通气与搅拌课件

关于通气与搅拌第1页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三引言大多数发酵微生物是好气型的。葡萄糖的氧化可表示为：

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO2+ATP

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，所以需要不断通气。通气和搅拌是工业发酵过程的重要内容。第2页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第3页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三§4通气与搅拌§4-1微生物的需氧和溶解氧控制一、细胞对氧的需求1、氧是细胞的成分。2、微生物只能利用溶解于基质中的氧。3、不同M有不同的氧需求。第4页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三二、呼吸强度(比耗氧速率)和耗氧速率(摄氧率)

是两种表示微生物吸氧量的方法。1、呼吸强度(QO2)：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量。（mg分子氧/g干菌体·h）体现微生物的相对需氧量。第5页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三2、耗氧速率(γ)：指单位体积培养液在单位时间内吸氧量。(mg分子氧/L·h)

γ＝QO2×X

对一定微生物来说，细胞浓度直接影响培养液的吸氧量。第6页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三三、影响微生物需氧量的因素1.碳源种类碳源种类不同，利用速度不同。

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO22.碳源浓度与碳源浓度是否成为限制性有关。第7页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三3.培养条件(pH、T)

pH、T影响生长速率和产物生成速率。4.(有害)代谢产物抑制细胞呼吸作用。5.培养时期的影响不同时期微生物生命活动能力不同。注意：溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同。第8页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三四、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——临界氧浓度Cc。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C>Cc，细胞比耗氧速率保持恒定；若C<Cc，细胞比耗氧速率会下降，并随C下降而下降。常见微生物的临界氧浓度见下表。第9页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第10页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三五、溶解氧控制的意义研究溶解氧控制的意义在于：1.满足生产需要；2.节能、降耗；第11页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三1.供氧：气体主流→气膜→气液界面→液膜→液体主流。2.耗氧：液体主流→细胞周围液膜→菌丝体丛→细胞膜→细胞。氧的传递途径§4-2传质理论一、氧传递途径与传质阻力两个过程，八种阻力，按不同情况，阻力重要性不同。(一)氧在发酵过程中的传递途径第12页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第13页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三(二)传质阻力1.气膜阻力1/k1：气体主流与气液界面间的阻力，与空气情况有关。2.气液界面阻力1/k2：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。3.液膜阻力1/k3：气液界面到液体主流间的阻力，与发酵液成分和浓度有关。4.液流阻力1/k4：液体流动对氧传递的阻力，与流动程度和流动形式有关。第14页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三2.耗氧方面(1)液膜阻力1/k5：与发酵液浓度、成分和细胞特性等有关。(2)扩散阻力1/k6：与微生物种类、生理特性有关。(3)胞膜阻力1/k7：与微生物生理特性有关，取决于细胞运载方式和能力。(4)反应阻力1/k8：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。第15页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三总结分析在供氧方面，液膜阻力(1/k3)比较显著；在耗氧方面，细胞膜阻力(1/k6)比较显著；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效率高低的最大因素。第16页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三二、气体溶解过程的双膜理论

1.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(氧)以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。

2.在相界面处，气液两相达到平衡。

3.在气、液两相主体中，溶质(氧)浓度均匀。过程：氧由气相→→→气液界面→→→液相气膜液膜第17页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第18页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三ppip-piCi-CL气膜液膜气液界面CiCL第19页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三氧溶解必需穿过两层膜：气体主流→→气液界面，氧分压差(p-pi)；气液界面→→液体主流，氧浓度差(Ci-CL)；与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别是气膜阻力(1/kG)和液膜阻力(1/kL)。第20页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三单位接触面氧的传递速率NA为：NA：氧的传递速率(Kg分子O2/M2·h)p,pi：气相和气液界面处氧分压(atm)Ci,CL：气液界面和液相中氧浓度(Kg分子O2/M3)kG：气膜传质系数(Kg分子O2/M2·h·atm)kL：液膜传质系数(M/h)第21页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三氧分压pi和氧浓度Ci难测定，改用总传质系数KG或KL和总推动力。则，在稳定传递状态时，p*：与液相氧浓度CL平衡的氧分压；C*：气相中氧分压P达平衡时的氧浓度；KG：以氧分压差为推动力总传质系数；KL：以氧浓度差为推动力总传质系数；第22页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三其中，kG或kL与KG或KL的关系，可根据亨利定律来求得，即：第23页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三根据式（5－1）有：第24页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三同样可以证明：由式(5-4)和(5-5)，有如下讨论：(1)易溶气体，H很小，则KG≈kG。为气膜控制过程。(2)难溶气体。H很大，则KL≈kL。为液膜控制过程。(3)氧为难溶气体，为液膜阻力(传质系数)控制，所以下面介绍氧传质方程。第25页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三三、氧传质方程式采用体积溶氧系数或体积传质系数：KLa(或KGa)，据此氧传质(溶氧速率)方程可表示为：第26页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：第27页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三实际发酵体系中，这种平衡是暂时的。即体系中氧浓度是动态变化的，可表示：

