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文档简介

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。目前一页\总数六十七页\编于十七点目前二页\总数六十七页\编于十七点§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。目前三页\总数六十七页\编于十七点二、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。目前四页\总数六十七页\编于十七点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。目前五页\总数六十七页\编于十七点三、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。目前六页\总数六十七页\编于十七点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。目前七页\总数六十七页\编于十七点四、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。目前八页\总数六十七页\编于十七点目前九页\总数六十七页\编于十七点五、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;目前十页\总数六十七页\编于十七点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目前十一页\总数六十七页\编于十七点目前十二页\总数六十七页\编于十七点(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。目前十三页\总数六十七页\编于十七点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。目前十四页\总数六十七页\编于十七点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。目前十五页\总数六十七页\编于十七点二、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→→→液相气膜液膜目前十六页\总数六十七页\编于十七点目前十七页\总数六十七页\编于十七点ppip-piCi-CL气膜液膜气液界面CiCL目前十八页\总数六十七页\编于十七点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)。目前十九页\总数六十七页\编于十七点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)目前二十页\总数六十七页\编于十七点氧分压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;目前二十一页\总数六十七页\编于十七点其中,kG或kL与KG或KL的关系,可根据亨利定律来求得,即:目前二十二页\总数六十七页\编于十七点根据式(5-1)有:目前二十三页\总数六十七页\编于十七点同样可以证明: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。目前二十四页\总数六十七页\编于十七点三、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:目前二十五页\总数六十七页\编于十七点发酵体系中,若供氧与好氧达到平衡,则有:目前二十六页\总数六十七页\编于十七点实际发酵体系中,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。目前二十七页\总数六十七页\编于十七点§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。目前二十八页\总数六十七页\编于十七点一、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:目前二十九页\总数六十七页\编于十七点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;目前三十页\总数六十七页\编于十七点存在几种电解质时,有:目前三十一页\总数六十七页\编于十七点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;目前三十二页\总数六十七页\编于十七点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目前三十三页\总数六十七页\编于十七点二、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:目前三十四页\总数六十七页\编于十七点目前三十五页\总数六十七页\编于十七点目前三十六页\总数六十七页\编于十七点目前三十七页\总数六十七页\编于十七点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。目前三十八页\总数六十七页\编于十七点目前三十九页\总数六十七页\编于十七点(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。目前四十页\总数六十七页\编于十七点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。通气表观线速度目前四十一页\总数六十七页\编于十七点(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:目前四十二页\总数六十七页\编于十七点(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目前四十三页\总数六十七页\编于十七点§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目前四十四页\总数六十七页\编于十七点一、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:目前四十五页\总数六十七页\编于十七点A.氧化的特点:(1)ν反应恒定;(2)ν消耗>>ν溶解;目前四十六页\总数六十七页\编于十七点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。目前四十七页\总数六十七页\编于十七点两次测定,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:目前四十八页\总数六十七页\编于十七点由此可得氧的平均溶解速率N:见P67:4-17目前四十九页\总数六十七页\编于十七点则溶氧系数Kd:因为:溶液中氧浓度为零(一溶入即被消耗)。所以:p*=0目前五十页\总数六十七页\编于十七点此法特点:(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;目前五十一页\总数六十七页\编于十七点二、极谱法目前五十二页\总数六十七页\编于十七点(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。目前五十三页\总数六十七页\编于十七点时间(min)CLC*目前五十四页\总数六十七页\编于十七点从图可以看出,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目前五十五页\总数六十七页\编于十七点取样极谱法的特点:(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;目前五十六页\总数六十七页\编于十七点(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:目前五十七页\总数六十七页\编于十七点时间tCLC*目前五十八页\总数六十七页\编于十七点在这种状态下有:即:积分后可得:目前五十九

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