微生物发酵氧的供需与传递

第五章氧的供需与传递微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制培养过程中氧的传质理论溶氧传递系数的测定方法影响氧传递速率的主要因素发酵液中溶解氧的测定和控制第一节微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系微生物的临界氧浓度控制发酵液中溶解氧的意义一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系无菌空气中的氧发酵液中的溶解氧溶解细胞内氧化酶系传递代谢产物菌体利用微生物吸氧量的表示呼吸强度•单位重量干菌体在单位时间内所吸取的氧的量，QO2，单位mmolO2/(g·h)。•表示微生物的相对需氧量。耗氧速率•单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，r，单位mmolO2/(L·h)。XOcQr2r：微生物耗氧速率，mmol/(L·h)QO2：菌体呼吸强度，mmol/(g·h)cX：发酵液中菌体的质量浓度，g/L影响微生物耗氧速率的因素菌体浓度QO2：–微生物种类和生长阶段–培养基的组成–培养液中溶解氧浓度（cL）–培养条件–CO2微生物种类不同，QO2不同。对数期早期，QO2达到最大值。菌体生长时期＞产物合成时期cLc临，呼吸不受影响；cL＜c临，微生物代谢受影响。与pH、培养温度有关。相同压力下，二氧化碳溶解度是氧气的30倍，所以必须及时除去二氧化碳，否则会影响微生物的呼吸，甚至是代谢。碳源摄氧速率，mol/(m3·s)葡萄糖3.72×10-3蔗糖1.9×10-3乳糖1.4×10-3碳源需氧量，分子氧/分子碳原子甲醇1.34石蜡1.0碳水化合物0.4碳源种类不同，QO2不同。一般，在一定范围内，碳源浓度越高，QO2越大。二、微生物的临界氧浓度表示溶氧浓度的方法：氧分压或张力（DissolvedOxygenTension，DOT）：大气压或mmHg表示，100%空气饱和水中的DOT为159mmHg。绝对浓度：mgO2/L纯水或ppm表示。空气饱和度：以%表示。在一定的温度、罐压和通气搅拌下以消后培养基被空气100%饱和为基准。临界氧浓度（c临界）临界氧浓度：指不影响呼吸（或产物合成）所允许的最低溶氧浓度。微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L，为饱和浓度的1~25%。若不存在其他限制性基质时：•CL＜Ccr时，QO2随CL的增加而增大；•CL＞Ccr时，QO2恒定。三、控制发酵液中溶解氧的意义例：已知菌体浓度为1015个/m3，每个菌体的体积为10-16m3（即直径为5.8μm），细胞的呼吸强度为2.6×10-3molO2/(kg干细胞·s)，菌体密度为1000kg/m3，含水量为80%，计算每立方米培养液的需氧量。解：hmmolOsmmolOkgmskgmolO3232331531623/2.187/052.0kg2.0mkg1000m1010106.2干菌体个菌体个菌体干菌体即每小时在1m3培养液中的需氧量是氧溶解量的750倍。温度溶液性质氧分压影响溶解度的主要因素温度升高，气体分子运动加快，会使氧的溶解度下降。溶液浓度mol/L盐酸硫酸氯化钠01.261.261.260.51.211.211.071.01.161.120.892.01.121.020.7125℃，1atm下纯氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)一般，溶质含量越高，氧的溶解度就越小。系统总压力小于0.5MPa，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。21*OPHc当向溶液中通入纯氧时，溶液中氧的溶解度可达43mg/L。25℃、1×105Pa时，空气中的氧在纯水中的溶解度为0.25mmol/L左右，在培养基中的溶解度更低，约为0.21mmol/L。微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L，只能维持菌体正常生命活动20～50s。