力(1/k(1/k6 6) )比较显著；比较显著； 只要发酵条件合适，微生物耗氧不是矛盾的只要发酵条件合适，微生物耗氧不是矛盾的主要方面。氧的溶解问题是影响微生物利用氧主要方面。氧的溶解问题是影响微生物利用氧效率高低的最大因素。效率高低的最大因素。 二、气体溶解过程的双膜理论二、气体溶解过程的双膜理论 1.1.气液两相间存在稳定的相界面，界面两侧气液两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一层有效膜，溶质各有一层有效膜，溶质( (

9、氧氧) )以分子扩散的传质以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。方式由气相主体进入液相主体。 2.2.在相界面处，气液两相达到平衡。在相界面处，气液两相达到平衡。 3.3.在气、液两相主体中，溶质在气、液两相主体中，溶质( (氧氧) )浓度均匀。浓度均匀。 过程：氧过程：氧 由气相由气相气液界面气液界面液相液相气膜气膜液膜液膜p pp pi ip-pp-pi iC Ci i-C-CL L气膜气膜液膜液膜气液气液界面界面C Ci iC CL L 氧溶解必需穿过两层膜：氧溶解必需穿过两层膜： 气体主流气体主流气液界面，氧分压差气液界面，氧分压差( (p-pp-pi i) )； 气液界面气液界

10、面液体主流，氧浓度差液体主流，氧浓度差( (C Ci i- -C CL L) )； 与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别是气膜阻力是气膜阻力(1/(1/k kG G ) )和液膜阻力和液膜阻力(1/(1/k kL L) )。 单位接触面氧的传递速率单位接触面氧的传递速率N NA A为：为：）式（阻力推动力15)()(/1/1LiLiGLLiGiACCkppkkCCkppNN NA A ：氧的传递速率：氧的传递速率(Kg(Kg分子分子O O2 2/M/M2 2h)h)p,pp,pi i：气相和气液界面处氧分压：气相和气液界面处氧分压(atm)(atm)C

11、Ci i,C,CL L：气液界面和液相中氧浓度：气液界面和液相中氧浓度(Kg(Kg分子分子O O2 2/M/M3 3) )k kG G：气膜传质系数：气膜传质系数(Kg(Kg分子分子O O2 2/M/M2 2h hatm)atm)k kL L：液膜传质系数：液膜传质系数(M/h)(M/h) 氧分压氧分压pi和氧浓度和氧浓度Ci难测定，改用总传质系难测定，改用总传质系数数KG或或KL和总推动力。和总推动力。 则，在稳定传递状态时，则，在稳定传递状态时，）式（ 25)()(LLGACCKppKNp p* *：与液相氧浓度：与液相氧浓度C CL L平衡的氧分压；平衡的氧分压；C C* *：气相中氧分

12、压：气相中氧分压P P 达平衡时的氧浓度；达平衡时的氧浓度；K KG G：以氧分压差为推动力总传质系数；：以氧分压差为推动力总传质系数；K KL L：以氧浓度差为推动力总传质系数；：以氧浓度差为推动力总传质系数； 其中，其中，kG或或kL与与KG或或KL的关系，可根据的关系，可根据亨利亨利定律定律来求得，即：来求得，即：LiiHCpHCpHCp）式（ 35 根据式（根据式（5 51 1）有：）有：）式（所以有：；451111)(1LGGALiLAiGALiAiAiAiAGAGkHkKNCCkNppkNCCHNppNppNppNppKppNK 同样可以证明：同样可以证明：）式（55111LGLk

13、HkK 由式由式(5-4)和和(5-5)，有如下讨论：，有如下讨论： (1)易溶气体，易溶气体，H很小，则很小，则KGkG 。为气膜控制。为气膜控制过程。过程。 (2)难溶气体。难溶气体。H很大，则很大，则KLkL 。为液膜控制。为液膜控制过程。过程。 (3)氧为难溶气体，为液膜阻力氧为难溶气体，为液膜阻力(传质系数传质系数)控制，控制，所以下面介绍氧传质方程。所以下面介绍氧传质方程。 三、氧传质方程式三、氧传质方程式 采用体积溶氧系数或体积传质系数：采用体积溶氧系数或体积传质系数：KLa(或或KGa)，据此氧传质，据此氧传质(溶氧速率溶氧速率)方程可表示为：方程可表示为：）式（ 65)(1)

14、()(ppHaKppaKCCaKNLGLL 发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：）式（）式（85)(75)(*22LOLOLLCCXQaKXQCCaK 实际发酵体系中，这种平衡是暂时的。即体实际发酵体系中，这种平衡是暂时的。即体系中氧浓度是动态变化的，可表示：系中氧浓度是动态变化的，可表示：aKQCCdtdCXQCCaKdtdCLOLOLL22*095)(则有：稳定状态时：）式（ KLa值高，表明罐的通气状况好值高，表明罐的通气状况好（？）（？） ，反之则差。反之则差。 4- 3 影响氧供给的因素影响氧供给的因素 根据气液传质速率方程式：根据气液传质

