氧的供需

第五章发酵工业中氧的供需要求：1)掌握发酵氧传递双膜理论，体积传质系数的测定。2)重点掌握影响氧传递的因素。第五章发酵工业中氧的供需第1节微生物对氧的供需第2节发酵过程中氧的传递第3节影响氧传递因素第4节体积传质系数的测定第1节微生物对氧的供需不同种类的微生物的需氧量不同，一般为25～100mmolO2/(L·h)。一个大气压，250C时氧在培养液中的饱和浓度，大约是0.25mmol/l。(8mg/L)‏原来培养液中的氧只能维持菌的正常呼吸15～30秒。一、主要参数1、呼吸强度：指单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，QO2，单位为mmolO2/kg干菌体·h。2、耗氧速率（摄氧率）：指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，r，单位为mmolO2/m3·h。二者关系：r=QO2·X，X—发酵液中菌体的浓度（kg干重/m3）3、临界氧浓度，用Ccri表示.其大小为溶解氧浓度的5％－10％，一般在0.003－0.05（mmol/L）之间。4、百分饱和度氧浓度表示方法之一。培养液被空气完全饱和时，即为溶氧100%饱和度，室温下为7-8mg/L左右。5、饱和氧浓度微生物细胞的种类温度℃大肠杆菌15大肠杆菌37酵母20酵母340.05黄青霉素240.02黄青霉素300.01临界溶解氧（mmol/L）3.1x10-38.2x10-33.7x10-3•二、影响微生物耗氧的因素1生产菌种四环素产生菌:发酵12hr时最大摄氧率为37毫克分子/升.(mmol/L.hr);链霉素产生菌:发酵12hr时最大摄氧率为45mmol/L.hr;灰红链霉菌:呼吸强度种子罐最高达11，发酵罐最高为6。•2菌龄一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大，老龄生长慢，呼吸强度小。3、营养成分和浓度中间补料和加油举例：链霉素产生菌发酵70小时补糖、氮前摄氧率为34.3(mmol/L.hr)，补料后，78小时摄氧率为41.9。耗氧速率大小:油脂或烃类葡萄糖蔗糖蔗糖乳糖4、培养条件温度有害代谢产物的积累也会抑制细胞呼吸。5、代谢类型第2节发酵过程中的氧传递一、氧传递理论气泡气-液界面液膜气膜主体流细胞细胞-液相界面细胞周围液膜细胞内膜传递过程：供氧是指氧从空气气泡通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中；耗氧是分子氧自液相主体通过液膜、菌丝体、细胞膜扩散到细胞内。气膜液膜1/KC1/Km细胞内膜细胞周围液膜细胞-液相界面(CLi)1/KL1/KG气泡(C)气-液界面细胞内(C0主体流体(CL)供氧途径1/KGi1/KLb供氧途径与传质阻力供氧阻力：主要气膜和液膜阻力。（细小气泡增加接触时间）。耗氧阻力：细胞膜或细胞团。（搅拌减少逆向扩散梯度，降低阻力）氧从空气泡到细胞的总传递阻力为上述各项传递阻力的总和。总推动力是气相与细胞内氧分压之差。cmLbLGiGtkkkkkkK1111111二、双膜理论假说1）在气液两个流体相间存在界面，界面两边具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜，这两层稳定的薄膜在任何流体动力学条件下，均呈层流状态；2）在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡即界面上不存在氧传递阻力；pi=HCi3）在两膜以外的气液两相的主流中，氧的浓度、分压相等，即无任何传质阻力，所遇到阻力仅存在于两层滞流膜中。稳定状态时，总传质速率与串联的各步传质速率相等。传递速率p，pi：气相中和气液界面处氧分压，Mpa;Ci,CL：气液界面和反应液主流中（液相）氧浓度(kmol/m3)‏GiLLikppkCCN11＝阻力推动力气液界面附近氧分压与浓度的变化用亨利定律表示P=H·CH:亨利常数。