因此，必须采取强化供氧。微生物培养的供氧方式•摇床的往复运动或偏心旋转运动。摇瓶•通风：通入无菌压缩空气•搅拌：提高供氧效率发酵罐第二节培养过程中氧的传质理论氧的传递途径与传质阻力气体溶解过程的双膜理论一、氧的传递途径与传质阻力氧的传递途径：供氧：空气中氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。气相中的氧溶解氧呼吸酶溶解传递二、气体溶解过程的双膜理论溶氧速率方程：*1**ppHaKppaKccaKNLGLLN：单位体积液体氧的传递速率，kmol/(m3·h)；KLa:以浓度差为推动力的体积溶氧系数，h－1；KGa:以分压差为推动力的体积溶氧系数，kmol/(m3·h·MPa)；a:单位体积的内界面，m2/m3;cL:溶液中氧的实际浓度，kmol/m3；c*：与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，kmol/m3；p:气相中氧的分压，MPa；p*：与液相中氧浓度c平衡时的氧分压，MPa；H：亨利常数，m3·MPa/kmol。发酵液中的供氧和需氧始终处于动态平衡中供氧：耗氧：某瞬间溶氧浓度变化：LLccaKN*XOcQr2XOLLcQccaKdtdc2*在稳定状态下：aKcQcccccQaKLxOLLXOL22**第三节溶氧传递系数的测定方法测定发酵设备的溶氧传递系数Kla（又称传氧系数）值对于确定其通气效率和确定操作变量对溶氧的影响是十分必要的。–亚硫酸盐氧化法–取样极谱法–物料衡算法–动态法–排气法–复膜电极测定KLa和氧分析仪测定KGa一、亚硫酸盐氧化法在反应器中加入0.5mol/L的亚硫酸钠溶液，10-3mol/L的硫酸铜溶液（或镁离子、钴离子作催化剂），以固定速率进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧迅速生成硫酸钠。亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率，该反应的速度由气液相的氧传递速度控制，在一定范围内（0.018~0.5kmol/m3）与亚硫酸钠浓度无关。氧一溶解于液体中就立即被还原，溶液中氧浓度为0：剩余的Na2SO3与过量碘作用：用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘：MPamlmolOptVcVpNKacKNmlmolOtVcVNSdLSmin/,4000*min/,400022N：平均溶氧速率，molO2/(ml·min)；VS：取样量，ml；c：Na2S2O3标准溶液的浓度，mol/L；Δt：两次取样间隔时间，min；ΔV：两次滴定所用Na2S2O3标准溶液的体积差，ml；Kd：以压力差为推动力的体积溶氧系数，molO2/(ml·min·MPa)。优点：–操作简便，且在相当清洁的条件下能得到非常精确的结果；–取样均匀；–不需要特殊仪器。缺点：–发酵罐内如有极少量的表面活性剂，都可导致测定值不精确；–亚硫酸钠溶液对菌体生长有影响，且流变学性质与发酵液差别较大，加之氧传递影响因素较多，故测定值不能反映真实培养状态下的溶氧；–只在工作容积为4～80L的设备中测定比较可靠，且仅能表示培养设备通气效率的优劣。二、取样极谱法当发酵液中加入的电压为0.6~1.0V时，扩散电流的大小与溶解氧的浓度成正比。将发酵液放入极谱仪的电解池中，测定氧的浓度cL，以时间为横坐标，溶解氧浓度为纵坐标作图。曲线的斜率的负数即为摄氧率r。则，溶氧传递系数𝐾𝐿𝑎=𝑟𝑐∗−𝑐𝐿=-斜率𝑐∗−𝑐𝐿优点：–由于氧的分解电压最低，发酵液中的其他物质对测定的影响甚微，因此，此法可直接用于发酵状态的溶氧传递系数的测定。缺点：–溶解氧浓度的测定需要从设备中取样后测定，样品压力由罐压降至大气压，测定的氧浓度不准确，且静止条件下测得的摄氧率与实际培养状态不完全一致，误差较大。