第7章-发酵工业中氧的供需课件

第7章

发酵工业中氧的供需第7章

发酵工业中氧的供需本章内容一、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（溶氧系数）的测定本章内容一、细胞对氧的需求（为什么要供氧？为什么要控制溶氧？

溶氧（DO）是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。

在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。溶氧（DO）是需氧微生物生长所必需。在发酵

微生物对氧的需求发酵液中氧的供给影响KLa的因素（供氧的调节）与溶氧相关的参数测定发酵过程中溶氧监控的意义微生物对氧的需求（一）氧在微生物发酵中的作用

（对于好气性微生物而言）呼吸作用

直接参与一些生物合成反应

（二）可利用氧的特征

只有溶解状态的氧才能被微生物利用。（一）氧在微生物发酵中的作用

（对于好气性微生物而言）呼吸作一、微生物对氧的需求（一）、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1

摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.X一、微生物对氧的需求（一）、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度（二）、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr:

临界溶氧浓度，指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。（二）、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CL一般对于微生物：Cr＝1～15%饱和浓度例：酵母4.6×10-3mmol.L-1,1.8%

产黄青霉2.2×10-2mmol.L-1,8.8%定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1。一般对于微生物：Cr＝1～15%饱和浓度例：酵母4.6×问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。例：以微生物的摄氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

计，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：

头孢菌素卷须霉素生长5%(相对于饱和浓度）13%产物>13%>8%问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中例：以微（三）、影响需氧的因素r=QO2.X

菌体浓度QO2

遗传因素

菌龄

营养的成分与浓度

有害物质的积累

培养条件（三）、影响需氧的因素r=QO2.X菌体浓度QO影响微生物耗氧的因素微生物本身遗传特征的影响培养基的成分和浓度碳源种类耗氧速率：油脂或烃类>葡萄糖>

蔗糖>

乳糖培养基浓度浓度大，QO2↑；浓度小，QO2↓菌龄的影响：一般幼龄菌QO2大，晚龄菌QO2小影响微生物耗氧的因素微生物本身遗传特征的影响影响微生物耗氧的因素（续）

发酵条件的影响

pH值→通过酶活来影响耗氧特征;

温度→通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T↑，DO2↓

代谢类型（发酵类型）的影响若产物通过TCA循环获取,则QO2高，耗氧量大

若产物通过EMP途径获取,则QO2低，耗氧量小影响微生物耗氧的因素（续）发酵条件的影响溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。

氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。目前，在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率，就能大大降低空气消耗量，从而降低设备费和动力消耗，且减少泡沫形成和染菌的机会,大大提高设备利用率。溶解氧控制的意义溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解供氧的实现形式

摇瓶水平：摇床转速慢，装量多搅拌缓和，通气缓和表面通气，膜透析（扩散）摇瓶水平：转速快，装量少通无菌空气并搅拌气升式

发酵罐水平需氧量小发酵罐需氧量大

二、反应器中氧的传递供氧的实现形式摇瓶水平：摇第7章-发酵工业中氧的供需课件

二、反应器中氧的传递（一）、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜液膜N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数m/h二、反应器中氧的传递（一）、发酵液中氧的传递方程CCiPpAcA

pA,i

cA,i气膜液膜相界面气相主体液相主体传质方向双膜理论示意图溶质A在气相中的分压溶质A在液相中的摩尔浓度湍流扩散分子扩散湍流扩散pAcApA,icA,i气膜液膜相界面气相主体液相主体传气相液相pApAicAicAcA’pA’FGHδδ’EδδGE’液相有效层流膜厚气相有效层流膜厚双模模型界面气相液相pApAicAicAcA’pA’FGHδδ’EδδG吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。（1）以（p-pe）表示总推动力双膜理论：pi=ci/H亨利定律：pe=c/H

液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)气相吸收速率方程NA=kG(p-pi)代入总吸收速率方程吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与令式中KG——气相总吸收系数，kmol/(m2•s•kPa)

对于易溶气体，H值很大，则有：1/HkL<<1/kG，此时传质阻力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。NA=KG(p-pe)1/KG≈1/kG

或KG≈kG对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相湍动程度。即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为“气膜控制”（gas-filmcontrol）。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。令式中KG——气相总吸收系数，kmol/(m2•s•k（2）以（Ce-C）表示总推动力令代入NA=KL(ce-c)KL——液相总吸收系数，m/s（2）以（Ce-C）表示总推动力令代入NA=KL(ce-c)

对于难溶气体，H值很小，则有：H/kG<<1/kL，此时传质阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。1/KL≈1/kL

