发酵工业中氧的供需

1、发酵工业中氧的供需第1页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二本章内容一、细胞对氧的需求(为什么要供氧？为什么要 控制溶氧？）二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何控制溶氧？）三、影响氧传递的因素四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定第2页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二3.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（气液传质的基本方程式）为 第3页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二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-

2、1,s-1 KGa以分压差为推动力的体积溶氧系数,第4页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系细胞呼吸的本征要求:氧传递特征（发酵罐传递性能）若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示： 传递消耗第5页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二令则变换第6页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二无因次数Da为Damkhler 准数，物理意义是细胞的 最大耗氧量与最大供氧量之比。当

3、Da 1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在耗 氧限制，整个过程受呼吸速率控制；当Da 1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在供 氧限制，整个过程受氧传递速率控制。对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m 已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则, 第7页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二为常数,则 y亦x的函数,有形式 第8页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二 对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式 求得。 kLa亦可称为“通气效率”, 可用来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。第9页，共42页，2022年，5月20日

4、，4点49分，星期二在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示:在稳态时,则 ，则第10页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二由气液传递速率方程 2. kLa的影响因素（一）影响氧传递的因素1. 影响推动力C*-CL的因素影响比表面积a的因素影响液膜传递系数kL的因素 可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：第11页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二1) 温度氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01105Pa和温度在433的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算: t温度, T ，Cw* ，推动力 第12页，共4

5、2页，2022年，5月20日，4点49分，星期二2) 溶质电解质 1)对于单一电解质 Ce*氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3 Cw*氧在纯水中的溶解度, mol/m3 CE电解质溶液的浓度,kmol/m3 KSechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.第13页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二2) 溶质（续）2）对于几种电解质的混合溶液：式中 hi第i种离子的常数, m3/kmol 离子强度, kmol/m3 Zi第i种离子的价数, 第i种离子的浓度, kmol/m3 第14页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二2) 溶质（续）B. 非电

6、解质 式中 Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3 CN非电解质或有机物浓度, kg/m3 k非电解质的Sechenov常数, m3/kg第15页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二2) 溶质C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3溶质 ， Cm*第16页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二3) 溶剂通常溶剂为水; 氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。 第17页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二4) 氧分压提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是

7、有一定限度的。保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。 第18页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二影响KLa的因素 发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布器（几何参数） 通气：表观线速度Ws 操作条件 搅拌：转速N，搅拌功率PG 发酵液体积V，液柱高度HL 发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子 强度、菌体量设备参数第19页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二综合三类影响因素，有其中 d搅拌器直径，m ; 搅拌器转速，s-1 ; 液体密度，kg/m3; 液体粘度，Pas ; DL扩散系数, m2/s

8、; 界面张力，N/m; Ws 表观线速度，m/s ; g重力加速度, 9.81m/s2KLa的准数关联式 第20页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二写成准数式(无因次式) 准数第21页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二气流准数准数第22页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二KLa影响因素的分析依据 ： 以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例： 合并化简得：0.06KLa=0.06第23页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二问题：当设备一定，发酵液性质一定，即d；、 、 DL、g两类因素不变，可否建立KLa与操作条件间的独立

9、关联式：如 第24页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二不行，实测后必须以 进行分析。 当通气是重要影响因素时，建立小型罐成功发酵的关 联式或建立放大的关联式要特别小心。 当其他条件一定，改变N、Ws测相应的KLa，不能根 据实测数据建立方程 KLaKNWs 当规模扩大后，想建立等KLa放大的关联式更困难，只考虑N、Ws 时，则KLa与 相差甚远，关系复杂。第25页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二实际工作中，通常以“单位体积搅拌功率”代替“N”建立KLa表达式，则实测时拟合得很好PG/ V不仅包含了“N”的变化，也真实反映了流态的影响(即Ws、N与设备及

10、发酵液特性共同作用).第26页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二在PG的计算中要满足下列条件:P的计算与Rem值有关: Rem10 x=-1层流 Rem104 x=0 湍流P：不通气搅拌功率PG: 通气搅拌功率第27页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二PG计算与P和Na有关: Na0.035时 PG/P=1-12.6Na Na0.035时 PG可见, PG不仅与N、Ws相关，而且反映了流态，且通过流态与d、 等相关。要以 来分析影响因素第28页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二A. 搅拌对KLa的影响转速NPG KLa搅拌作用(影响K

11、La原理)将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积，即aKLa溶氧搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中接 触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体 表面液膜的厚度，有利于氧的传递。第29页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二搅拌对KLa的影响（续）N并不是越大越好 剪切力， 对细胞损伤，对形态破坏 PG,发酵期间搅拌热,增加传热负荷 N第30页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二

12、B. 通气对KLa的影响: 在通气量Q较低时, QWs KLa第31页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响 从公式上看, PG, Ws, KLa, 但Ws的增加是有上限的, 当Ws (Ws)m, Ws会通过 、 来影响PG,导致PG严重下降. Ws (Ws)m， PG ，KLa Rem=第32页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二当通气量超过一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去, 而在大量气泡中空转, 发生“过载”现象, 此时搅拌功率PG会大大下降, KLa也会大大下降。 只有Q，N同时提高，PG才不会大

13、大 下降，KLa。C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响 第33页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二表观空气速度与KLa的关系第34页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二A. 设备规模的影响单位体积的液体的搅拌功率的指数随培养装置的规模而相应变化 如: 小试 9L=0.95 中试 500L=0.67 生产规模 27T54T=0.50 可见, 在放大过程中, KLa在相同条件下会减小.第35页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二B. 设备形状结构的影响:如20T的伍式发酵罐: =0.72, =0.11第36页，共42页，2022年，5月20日

14、，4点49分，星期二C. 搅拌器形式的影响: 、数值不同 对于值:弯叶平叶箭叶 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. 第37页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二平叶箭叶弯叶第38页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二A. 表面活性剂的影响 气液界面厚度, 1/kL, kL 气泡变小, a 低浓度表面活性剂时,以a为主, KLa添加至一定量时, kL降至最低, KLa下降显著再继续增加时，kL维持最低水平不再下降，而a，此时KLa从最低点有所回升 表面活性剂的浓度KLa受两种趋势影响 第39页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二表面活性剂月桂基磺酸钠（NaLSO4）浓度对KLa、KL和da的影响第40页，共42页，2022年，5月20日，4点49分，星期二B. 离子强度对KLa的影响电解质溶液浓度,则气泡变小,a, KLa;有机溶质浓度,则气泡变小,a, KLa电解质溶液浓度，传氧特性