三、物料衡算法XOLLcQccaKdtdc2*处于稳态时，𝑑𝑐𝑑𝑡=0，则：𝐾𝐿a=𝑟𝑐∗−c𝐿例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为100L/h，发酵液的溶氧浓度为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KLa。四、动态法先提高发酵液中的溶氧浓度，使其远高于临界氧浓度(cc)；达到平衡后，停止通气而继续搅拌，溶氧浓度直线下降；待尚未降至cc之前，恢复通气，溶氧逐渐升高，恢复至平衡。以cL对时间t作图。在停止供气阶段，直线斜率为摄氧率r。。，截距为为作图，得直线，其斜率对以则：对氧进行物料衡算：***11CaKQXdtdCCCQXdtdCaKCQXCCaKdtdCLLLLLLLLL优点：–只需要溶氧电极，即可测得实际发酵系统的KLa。缺点：–对于高黏度的发酵液，停止供气后，气泡的释放速度缓慢，或由于高搅拌速度所产生的表面曝气作用，会影响cL-t曲线的正确性。五、复膜电极测定KLa和氧分析仪测定KGa极谱型复膜电极：–阳极：管状银；–阴极：铂或金；–电解质溶液；–极化电源；–膜：透气、不透水、耐高温的高分子薄膜。O2+2H++2e→H2O2VCCQXdtdCQXVCCdtdCVLL出进出进空气流量，则处于稳态时，空气流量氧的物料衡算式：r0处于稳态时：𝐾𝐿a=𝑟𝑐∗−c𝐿则：𝐾𝐿a=𝑟𝑐∗−c𝐿=空气流量𝑐进−𝑐出𝑉𝑐∗−c𝐿优点：–利用复膜电极可在培养过程中测定cL、r及KLa，代表培养过程的实际情况。第四节影响氧传递速率的主要因素溶液的性质对氧溶解度的影响气-液比表面积对氧溶解度的影响影响氧传递系数的因素LLccaKN*一、溶液的性质对氧溶解度的影响温度：–氧的溶解度随温度的升高而降低。溶液性质：–一般，溶质含量越高，氧的溶解度就越小。氧分压：–增加罐压，但同时会增加CO2的溶解度，不利于CO2排出，而影响细胞的生长和产物的代谢；–富氧通气。二、气-液比表面积对氧溶解度的影响氧的传递速率与气-液比表面积成正比。气-液比表面积取决于气体的截留率和气泡的直径。气体的截留率：–搅拌延长气泡在发酵液中的停留时间，增大了气体截留率。–增大通风量，增加了气体截留率。气泡的直径：–搅拌的剪切作用减小气泡的直径。三、影响氧传递系数的因素搅拌空气线速度空气分布管发酵液性质表面活性剂离子强度菌体浓度1、搅拌搅拌系统–搅拌桨•搅拌桨的功能•搅拌桨参数–挡板（1）搅拌桨的功能将大的空气泡分散成细小气泡，防止小气泡的凝聚，增加了氧与液体的接触面积；使培养液作涡流运动，延长了气泡在发酵液中的停留时间；使菌体分散，避免菌丝结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一；同时减少了菌体表面液膜的厚度，有利于菌体对氧的吸收；强化发酵液的湍流程度，降低了气/液接触界面的液膜厚度，减小氧传递过程的阻力；使罐内温度和营养物质浓度均一，气、液、固三相充分混合；可尽快排除细胞代谢产生的“废气”和“废物”，有利于细胞的代谢活动。（2）搅拌桨参数搅拌器的形式搅拌器的间距搅拌器的相对位置搅拌转速和叶径搅拌组数下组搅拌器距罐底(0.8～1)d为好。搅拌器的形式圆盘涡轮式搅拌器产生径向液流。在搅拌器上下两面形成两个循环的翻腾。a、圆盘型；b、曲线型；c、螺旋桨型；d、45°角型搅拌功率相同时：粉碎气泡能力：平叶式＞弯叶式＞箭叶式翻动液体能力：平叶式＜弯叶式＜箭叶式搅拌器的间距非牛顿型发酵液（霉菌、放线菌）•2d以下牛顿型发酵液（细菌、酵母菌）•(3～4)d搅拌转速和叶径增大n，提高H搅(液流速度压头)，提高溶氧水平；增大d，增加Q搅(搅拌循环量)，使混合均匀。要根据具体情况确定n和d。32253ndQdnHdnQHP搅搅搅搅小叶径，高转速•空气流量小，动力消耗小•空气流量大，动力消耗大•粘度小，牛顿型发酵液大叶径，低转速•空气流量大，动力消耗小•粘度大，非牛顿型发酵液挡板使液体变为轴向流动，增加了溶氧速率。2、空气线速度通风：进气管–供给适量空气。通风量增加，空气线速度增加，溶氧增加；只增加通风量而搅拌转速不变时，搅拌功率会降低，甚至出现“过载”现象，搅拌速率和溶氧速率都大大降低。–过载：即气体不经分散而沿搅拌叶缓慢运动的中心迅速上升。sLvaK3、空气分布管空气分布管型式–单管、多孔环管或多孔分