KLa值高，表明罐的通气状况好（？？？），反之则差。第28页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三§4-3影响氧供给的因素根据气液传质速率方程式：可知：凡影响推动力(C*－CL)或(p－p*)、比表面积a和传质系数KL的因素，都会影响氧传递速率。第29页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三一、影响推动力的因素1.温度氧是气体，它在水中的溶解度随温度升高而降低。在常压、4-33℃内，纯水中氧的浓度CW*为：第30页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三2.电解质盐析作用可降低氧的溶解。在电解质溶液中，有如下关系式：：氧在水的溶解度；mol/M3

：氧在电解质溶液中的溶解度;mol/M3

：电解质溶液的浓度；kmol/M3K：Sechenov常数；第31页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三存在几种电解质时，有：第32页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三3.非电解质在非电解质溶氧中，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：：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；第33页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三4.氧分压(1)增加罐压提高罐压可提高氧分压。(2)提高空气中氧的含量(富氧通气)a.深冷分离

b.吸附分离

c.膜分离(3)提高H/D第34页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三二、影响KLa的因素

KLa是a与KL合并作为一个参数，实际中影响该参数的因素有：(一)操作条件1.搅拌A.搅拌的作用：(1)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；(3)产生湍流，减厚度，降阻力；(4)均匀混合，利吸收和积累；主要形式有：第35页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第36页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第37页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第38页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三B.搅拌器(1)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，上常为平桨式，下常为涡轮式；(2)转速n和直径d：影响溶氧水平和混合程度。P∝H搅Q搅∝n3d5，搅拌循环量Q搅∝nd3，H搅∝n2d2；增加n对提高溶氧有利，增加d对均匀混合有利。第39页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三第40页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三(3)间距(相对位置)：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，牛顿型:d=(3-4)D，非牛顿型:d<2D；(4)位置(距罐底的距离)：h太大，最底部液体难提升，造成局部缺氧。太小，造成功率损失。一般为：(0.8-1)d。(5)组数：确定与H/D有关，综合考虑溶氧和功率消耗等因素。第41页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三2.通气的影响对特定发酵罐，α、β是定值。随增加,增加；增加，增加。影响α、β的因素可以影响KLa值，与罐的形状、结构有关，随罐径增加而降低。通气表观线速度第42页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三(二)液体性质的影响(1)液体密度ρ：(2)粘度μ：(3)表面张力σ：(4)扩散系数DL：综上所述，影响可归纳为：第43页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三(三)其它因素的影响(1)表面活性剂：定向排列；(2)离子强度：KLa比水大(见图1)；(3)细胞浓度：非牛顿型增加(见图2)；溶质浓度(g/L)X图1图2第44页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三§4-4溶氧系数的测定化学方法：亚硫酸盐氧化法极谱法电极法取样排气第45页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三一、亚硫酸盐氧化法1、作用原理：利用SO32-在Cu2+或Mg2+催化下，能迅速被O2氧化为SO42-的特性来间接得到氧浓度的方法。其反应式：第46页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三A.氧化的特点：(1)ν反应恒定；(2)ν消耗>>ν溶解；第47页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三B.主要过程：(1)将配制好的Na2SO3和Cu2+离子置于发酵罐或三角瓶中;(2)通气、搅拌或摇瓶，2SO32-＋O2→2SO42-。(3)某时刻，取样，+过量I2液。

2SO32-＋I2→2SO42-；用标准Na2S2O3反滴定。记录体积数V1。

(2S2O32-＋I2→2S4O62-)，(4)间隔△t后，重复测定，记录体积数V2。第48页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三两次测定，消耗的Na2S2O3体积差△V=V2-V1，按一定关系体现为这段时间溶入的O2的量。即有：第49页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三由此可得氧的平均溶解速率N：见P67:4-17第50页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三则溶氧系数Kd：因为：溶液中氧浓度为零(一溶入即被消耗)。所以:p*=0第51页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三此法特点：(1)氧溶解速率与氧浓度无关，反应速度快，简单；(2)只能测定反应器中Na2SO3溶液的溶氧系数，不能真实反映发酵液状况；第52页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三二、极谱法第53页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三(一)取样极谱法取出样品置入极谱仪中，记下对应时刻的氧浓度CL。以CL对t作图，得如图所示的曲线。第54页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三时间(min)CLC*第55页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三从图可以看出，曲线的斜率：(此时只有耗氧，而无氧溶解)再根据体系处于平衡时来计算KLa：γ第56页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三取样极谱法的特点：(1)简单，快速；(2)在罐外测定，不是发酵状况，因而也存在一定误差；第57页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三(二)排气极谱法也是一种非发酵状态下的测定方法。其方法是：(1)充氮气，赶出其中的氧；(2)通气和搅拌，测定溶氧浓度值。作图可得到下图：第58页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三时间tCLC*第59页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三在这种状态下有：即：积分后可得:第60页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三时间斜率＝-KLa第61页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三此法特点：

省时，又能用于测定在非发酵状态下发酵设备的通气效率。工业测定需用大量的氮气，且难以代表整个发酵液的特征。第62页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三三、复膜电极法过程：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。人为地制造一个不稳定的状态(溶氧和耗氧速率不平衡)，来求KLa。第63页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三

不稳定状态时，发酵液中某时间间隔的溶氧量为：第64页，讲稿共71页，2023年5月2日，星期三CLtC1C2Ct