07-2 发酵工业中氧的供需

1、第四章 传氧与通气搅拌9/26/20221本章主要内容一、概述二、微生物有氧呼吸三、传氧理论四、影响传氧速率的因素五、溶氧系数及其测定六、溶氧控制工艺手段及异常分析9/26/20222一、 概述1、生化反响器通气与搅拌有两个目的:使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从菌体内向发酵液的传递。 供给微生物生长和代谢所需的氧气。9/26/20223好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用，因此供氧对需氧微生物是必不可少的，在生物反响过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积累所需要的代

2、谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。9/26/20224 一般认为在通风发酵过程中，微生物利用空气气泡中氧的过程可分为两个阶段进行:空气中的氧首先溶解在液体中，这得阶段叫做“供氧，然后微生物才能利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作“耗氧9/26/202252、 微生物的临界氧浓度微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度。不同的微生物的需氧量不同。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代谢产物的耗氧量也往往不同。9/26/202269/26

3、/202279/26/202283、溶解氧控制的意义 在生物反响过程中，微生物只能利用溶解状态下的氧最近有报道在气-液界处的微生物也能直接利用气相中的氧。氧是很难溶解的气体，在25、100MPa下，空气中的氧在水中的溶解度0.25mmol/L。由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的溶解度比在水中更小，就必须采用强化供氧。 ?9/26/20229 近年来，许多好气性发酵已开展到如此地步，以至氧的需求超过现有的生物反响设备的氧传递的能力，其后果是氧传递速率成为产量的限制因素。氧的供给缺乏可能引起生产菌种的不可弥补的损失或

4、可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量，就可能分别地合理地供氧。 9/26/202210事实上并不需要发酵液中氧的浓度到达饱和浓度，只要维持在氧的临界浓度以上即可。因此，应尽可能了解发酵过程中菌的临界氧浓度和到达最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵产物形成过程中的最高需氧量，以便分别合理地供给足够氧气。9/26/202211二、微生物的有氧呼吸1、比生长速率和氧浓度的关系 在好气性发酵中，当培养液中限制性生长底物的浓度一定或过量，而溶解氧浓度较低时，氧为微生物生长的主要限制性底物，微生物的比生长速率与氧浓度的关系用Monod方程表示为：9/2

5、6/2022126-19/26/202213 按式6-1，作-C关系曲线。在氧浓度很低的情况下，微生物细胞的比生长速率随着溶解氧浓度的升高正比的增长，随后增长速度逐渐减慢，当氧浓度到达一定值C临时，比生长速率不再增长，过高， 反而下降。9/26/2022149/26/202215 各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即临界氧浓度C临是不同的。9/26/202216 在发酵生产中，为了不使微生物的生长和代谢受到氧浓度的影响，保证发酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维持在微生物的临界氧浓度以上。9/26/2022172、比耗氧速率与氧浓度的关系一耗氧速率 单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率，以r表

6、示。耗氧速率与菌体浓度成正比：式中： r耗氧速率mmolO2/l.h) QO2 比耗氧速率mmolO2/g.h) X 菌体浓度g/l)9/26/202218 耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌体浓度的不同而不同，其大致范围为：25-100mmol/l.h，某些耗氧速率特别高的微生物，那么远远超过此数值。另外，微生物生长和产物形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。9/26/202219供氧、耗氧和产物形成的关系通常有三种类型： 1产物形成期的氧消耗与菌体生长期的最大需氧量一致；2产物形成期的最大需氧量超过菌体生长期的最大需氧量；3产物形成期的最大需氧量低

7、于菌体生长期的最大需氧量。 所以，只有掌握不同种类的微生物在各阶段的需氧情况，才能对发酵生产进行良好的控制。9/26/202220二比耗氧速率及其与比生长速率与溶氧浓度的关系1、比耗氧速率：单位菌体浓度的好氧速率，又称呼吸强度 。 式中： r耗氧速率mmolO2/l.h) QO2 比耗氧速率mmolO2/g.h) X 菌体浓度g/l)6-39/26/2022219/26/202222 从6-5可知，在稳态情况下，微生物的比好氧速率与比生长素率成正比，如图6-2所示。此图是由恒流速培养所观察，假设将直线按外推法使之与纵轴相交有一截距，这截距就是维持细胞生命所必需的比好氧速率，故式6-5实际上应为

8、：6-69/26/2022233、比耗氧速率与溶氧浓度的关系6-79/26/202224 式6-7说明了微生物的比好氧速率与培养液中氧浓度的关系，同比生长速率一样，微生物细胞的比耗氧速率也随着氧浓度的增加而升高，但当C增加到临界溶氧C临以上时，比耗氧速率不再升高。对于某些微生物，当C C临时，由于高浓度的C对酶反响的抑制，比耗氧速率反而下降。如图6-3所示。9/26/2022259/26/202226三、传氧理论1、氧的传递途径及传质阻力供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到细胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，才能