15、速率方程式：)(1)(ppHaKCCaKNLLL 可知：凡影响推动力可知：凡影响推动力(C*CL)或或(pp* )、比、比表面积表面积a和传质系数和传质系数KL的因素，都会影响氧传的因素，都会影响氧传递速率。递速率。 一、影响推动力的因素一、影响推动力的因素 1.1.温度温度 氧是气体，它在水中的溶解度随温度升高而氧是气体，它在水中的溶解度随温度升高而降低。在常压、降低。在常压、4-334-33内，纯水中氧的浓度内，纯水中氧的浓度C CW W* *为：为：CTMmolCTCww:,/:6 .316 .143 2.2.电解质电解质 盐析作用可降低氧的溶解。在电解质溶液中，盐析作用可降低氧的溶解。

16、在电解质溶液中，有如下关系式：有如下关系式：EewKCCClg ：氧在水的溶解度；：氧在水的溶解度；mol/Mmol/M3 3 ：氧在电解质溶液中的溶解度：氧在电解质溶液中的溶解度; mol/M; mol/M3 3 ：电解质溶液的浓度；：电解质溶液的浓度；kmol/Mkmol/M3 3K K ：SechenovSechenov常数；常数；wCeCEC 存在几种电解质时，有：存在几种电解质时，有：):(21/lg3离子浓度：离子价数；种离子的常数，：第其中，iCiZCZIkmolmihIhCCEiiEiiiiiiiew 3.3.非电解质非电解质 在非电解质溶氧中，氧的溶解度随溶质浓度在非电解质溶

17、氧中，氧的溶解度随溶质浓度增加而降低，其规律类似于电解质溶液：增加而降低，其规律类似于电解质溶液：NnwKCCClg ：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； ：非电解质中溶质的浓度或有机物浓度；：非电解质中溶质的浓度或有机物浓度；nCNC 4.氧分压氧分压 (1)增加罐压增加罐压 提高罐压可提高氧分压。提高罐压可提高氧分压。 (2)提高空气中氧的含量提高空气中氧的含量(富氧通气富氧通气) a. 深冷分离深冷分离 b. 吸附分离吸附分离 c. 膜分离膜分离 (3)提高提高H/D 二、影响二、影响KLa的因素的因素 KLa是是a与与KL合并作为一个参数，实际中影合并作为一个参

18、数，实际中影响该参数的因素有：响该参数的因素有： (一一) 操作条件操作条件 1.搅拌搅拌 A.搅拌的作用：搅拌的作用： (1)打碎，防合并，增大气液接触面积；打碎，防合并，增大气液接触面积； (2)产生涡流，螺旋，延长停留时间；产生涡流，螺旋，延长停留时间； (3)产生湍流，减厚度，降阻力；产生湍流，减厚度，降阻力； (4)均匀混合，利吸收和积累；均匀混合，利吸收和积累； 主要形式有：主要形式有： B.搅拌器搅拌器 (1)型式：旋桨式，轴向推动；涡轮式，径向推动，型式：旋桨式，轴向推动；涡轮式，径向推动，形成上下两个翻动；后者常被采用。多组时，上形成上下两个翻动；后者常被采用。多组时，上常为

19、平桨式，下常为涡轮式；常为平桨式，下常为涡轮式； (2)转速转速n和直径和直径d：影响溶氧水平和混合程度。：影响溶氧水平和混合程度。PH搅搅Q搅搅n3d5，搅拌循环量，搅拌循环量Q搅搅nd3，H搅搅n2d2；增加；增加n对提高溶氧有利，增加对提高溶氧有利，增加d对均匀混合对均匀混合有利。有利。(3)(3)间距间距( (相对位置相对位置) )：太大，产生搅拌死角；太小，：太大，产生搅拌死角；太小，相互干扰；因流体力学性质不同而有所差别，牛相互干扰；因流体力学性质不同而有所差别，牛顿型顿型:d=(3-4)D:d=(3-4)D，非牛顿型，非牛顿型:d 2D:d 溶解溶解； B.主要过程：主要过程：

20、(1)将配制好的将配制好的Na2SO3和和Cu2+离子置于发酵罐离子置于发酵罐或三角瓶中或三角瓶中; (2)通气、搅拌或摇瓶，通气、搅拌或摇瓶，2SO32-O22SO42-。 (3)某时刻，取样，某时刻，取样，+过量过量I2液。液。 2SO32-I22SO42-； 用标准用标准Na2S2O3反滴定。记录体积数反滴定。记录体积数V1。 (2S2O32-I22S4O62-)， (4)间隔间隔t后，重复测定，记录体积数后，重复测定，记录体积数V2。 两次测定，消耗的两次测定，消耗的Na2S2O3体积差体积差V=V2-V1，按一定关系体现为这段时间溶入的按一定关系体现为这段时间溶入的O2的量。的量。

