微生物工程工艺原理传质与通气课件

第八章传质与通气第八章传质与通气1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。引言2微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件3§11传质与通气§11-1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。§11传质与通气4二、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。二、呼吸强度(比耗氧速率)和耗氧速率(摄氧率)52、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。2、耗氧速率(γ)：指单位体积培养液在单位时间内吸氧量。(m6三、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。三、影响微生物需氧量的因素73.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。3.培养条件(pH、T)8四、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。四、微生物的临界氧浓度Cc9微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件10五、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；五、溶解氧控制的意义111.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§11-2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1.供氧：气体主流→气膜→气液界面→液膜→液体主流。2.耗氧12微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件13(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。(二)传质阻力142.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。2.耗氧方面15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。总结分析16二、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→→→液相气膜液膜二、气体溶解过程的双膜理论气膜液膜17微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件18ppip-piCi-CL气膜液膜气液界面CiCLppip-piCi-CL气膜液膜气液CiCL19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)。氧溶解必需穿过两层膜：20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)单位接触面氧的传递速率NA为：NA：氧的传递速率(Kg分子21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；氧分压pi和氧浓度Ci难测定，改用总传质系数KG或22其中，kG或kL与KG或KL的关系，可根据亨利定律来求得，即：其中，kG或kL与KG或KL的关系，可根据亨利定律来求得23根据式（5－1）有：根据式（5－1）有：24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。同样可以证明：由式(5-4)和(5-5)，有如下讨论：25三、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：三、氧传质方程式26发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：27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。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28§11-3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。§11-3影响氧供给的因素可知：凡影响推动力(C*－29一、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：一、影响推动力的因素302.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；2.电解质：氧在水的溶解度；mol/M331存在几种电解质时，有：存在几种电解质时，有：323.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；3.非电解质：氧在非电解质溶液中的溶解度；334.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/D4.氧分压34二、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：二、影响KLa的因素35微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件36微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件37微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件38B.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。B.搅拌器39微生物工程工艺原理传质与通气ppt课件40(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。(3)间距(相对位置)：太大，产生搅拌死角；太小，相互干扰；412.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2.通气的影响对特定发酵罐，α、β是定值。随增加,42(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：(二)液体性质的影响43(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(三)其它因素的影响溶质浓度(g/L)X图1图244§11-4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§11-4溶氧系数的测定化学方法：亚硫酸盐氧化法极谱45一、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：一、亚硫酸盐氧化法46A.氧化的特点：(1)ν反应恒定；(2)ν消耗>>ν溶解；A.氧化的特点：47B.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。B.主要过程：48两次测定，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：两次测定，消耗的Na2S2O3体积差△V=V2-V1，按49由此可得氧的平均溶解速率N：由此可得氧的平均溶解速率N：50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则溶氧系数Kd：因为：溶液中氧浓度为零(一溶入即被消耗)。51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，不能真是反映发酵液状况；此法特点：52二、极谱法二、极谱法53(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。(一)取样极谱法54时间(min)CLC*时间(min)CLC*55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56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；取样极谱法的特点：57(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：(二)排气极谱法58时间tCLC*时间tCLC*59在这种状态下有：即：积分后可得:在这种状态下有：即：积分后可得:60时间斜率＝-KLa时间斜率＝-KLa61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。此法特点：62三、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。三、复膜电极法63不稳定状态时，发酵液中某时间间隔的溶氧量为：不稳定状态时，发酵液中某时间间隔的溶氧量为：64CLtC1C2Ct1t2t3ABCLtC1C2Ct1t2t3AB65其测定步骤为：停止对发酵罐供气，此时由于菌体的呼吸作用而使溶氧浓度直线下降。图中的直线AB的斜率即为所测的菌体呼吸率。该过程可用下式表达：其测定步骤为：停止对发酵罐供气，此时由于菌体的呼吸作用而66在B点重新开始供气使溶氧浓度开始增加，直至达到浓度为C。在这段时间中所观察到的溶氧浓度的增值BC，即为氧传递至溶液和被菌体呼吸后的差值，该过程可用下式表达：在B点重新开始供气使溶氧浓度开始增加，直至达到浓度为C。67经过几次同样的操作，得到几组不同的dC/dt,γ值，CL值。再以CL对作图，得直线，其斜率为（－1/KLa），外推得C*。经过几次同样的操作，得到几组不同的dC/dt,γ值，CL值68四、氧平衡法在一定的时间间隔内直接测定传递至溶液中氧的量。此方法涉及到下列一些参数的测定：(1)发酵罐中发酵液体积的测定，L(V)；(2)进口和出口的空气体积流量的测定L/min(Qi和Q0)；(3)发酵器进出口的气体温度，K（Ti和T0）；(4)发酵器进出口氧的分压(pi和p0)。然后，氧传递速率可由下式决定：四、氧平衡法69全部发酵中，单位时间的溶氧量是进出口气体中含氧量之差，即：p：进出口压力平均值P气体的平均总压力，发酵罐平均高度处的压力。全部发酵中，单位时间的溶氧量是进出口气体中含氧量之差，即70参考书目(1)《生物工艺学》（上、下）俞俊棠，华东理工大学出版社，1992.5(2)《生化生产工艺学》梅乐和等，科学出版社，1999.8参考书目71THEENDTHEEND722008-4-22宜宾学院生命科学与食品工程系第九章发酵产物的提取及精制概论发酵产物的提取及精制概述发酵醪的预处理2008-4-22宜宾学院生命科学与食品工程系第九章发酵产732008-4-22一、下游加工技术的重要性