9、被微生物利用。9/26/202227氧从气泡到细胞的传递过程示意图9/26/202228气膜传递阻力1/kG 气液界面传递阻力1/kI 液膜传递阻力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9/26/202229气膜阻力1/k1，气体主流与气液界面的气膜阻力1/kG ，与空气情况有关；气液界面阻力1/k2 ，也与空气情况相关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的那么折返回气相；液膜阻力1/k3 ，气液界面至液体主流间的液膜阻力1/kL

10、 ，与发酵液的成分和浓度有关；供氧方面的阻力：9/26/202230液流阻力1/k4，也与发酵液的成分和浓度有关，通常这不作为一项重要阻力，因在液体主流中氧的浓度是假定不变的，当然这只有在适当搅拌的情况下才是这样。9/26/202231细胞周围液膜阻力1/k5，与发酵液成分和浓度有关；菌丝丛或团内的扩散阻力1/k6：这种阻力与微生物的种类、特性和生理状态等有关。单细胞的细菌和酵母不存在这种阻力，对于菌丝菌如霉菌等这种阻力最为突出。 细胞膜阻力1/k7 ，与微生物的生理特性相关；细胞内反响阻力1/k8：指氧分子与细胞内呼吸酶系反响时的阻力，与微生物的种类、生理特性有关。耗氧方面的阻力：9/26/

11、202232 在以上多种传递过程中，必有一过程是控制因素。由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧阻力方面液膜阻力1/kL比较显著，是控制因素。在耗氧方面，据试验液体主流中和细胞壁上氧的浓度差是很小的，也就是说氧通过细胞周围液膜的阻力1/k5是很小的，但此液膜阻力随着细胞外径的增大而增大。在有搅拌的情况下，菌体结团现象减少，液体和菌体间的相对运动增加，减少了膜厚度，因而也减少了阻力。9/26/202233 综上所述，在氧的传递过程中，从气相到液相的过程是限制步骤，液膜阻力1/KL是控制因素。因此，提高氧的传递速率，就是要提高氧从气相到液相的传质溶氧速率。9/26/2022342、双膜理论 氧的溶解

12、过程实质上就是气体吸收的过程，因此这一过程可以用气体吸收的根本理论说明。关于气体吸收的机理，迄今为止曾提出过几种理论，但都有某些局限性。其中最早提出且应用较广的是双膜理论，假设应用于氧传递过程其根本论点是：9/26/202235在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的两旁具有两层稳定的薄膜，即气泡一侧存在着一层气膜，液体一侧存在着一层液膜。在任何流体动力学条件下，气膜内的气体分子和液膜内的液体分子都处于滞流状态，分子间无对流运动，因而氧气分子只能以扩散方式，即借浓度差而透过双膜。 在气液界面上，气液两相的浓度总是互相平衡空气中氧的分压与溶于液体中的氧浓度处于平衡状态，即界面上不存在氧传

13、递的阻力。9/26/202236两膜以外的气、液两相主流中，由于流体充分流动，氧的浓度根本上是均匀的，也就无任何传质阻力。因此，氧从气相总体传到液相总体，所有的阻力仅存在于两层滞留膜中，通过滞留气膜的浓度就等于气相平均浓度氧分压p)与界面相平衡浓度(氧分压pi之差p-pi，通过滞留液膜的浓度降就等于界面相平衡浓度Ci与液相平均浓度C之差Ci-C。9/26/202237氧传递双膜理论图解9/26/202238 从上面的氧分子传递图解可以清楚地看出，通过气膜的传氧推动力为p-pi，继续通过液模时的推动力为Ci-C，与两个推动力相对应的阻力分别为气膜阻力1/kG 和液膜阻力1/kL。9/26/202

14、239在稳定传质过程中，传质途径上的各点氧浓度不随时间而变化，故通过两膜的氧传递速率N应相等，即：N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)N-传氧速率kmol/m2.hkG-气膜传质系数kmol/m2.h.atm)kL-液膜传质系数m/hP-气相主流中氧的分压(atm)Pi-气液界面上的氧分压(atm)C-液相主流中氧的浓度kmol/m3Ci-气液界面上氧的平衡浓度kmol/m39/26/202240 由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量，故式N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)没有实用价值。 为了便于计算，一般不采用传质系数kG或kL，而采用包括这两个因素在内的总传质系数KG或KL

15、,同时采用总推动力 P-P*和C*-C代替传质推动力P-Pi和Ci-C。因此，上式可改写为：N=KG(P-P*)=KL(C*-C)9/26/202241N=KG(P-P*)=KL(C*-C)书P122 6-18KG-以氧分压为总推动力的总传质系数kmol/m2.h.atm)KL-以氧浓度差为总推动力的总传质系数m/h);P*-与液相主体中溶氧浓度相平衡的氧分压atm)C*-与气相主体中氧分压P相平衡的氧浓度kmol/m39/26/202242 因为气相主体中氧的分压P和液相主体溶氧浓度C均可直接测定，而P*和C*可由亨利定律求出，故采用N=KG(P-P*)=KL(C*-C)来计算氧的传递速率非