21、即有：即有：22323222322121OSOSOIIOS223241OOS 由此可得由此可得氧的平均溶解速率氧的平均溶解速率N N ：见见P67:4-17P67:4-17)(12322VVnVnMOSNa)(110001)(41121212tttSttVVnN 则溶氧系数则溶氧系数K Kd d： 因为：溶液中氧浓度为零因为：溶液中氧浓度为零( (一溶入即被消耗一溶入即被消耗) )。 所以所以: p: p* *=0=0ppNKppKNdd)()/(4000atmmmlgtSpVnKd氧分子 此法特点：此法特点： (1)氧溶解速率与氧浓度无关，反应速度快，简氧溶解速率与氧浓度无关，反应速度快，简

22、单；单； (2)只能测定反应器中只能测定反应器中Na2SO3溶液的溶氧系数，溶液的溶氧系数，不能真实反映发酵液状况；不能真实反映发酵液状况； 二、极谱法二、极谱法 (一一)取样极谱法取样极谱法 取出样品置入极谱仪中，记下对应时刻的取出样品置入极谱仪中，记下对应时刻的氧浓度氧浓度CL。以。以CL对对t作图，得如图所示的曲线。作图，得如图所示的曲线。时间时间(min)(min)C CL LC C* * 从图可以看出，曲线的斜率：从图可以看出，曲线的斜率： ( (此时只有耗氧，而无氧溶解此时只有耗氧，而无氧溶解) )dtdCL 再根据体系处于平衡时来计算再根据体系处于平衡时来计算KLa：XQCCaK

23、dtdCOLLL2)(LLOLCCCCXQaK*2 取样极谱法的特点：取样极谱法的特点： (1)(1)简单，快速；简单，快速； (2)(2)在罐外测定，不是发酵状况，因而也存在在罐外测定，不是发酵状况，因而也存在一定误差；一定误差； ( (二二) )排气极谱法排气极谱法 也是一种非发酵状态下的测定方法。其方法也是一种非发酵状态下的测定方法。其方法是：是： (1)(1)充氮气，充氮气，赶出其中的氧赶出其中的氧； (2)(2)通气和搅拌，通气和搅拌，测定溶氧浓度值测定溶氧浓度值。作图可得。作图可得到下图：到下图：时间时间t tC CL LC* 在这种状态下有：在这种状态下有：)()(LLLLLLC

24、CaKdtdCCCaKdtdC即：即： 积分后可得积分后可得: :taKCCLL)ln(时间时间斜率斜率-KLa 此法特点：此法特点： 省时省时，又能用于测定在非发酵状态下发酵设，又能用于测定在非发酵状态下发酵设备的通气效率。工业测定需用备的通气效率。工业测定需用大量的氮气大量的氮气，且，且难以代表整个发酵液的特征难以代表整个发酵液的特征。 三、复膜电极法三、复膜电极法 过程：发酵过程停止通气片刻，溶解氧因被过程：发酵过程停止通气片刻，溶解氧因被生产菌利用而浓度降低。生产菌利用而浓度降低。人为地制造一个不稳人为地制造一个不稳定的状态定的状态(溶氧和耗氧速率不平衡溶氧和耗氧速率不平衡)，来求，来

25、求KLa。 不稳定状态时不稳定状态时，发酵液中某时间间隔的溶氧，发酵液中某时间间隔的溶氧量为：量为：*)(1()()(2CdtdCaKCCCaKXQCCaKdtdCLLLLLOLLLC CL Lt tC1C2Ct1t2t3AB 其测定步骤为：其测定步骤为：停止停止对发酵罐对发酵罐供气供气，此时由，此时由于于菌体的呼吸作用而使溶氧浓度直线下降菌体的呼吸作用而使溶氧浓度直线下降。图。图中的直线中的直线AB的斜率即为所测的菌体呼吸率。的斜率即为所测的菌体呼吸率。该过程可用下式表达：该过程可用下式表达：122121ttCCCC停止通气，氧浓度由 在在B点重新开始供气点重新开始供气使溶氧浓度开始增加，直使溶氧浓度开始增加，直至达到浓度为至达到浓度为C。在这段时间中所观察到的溶。在这段时间中所观察到的溶氧浓度的增值氧浓度的增值BC，即为氧传递至溶液和被菌，即为氧传递至溶液和被菌体呼吸后的差值体呼吸后的差值，该过程可用下式表达：，该过程可用下式表达：2321ttCCdtdC 经过经过几次同样的操作几次同样的操作，得到，得到几组几组不同的不同的dC/dt, 值，值，CL值