LHCP*CHP亨利常数＋＝＋＝质系数，以氧浓度为推动力的传总传质系数，为以氧分压为推动力的总传质过程:11111/:/:2HkHkKkHkKsmKPasmmolKLGLLGGLG液膜阻力是主要因素。亨利常数。值很大，氧难溶于水，:11HkKkHkHLLLGLLGLLGiLLiCCKHkkCCkppkCCN**1111＝阻力推动力)/(:**2hmkmolNcckccKNLLLL速率，单位接触界面的氧传递323/)/(:*mmahmkmolOTRCCaKaNOTRLL：气液比表面积，递速率，单位体积培养液的氧传氧传递方程体积传质系数KLаKLа是两个参数的乘积，由于分别测定比较困难，实际测定中常将它们并为一项，称为体积传质系数，单位h-1。供氧=需氧最佳操作条件；供氧需氧有时有抑制作用，并且浪费；供氧需氧对菌生长、产物代谢不利。OXOOOOXOOYQQCXYQXQ/2/2222:氧消耗的菌体得率比呼吸速率。速率，呼吸强度，氧的比消耗需氧的饱和溶解浓度；其最大值为某状态下氧氧浓度，与气相分压达到平衡时对氧的衡算式好氧微生物发酵过程中:2CXQCCaKdtdcOLLCCaKNaOTRL供氧XQCCaKOTROL2平衡时第3节影响氧传递的因素一、影响氧传递推动力（C*-CL）的因素二、影响体积氧传递系数KLa的因素CCaKOTRL氧传递方程一、影响氧传递推动力（C*-CL）的因素要使推动力大，必须C*大CL小。即应使饱和氧浓度增加。影响饱和氧浓度的因素有：1、温度随着温度升高，使饱和溶解度下降。温度℃01015202530氧溶解度2.181.701.541.381.261.16在1.01×105Pa、温度在4－33℃的范围内与空气平衡的纯水中，氧的浓度：为温度，℃。氧浓度，：为空气平衡时水中的tmmolwwctc;3/6.316.142、溶液的性质不同溶液对气体溶解度不同；同一溶液，含溶质量越多，氧的溶解度越小。溶液浓度氧溶解度（克分子/升）HClH2SO4NaCl01.261.261.260.51.211.211.071.01.161.120.892.01.121.020.713、氧分压在系统总压小于5大气压的情况下，氧的溶解度与总压和其它气体的分压无关，而只与氧分压成直线关系，用亨利定律表示C=1/H·PO2总结:提高氧的饱和溶解度的手段：降低温度、减少营养成分浓度、提高氧分压。二、影响体积氧传递系数KLa的因素KLa表示设备的供氧能力SGLLWVPKakak关联式：对于牛顿型流体1、操作变量1）温度温度升高，降低发酵液的黏度与液体的表面张力，增加了氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶氧速率。LLTak2）压力通用式发酵罐中，通气量恒定，溶氧速率随压力的增加而增加，同时，KLа值也随压力的增加而增大。在压力许可的范围内可行；pakL3）搅拌作用：（1）将空气打成细泡，增加气液接触面积a（2）使液体形成涡流，气泡随液体涡流，而不是直线上升，增加气液接触时间。（3）减少菌丝结团现象，改善细胞对氧和营养的吸收。单位溶解氧功耗溶解1mol氧所消耗的能量。料液体积。溶氧速率；因通气而消耗的功率；因搅拌而消耗的功率；：：：LaQGLaQGPVNPPVNPPN:评价通风反应器重要指标：（氧传递效率）1）影响体积氧传递系数KLa2）单位溶解氧功耗NP1）对于牛顿流体，大罐与小罐相比，为达到相同的KLa，小罐的PG/V要小，也就是说传氧效率高。2）在其他条件相同时，非牛顿流体与牛顿流通相比，非牛顿性流体KLa，中KL和a都相对较低，因此牛顿流体比非牛顿流体的传氧效率高。能否说，提高好氧发酵中氧传递速率的最好的方法是提高搅拌，怎样做更有效？在低通风量时，可适当增加通风量来提高氧传递速率更好些，对于菌丝体，高搅拌速率，使剪切力加大，对菌丝体损伤大。另外搅拌转速的增加会增加单位溶解氧功耗（NP），提高氧传递速率的同时，应尽量减少通风搅拌功率的增加。2、发酵液的理化性质1）发酵液黏度影响液体的湍流性以及界面或液膜阻力，黏度增大，KLa降低。2）表面活性剂消泡的油脂，分布在气液界面，会增大传递阻力，KLa降低。