16、常方便。 由于在氧的传递过程中液膜阻力远大于气膜阻力，故通常是以(C*-C)为溶氧推动力来计算传氧速率。亨利定律： 与溶解浓度相平衡的理想气体的分压与该气体所溶解的分子浓度成正比，于是有：9/26/2022439/26/2022449/26/202245 由于Nv每立方米液体每小时的溶氧量，是可以实际测量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。 kLa的单位虽然是1/小时，但它是根据单位液体体积的溶氧速Nv计算出来的，因而称为体积溶氧系数。 上述公式是从双膜理论推导出的在通气液体中传氧速率的公式，在氧传递理论中被广泛采用，为该领域内科学试验的根本依据之一。9/26/202246但尚需指

17、出，双膜理论中假设有膜的存在，并以分子扩散为依据，而实际上是否存在稳定的气膜和液膜还是疑问，故用于通气搅拌的传质问题不完全符合两相界面的传质情况。这与在管壁内外流动的液体的情况不尽相同，后者在固定的壁面两侧确实存在着两层以滞流流动着的膜，这种膜可以使之减薄，而不能使之完全消失。9/26/202247但在剧烈骚动的气液界面上，情况就不会如此简单，此时的传质并不是单纯的分子扩散，实际情形要复杂得多。由于开展的不完善，尽管目前已经提出了许多新理论如外表更新理论、渗透理论，但因双膜理论的研究和建立已有长久的历史，从理论到解决工程问题的方法都较成熟，故在目前仍然被认为是工程上解决气液传质问题的根本理论。

18、9/26/202248在者，双膜理论等都是仅仅说明氧溶解于液体的问题，是以微生物只能利用溶解于液体中的氧为依据，与化学工业中无微生物的气液传质理论没有什么原那么性的区别，近年来有人通过一系列的实验研究，提出了与溶解氧概念不同的观点。他们发现，在发酵过程中除了处于液体中的微生物只能利用溶解氧外，处于气液界面处的微生物还能直接利用空气中的氧。9/26/202249(三氧的供需平衡 要保持发酵液一定的溶氧速度，正是为满足微生物的呼吸代谢活动的耗氧速度，如果溶氧速度小于微生物的耗氧速度时，那么发酵液中的氧逐渐耗尽，当溶液中氧的浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物的生成。因此，供氧传

19、氧、溶氧与耗氧需氧至少必须平衡，即：9/26/202250或者： 但是在实际发酵过程中，这种平衡的建立往往是短暂的，由于发酵过程中培养物的生化、物理等性质随时变化，相应的氧传递情况也不断变化，平衡也不断被打破，又重新建立。6-156-169/26/202251 对于一个培养物来说，最低的通气条件可有式6-16求得。KLa亦可称为 “通气效率，用于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。一般的，在发酵过程中，培养也内某瞬间溶氧浓度的变化可用下式表示：6-179/26/202252在稳定状态下，因dC/dt=0，故式6-17与式6-16相同，得溶氧浓度：6-189/26/

20、2022531、搅拌搅拌提高溶氧系数的机制1搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升的速度要比大气泡慢，因此接触时间也增长。2搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线四、影响传氧速率的因素9/26/202254上升而是做螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间。3搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大了kLa。4搅拌使菌体分散，防止结团，有利于固液传递过程中的接触面积增加，使推动力均一。9/26/202255搅拌器的型式及流型搅拌器按液流型式可分为轴向式和径向式根据搅拌器的主要作用，打碎气泡主要靠下组，上组主要起混合

21、作用，因此下组一宜采用圆盘涡轮式搅拌器，上组宜采用平桨式搅拌转速和叶径对溶氧水平及混合程度的影响搅拌组数对溶氧的影响搅拌器各项参数对传氧速率的影响9/26/2022569/26/2022572、空气流速 当增加通风量时，空气线速度相应增加，从而增大溶氧；但另一方面，增加风量，在转速不变的情况下，功率会降低，又会使溶氧系数降低。同时空气线速度过大时，会发生过载现象，此时桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。9/26/2022583、 空气分布管空气分布管的形式、喷口直径及管口与罐底的相对位置都对氧溶解速率有较大的影响。在发酵罐中采用的空气分布装置有单管、多孔环管及多孔分支环管。当通风量小时0.020.5ml/s气泡的直径与空气喷口直径的1/3次方成正比。喷口直径越小，气泡的直径越小，溶氧系数就越大。但是，一般发酵工业中的通风量都远远超过这个范围，此时的气泡直径与通风量有关，而与喷口直径无关。发酵工业大多采用单管空气分布器。9/26/2022594、氧分压增加推动力C*-C或P-P*，可使氧的溶解度增加。采用增加空气压力即增大罐压或用含氧较多的空气或纯氧都能增加氧的分压。过分增加罐中空气压力是不值得提倡的，因为罐压增大，空气压力增大，整个设备耐压性都要提高，从而大大增加设备投资