1.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。

2.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占60%）。

3.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。2008-4-22一、下游加工技术的重要性742008-4-22几种产品在发酵液中的浓度产品典型浓度（g/L）抗生素25

氨基酸100

酒精100

有机酸100

酶20

蛋白质102008-4-22752008-4-22二、下游加工技术的特点

1.发酵液的复杂性造成分离上的困难性。

2.欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。

3.多为分批操作，各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定弹性。2008-4-22二、下游加工技术的特点762008-4-221概述一、发酵产物的分类从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致可分为三类：1、菌体：2、酶：3、代谢产物2008-4-221概述772008-4-22二、发酵产物提炼的步骤和方法影响提炼方法的因素1.产物类型不同，提取、精制的方法不同。如：分离菌体胞内酶与代谢产物的方法明显不同；2.产物类型相同，但结构不同，提取精制方法不同。3.产物酸碱性、水溶性等不同，方法不同。2008-4-22二、发酵产物提炼的步骤和方法782008-4-22如何着手对一种未知的发酵产品进行提取。(1)产品的类型，性质的研究。①可大致确定它是属于哪一类型；②可了解它是一种成分还是几种成分的混合物。(2)稳定性研究。确定在哪一种条件下进行提取和精制不受破坏，即确定提取条件。2008-4-22如何着手对一种未知的发酵产品进行提取。792008-4-22发酵产物的提取和精制——浓缩纯化，三个步骤：(1)预处理：改变发酵液物理性质。(2)提取：分离出目的物及其性质相似物。(3)精制：除去相似物，精炼目的。(4)后加工：使用要求决定。2008-4-22发酵产物的提取和精制——浓缩纯化，三个步骤802008-4-22(1)常用提取方法：离子交换树脂法膜分离法凝胶层离法沉淀法吸附法溶媒萃取法(2)常用精制方法：除了上述几种外，还含浓缩、结晶、干燥、蒸馏等。其方法的选择：取决于醪特性、菌种、产物性质。2008-4-22(1)常用提取方法：812008-4-22三．提取精制过程中要注意的问题：防变性和降解；防辅基流失；防醪中所需产物被分解或挥发；2008-4-22三．提取精制过程中要注意的问题：822008-4-222 发酵醪的预处理一、发酵醪的一般特征(1)水量大；(2)产物浓度低；(3)悬浮物以胶体状物(菌体，蛋白)为主；不利：a不利于过滤。b增加了提取精制等后工序的提取难度。2008-4-222 发酵醪的预处理832008-4-22(4)含有无机盐类、非蛋白质大分子杂质及其降解产物等。(5)存在少量发酵副产物。(6)含其它有机杂质。2008-4-22(4)含有无机盐类、非蛋白质大分子杂质及其842008-4-22二、醪预处理要求(1)菌体的分离过滤或离心。要求：控制周期；过滤时间。(2)固性物的去除通过过滤处理，将固形杂质去除。2008-4-22二、醪预处理要求852008-4-22(3)蛋白质的去除：等电、变性凝固等(4)重金属离子的除去：(5)其它有机杂质的去除：(6)改变醪的性质：(7)调节适当温度：2008-4-22(3)蛋白质的去除：862008-4-22三．菌体的分离：(一)菌体与发酵醪的分离方法1.细菌和酵母,采用高速离心。(1)细菌(2)酵母：2.霉菌和放线菌，采用过滤2008-4-22三．菌体的分离：872008-4-22(二)离心分离原理：根据发酵液中的物质比重不同，在离心力场的作用下，将悬浮液中的固相和液相加以分离。(1)沉降式：管式蝶式离心机(2)过滤式：多种形式分批、自动间隙或连续式2008-4-22(二)离心分离882008-4-221）碟式高速离心机结构与工作原理：结构倒锥形多孔碟片金属转鼓。工作原理：中心进料，因固液比重不同，在碟片空间内由于离心力的作用，把醪分成固液两相。2008-4-221）碟式高速离心机结构与工作原理：892008-4-222008-4-22902008-4-222）管式高速离心机工作原理：下部进料，经档板分散于转筒底部，受离心力作用而上旋，轻液位于筒的中央螺旋向上移动，菌体则靠近筒壁，经分离盘时，轻液沿轻液孔进入集液槽。菌体位于转筒壁，停机的时候取出。2008-4-222）管式高速离心机工作原理：912008-4-22管式分离机主要分为澄清型和分离型两种。

