【发酵工程】-发酵工业中氧的供给

1、第七章发酵工业中氧的供需本章内容一、微生物细胞对氧的需求二、发酵过程中氧的传递三、影响氧传递的因素四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定一、微生物细胞对氧的需求一氧在微生物发酵中的作用二可利用氧的特征二微生物的耗氧特征四溶解氧控制的意义一氧在微生物发酵中的作用对于好气性微生物而言呼吸作用 直接参与一些生物合成反响 二可利用氧的特征只有溶解状态的氧才能被微生物利用。微生物的耗氧特征(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 x细胞浓度，kg(干重)/m32

2、. 培养过程中细胞耗氧的一般规律培养初期： QO2逐渐增高，x较小。在对数生长初期：到达(QO2 )m，但此时x较低， 并不高。C. 在对数生长后期：到达m, 此时 QO2 (QO2 )m ， x葡萄糖 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4. 影响微生物耗氧的因素续 发酵条件的影响 pH值 通过酶活来影响耗氧特征; 温度 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T , DO2 代谢类型(发酵类型)的影响 假设产物通过TCA循环获取,那么QO2高,耗氧量大 假设产物通过EMP途径获取,那么QO2低,耗氧量小溶解氧浓度对细胞生长和产物

3、合成的影响可能是不同的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。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,从而降低设备费和动力消耗,且减少泡沫形成和染菌的时机, 大大提高设备利用率。 四溶解氧控制的意义疣孢漆斑霉在分批培养时呼吸强度的变化 二、发酵过程中氧的传递 1. 氧的传递途径与传质阻力2. 气体溶解过程的双膜理论 3. 氧传递方程4.发酵过程耗氧与供氧的动态关系氧的传递途径与传质阻力1.氧的传递途径与传质阻力氧从气泡到细胞的传递过程示意图气膜传递阻力1/kG 气液界面传递阻力1/kI 液膜传递阻

4、力1/kL液相传递阻力1/kLB细胞或细胞团外表的液膜阻力1/kLC 固液界面传递阻力1/kIS细胞团内的传递阻力1/kA细胞膜、细胞壁阻力1/kW 反响阻力1/kR供氧方面的阻力耗氧方面的阻力供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力 耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力气体溶解过程的双膜理论双膜理论的气液接触(1)双膜理论的根本前提(三点假设)1、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；气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以浓度差方式透过双膜；气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；液膜以

5、外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一点氧浓度、氧分压相等。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。(2) 传质理论传质到达稳态时，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，MPa 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，m/h假设改用总传质系数和总推动力，那么在稳定状态时， 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/

6、s P*与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，Pa C*与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3X-摩尔分数B-物质的量C-浓度亨利定律：某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比.适用范围1气体在液体中溶解度不是很高时亨利定律才是适用的2溶质在气相中和液相中的分子状态相同离解、缔合时不可以根据亨利定律，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：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。T升高，溶质挥发能力强，H大T升高，气体的溶解度小气体H2N2O2COCO2CH4C2H2C2H4H水为溶剂7.28.684.405.790.166

7、4.180.1361.16H苯为溶剂0.3670.2390.1630.1140.0569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。3.氧传递方程在气液传质过程中，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根本方程式为 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 KGa以分压差为推动力的体积溶氧系数, 发酵过程耗氧与供氧的动态关系 1.Ccr的定义微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶

8、氧浓度，称为临界氧浓度，以Ccr表示。CL Ccr，QO2 保持恒定CLCcr时， QO2 (QO2)m(2) 当CL平叶箭叶 对于值:弯叶箭叶平叶 但是破碎细胞能力: 平叶箭叶弯叶 翻动流体能力: 箭叶弯叶平叶此外，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KLa都有影响. 平叶箭叶弯叶A. 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降至最低, KLa下降显著 外表活性剂的浓度KLa受两种趋势影响 B. 离子强度对KLa的影响电解质溶液浓度,那么气泡变小,a, KLa;有机溶质浓度,那么气泡

9、变小,a, KLa电解质溶液浓度，传氧特性好(KLa),溶氧特性C*E 差.C. 菌体浓度细胞浓度 x，KLa菌丝浓度对KLa的影响二发酵过程中的氧传递效率定义：每溶解1kg O2所消耗的电能千瓦小时/kg O2)定义为氧传递效率或传氧效率。意义：代表每传递1kg O2所需输入的能量，这个能量包括搅拌器和空气压缩机耗用功率的总能量。数值越低，传氧效率越高。作为评价通气发酵罐的重要指标，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一个直接手段。一溶解氧CL的测定原理与方法化学法极谱法复膜氧电极法1 化学法原理：在样品中参加硫酸锰和碱性KI溶液，生成氢氧化锰沉淀，与溶解氧反响生成

10、锰酸锰，再在反响液中参加H2SO4, 释放出游离的碘，然后用标准Na2S2O3液滴定。 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2十Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十Na2S4O6 1 化学法优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。缺点：当样品中存在氧化复原性物质，测定结果会有偏差；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判断，故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。2极谱法 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

11、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如下氧化复原反响而被消耗， 酸性时 O2+2H+2e H2O2 中性或碱性时 O22H2O +2e H2O22OH 原理： 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扩散到阴极的外表参加电极反响，使电路中维持一定的电流。当氧的扩散过程到达稳定状态时，溶解氧浓度与测得的扩散电流成正比。氧浓度与扩散电流的关系 2极谱法阴极外表极易被污染，影响重现性，所以一般采用滴汞电板作为阴极，阳极那么可用甘汞电极。如果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，使测定结果有误差。3复膜氧电极法复膜

12、氧电极类型：极谱型；原电池型原理：复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩 散速率。当扩散过程到达稳定状态时，单位面积氧的扩散速率为： no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根据Faraday定律，原电池型氧电极的稳定电流为： i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPL 溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压 复膜氧电极示意图 a极谱型 b原电池型复膜氧电极内外氧电压的分布c二摄氧率的测定原理与方法 瓦氏呼吸仪法物料衡算法氧电极法1瓦氏呼吸仪法通过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速率即氧的消耗速率，根据培养液体积计算摄氧率。2物料衡算法 稳

13、态时，3氧电极法如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅拌转速，那么CLCcr KLa的测定原理与方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1 亚硫酸盐氧化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。当亚硫酸钠浓度为0.0180.5kmol/m3、温度在2045之间，反响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 。 2Na2SO3+O22Na2SO4H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2Na

14、I1亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法值Kd 1亚硫酸盐氧化法优点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。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。2取样极谱法原理当电解电压为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。由式 求得KLa 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

15、误差较大。 极谱法工作曲线(3)物料衡算法 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 4动态法原理 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 停气t1, C1 C2, =QO2x=通气t2， C2 C1，将CL对 作图可得一直线，斜率为1/KLa, 在CL轴上截距为C*. 停气和通气后培养液中溶氧浓度的变化情况利用动态过程测得的数据求出KLa和C*优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解氧浓度，并可计算出溶氧系数。缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定的误差。4动态法5排气法原理 在被测定的发酵罐中先用氮气赶去液体中的溶解氧或装入已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl溶液，当开始通气及搅拌后，定时取样用极谱仪或其它溶氧测定仪测出溶氧浓度CL，