或KL≈kL即液膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服液膜阻力，此种情况称为“液膜控制”（Liquid-filmcontrol）。如：水吸收氧或氢。对于中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高总吸收系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。对于难溶气体，H值很小，则有：H/kG<<1P*＝HC*,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a(m2/m3)Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKLa:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1P*＝HC*,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl（二）、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面（二）、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的（三）、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa和C*来调节其中P*＝HC*NvHPKLa（三）、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa和调节KLa是最常用的方法，KLa反映了设备的供氧能力。

45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的设备供氧能力不一样调节KLa是最常用的方法，三、影响KLa的因素

KLa反映了设备的供氧能力。发酵常用的设备为：摇瓶发酵罐三、影响KLa的因素KLa反映了设备的供氧能力。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Ws②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

③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①设备参数影响KLa的因素发酵（一）、影响摇瓶KLa的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12，转速250rpm（一）、影响摇瓶KLa的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复装液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392装液量，一般取1/10左右：例：500ml摇瓶中生产蛋A.设备规模的影响单位体积的液体的搅拌功率的指数α随培养装置的规模而相应变化如:小试9L→α=0.95

中试500L→α=0.67

生产规模27T～54T→α=0.50

可见，在放大过程中，KLa在相同条件下会减小。A.设备规模的影响单位体积的液体的搅拌功率的指数α随培养装B.设备形状结构的影响如20T的伍式发酵罐：α=0.72,ß=0.11B.设备形状结构的影响如20T的伍式发酵罐：α=0.72,已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：（二）、影响发酵罐中KLa的因素已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：（二）、影响发酵罐中K平叶箭叶弯叶平叶箭叶弯叶1、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节KLa的效果显著Q搅拌器直径搅拌器转速1、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节KLa的效果显著例某一产品的发酵

dnp0/vc产量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生产糖化酶

n230230270

通气比1:0.81:1.21:0.8

产量181224162846提高d、n，显著提高C，提高了产量提高n，比提高Q有效例某一产品的发酵例黑曲霉生产糖化酶提高d、n2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的蒸发量大中间挥发性代谢产物带走2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培养，比色法测定产量：通气静止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培通气3、小型发酵罐和大型发酵罐调节KLa的特点

小型发酵罐，转速可调

大型发酵罐，转速往往不可调

大型反应器的合理设计

对现有设备一定要注意工艺配套3、小型发酵罐和大型发酵罐调节KLa的特点小型发酵罐，转速4、生物反应器放大的基本思想小型反应器和大型反应器的差异：传动传热传递生物反应过程剪切、混合、供氧4、生物反应器放大的基本思想小型反应器和大型反应器的差异：生发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败（供氧、混合、剪切）。发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相根据r，KLa、搅拌桨特性→搅拌功率KLaN，D（搅拌功率）Q（通气量）大小小大根据r，KLa、搅拌桨特性→搅拌功率KLaN，D（搅拌功率）5、影响KLa的其它因素空气分布器液体的粘度氧载体5、影响KLa的其它因素空气分布器液体的粘度氧载体四、CL、r和KLa的测定（一）、CL的测定1、化学法I2+2四、CL、r和KLa的测定（一）、CL的测定1、化学法I22、溶氧电极

极谱型（阴极）：O2+2H++2e→H2O2

原电池型(阴极)：O2+2H2O+4e→4OH-2、溶氧电极极谱型（阴极）：O2+2H++2e原电池型(

极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5～30μA（主要取决于阴极的表面积和测试温度），可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。

膜：耐温、透气、不通水

测定：一般是得到相对值极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应（二）、r的测定1、物料衡算

流量（进口空气中氧的氧含量—出口空气中的氧含量）r=————————————————————————

发酵液体积氧的浓度：氧分压仪（二）、r的测定1、物料衡算流量（进口空气中氧的氧2、溶氧电极停止供气：dCL——=-rdt2、溶氧电极停止供气：dCL（三）、KLa的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）氧→亚硫酸钠的氧化KLa.C*=亚硫酸浓度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4（三）、KLa的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）氧→亚硫酸钠的氧2、平衡法

rKLa=————C*-CL例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为1VVM（标态），发酵液的CL＝25%、空气进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的KLa2、平衡法r例：一个装料为7L的实验室3、动态法

不同的测定方法得出的KLa是不一样的3、动态法不同的测定方法得出的KLa是不一样的五、溶氧浓度的变化及其控制（一）、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定KLa下）：rXQCL一般有一个低谷，在对数生长的末期五、溶氧浓度的变化及其控制（一）、典型的分批发酵中氧浓度的变（二）、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反应：

XS→P+Xπ=a+bμ（二）、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反应：第7章-发酵工业中氧的供需课件菌体生长期：