澄清型：难分离悬浮液的液固分离。

分离型：难分离的乳浊液(液液二相分离、液液固三相分离)。

2008-4-22管式分离机主要分为澄清型和分离型两种。922008-4-222008-4-22932008-4-22(三)过滤1）影响过滤速度的因素（胶体物存在情况）：(1)培养基组成及利用程度。(2)发酵终点的判定是否正确。(3)菌种。2008-4-22(三)过滤942008-4-222）提高过滤设备处理能力的途径：（1）扩大设备尺寸，增加过滤面积。增大设备规模（2）提高过滤速度（强化设备处理能力）2008-4-222）提高过滤设备处理能力的途径：952008-4-22提高过滤设备处理能力途径提高过滤速度物化方法工艺措施结构措施悬浮液制备过程中悬浮液制备后造成大颗粒固形物固形物颗粒凝固减少固定膜厚度添加助滤剂保持适当的滤饼厚度采取最大的允许过滤压力控制适当的悬浮液浓度固形物颗粒分级过滤反向过滤动态过滤挤动过滤电场与磁性过滤自动化扩大设备尺寸，增加过滤面积2008-4-22提高过滤设备处理能力途径提高过滤速度物化方962008-4-223）改善滤饼结构的物理化学方法具体措施：在制备悬浮液过程中或之后，造成大颗粒2008-4-223）改善滤饼结构的物理化学方法972008-4-22(1)酸化凝结法：胶体体系的稳定性与其带电荷有关。在某pH下，净电荷为0，溶解度最小(pH=pI)。常用酸试剂：草酸、盐酸、硫酸及磷酸。

Fe2＋+金霉素+草酸→草酸铁＋金霉素;Ca2＋+草酸→草酸钙;2008-4-22(1)酸化凝结法：982008-4-22(2)热处理法：〈热凝固法〉

加热使蛋白质凝固，不适宜用于热敏感的发酵产品的生产中。2008-4-22(2)热处理法：〈热凝固法〉992008-4-22(3)添加絮凝剂胶体粒子间电荷相同而互斥而不聚沉。利用絮凝剂（分子活性基团多，多点结合、长链线性结构、高电荷密度）特点而使胶体粒子沉淀。常用的絮凝剂：聚丙烯酰胺〈PAM〉、含40000个PAM单体。2008-4-22(3)添加絮凝剂1002008-4-22(4)添加助滤剂：能形成一层不可压缩的滤层，截留了悬浮杂质，隔离了细小、易压缩杂质与过滤介质接触，以形成疏松滤饼。2008-4-22(4)添加助滤剂：1012008-4-22注意：

a．方法：预涂层，或醪中直接加入，或两法兼用。

b．助滤剂种类、用量要恰当，是取得良好过滤效果的关键。2008-4-22注意：1022008-4-22(5)添加反应剂添加能相互反应、或能和某些溶解盐类反应生成不溶解的沉淀的物质。

3CaCl2+2Na3PO4→Ca3(PO4)2↓+6NaCl

关键在选择合适的反应剂2008-4-22(5)添加反应剂1032008-4-22(6)添加酶制剂当醪中有不溶解的多糖存在时，加入能使其转化为单糖的酶制剂，改善粘度，对提高过滤速滤有帮助。2008-4-22(6)添加酶制剂1042008-4-224）工艺措施A保持适当的滤饼厚度B采取最大的允许过滤压力C控制适当的悬浮物的浓度D固形颗粒分级过滤2008-4-224）工艺措施1052008-4-225）结构措施A反向过滤B动态过滤(过滤速度高，过滤介质截留的固体粒子连续地被除去，不能形成较厚滤饼层)。C电场、磁场过滤。（两性物质）D自动过滤2008-4-225）结构措施1062008-4-226）过滤介质：过滤单元上使用的过滤介质种类很多，按材料大致可分几个方面：(1)天然纤维和合成纤维滤布帆布绸绢涤纶尼龙布玻璃纤维选择时主要注意：①不同纤维的物理、化学性能不同②纹路：平纹、链纹2008-4-226）过滤介质：1072008-4-22(2)天然毛毡和合成滤毡三维均匀纤维团，无粘结剂。用途广，能使涂层和滤饼的形成迅速均匀。(3)微孔纤维薄膜和金属薄膜：A：主要是醋酸纤维素，聚碳酸脂类；B：惰性金属合金为主；2008-4-22(2)天然毛毡和合成滤毡1082008-4-22(4)多孔陶瓷，金属陶瓷与烧结树脂再生能力好。(5)连孔型泡沫塑料与泡