表面活性剂月桂基黄酸钠浓度对KLaKL的影响3）离子强度在同样的条件下，电解质溶液的kLa比水大，而且随电解质浓度的增加，kLa也有较大的增加。4）菌体浓度一般随菌体浓度的增加，kLa降低。3、反应器结构因素的影响1)高径比：当空气流量和单位体积功耗不变时，通气效率随高径比的增大而增加。2)搅拌器组数和间距：当高径比为2.5时，用多组搅拌器可提高溶氧系数10％；当高径比为4时，采用较大空气流速和较大功率时，多组搅拌可提高溶氧系数25％。2、空气流速ws空气流速增加可增加液体的湍动、翻腾，减少液膜阻力和液体主流的阻力，kLa会增加。但通气量超过上线，搅拌不能有效将空气泡分散到液体中去，而在大量气泡中空转，会造成“过载”，kLa也会降低。摇瓶中通气量的控制1、摇床转速2、控制装量3、纱布层数4、培养液的物理性质随着菌体的生长，培养液的粘度、表面张力、气体溶解度、气泡稳定性会发生改变，也会影响KLa举例750ml摇瓶装液量溶氧浓度（mg/l）30315024.410013.815010.72007.3工艺上主要提高溶氧速度控制手段？1)增加操作压力，在压力许可的范围内可行；2)增大通风量，在低通气量的情况下，增大通气量对提高溶氧浓度有十分显著的效果。3)提高搅拌转速，比改变通气量（空气流速）的效果好。改变气体组成中的氧分压，用通入纯氧的方法改变空气中氧的含量。提高了c*，但成本高，短时间加入可行。3）改变发酵液的理化性质如加消泡剂，补加无菌水，改变培养基的成分等都可以改善通气效果。4）加入传氧中间介质如：血红蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡、甲苯与水等）、含氟碳化物。第4节体积传质系数的测定一、亚硫酸盐氧化法2H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI2Na2S2O3+I2→Na2S4O6+2NaI用碘量法测定亚硫酸钠消耗速度过量的碘与剩余的亚硫酸钠反应，再用标准的Na2S2O3滴定剩余的碘。可求出亚硫酸钠的浓度。422322222SONaOSONaCOCu或测得的反应液中残留的Na2SO3浓度与取样时间作图，由Na2SO3消耗曲线的斜率求出dcNa2so3/dt。**32cdtdccNaakSONaL,0*cccakNaL消耗，由于液相中的氧被迅速在25℃及常压（0.1MPa）下，经测定亚硫酸钠溶液中氧浓度C*=0.21molO2·L-1。亚硫酸盐法特点：1、简便，不需特殊仪器，使用范围广；2、测定是在非培养条件下进行的；仅测定设备的溶氧系数。于实际值存在差异；3、培养设备的工作容积为4－80升，测得数据较可靠；4、适应的kLa值较高时的测定，但对大型反应器，需要消耗大量的高纯度的亚硫酸盐。二、动态法实验中维持发酵罐通气的稳定操作，在t＝0时，停止通气，这时溶氧浓度在下降，下降到一定程度（不低于Ccri），再恢复通气，培养液中溶解氧浓度将逐渐升高。通风时培养液中氧的物料衡算式：当停止通风，有XQCCaKdtdcOL2*XQdtdcO2根据培养液中溶解氧浓度变化速率，可以求出QO2X。(直线斜率为摄氧率r)。再恢复通气，培养液中溶解氧浓度将逐渐升高，最后恢复到原先的水平。由下式XQrtCO2XQCCaKdtdcOL2*只要测定不同时间溶氧变化率和溶氧浓度，可作图得图b，所得直线的斜率为图b中纵轴截距为C*，即发酵条件下氧的饱和浓度；akL1*12cXQdtdcakcOL动态法优点：可以测定真实状态下发酵液中的溶解氧浓度，并可计算出溶氧系数。缺点：停气情况与连续通气的实际情况有一定的差距，而且停气会影响微生物生长，存在一定的误差。例题5－1采用100L通用式发酵罐培养大肠杆菌，通风比（每分钟单位体积发酵液中的通风量，下同）0.8L/(L.min)，kla=0.0417(1/s)，确保满足QO2=8.89x10-5g/(g.s)(以氧/细胞计），Ccri=0.2mg/L,C*=7.3mg/L时，不出现缺氧状态，求此状态下的最大菌体