微生物工程工艺原理传质与通气

第八章传质与通气•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。§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。•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。•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。•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+6CO2•2.碳源浓度•与碳源浓度是否成为限制性有关。•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。•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CCc，细胞比耗氧速率保持恒定；若CCc，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。•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；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•§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•(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。•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。•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。•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ppip-piCi-CL气膜液膜气液界面CiCL•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)。•单位接触面氧的传递速率NA为：）－式（＝阻力推动力15)()(/1/1LiLiGLLiGiACCkppkkCCkppN•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)•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，）－式（25)()(LLGACCKppKN•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；•其中，kG或kL与KG或KL的关系，可根据亨利定律来求得，即：LiiHCpHCpHCp）－式（35•根据式（5－1）有：）－式（所以有：；451111)(1LGGALiLAiGALiAiAiAiAGAGkHkKNCCkNppkNCCHNppNppNppNppKppNK•同样可以证明：）－式（55111LGLkHkK•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。•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：）－式（65)(1)()(ppHaKppaKCCaKNLGLL•发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：）－式（）－式（85)(75)(**22LOLOLLCCXQaKXQCCaK•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：aKQCCdtdCXQCCaKdtdCLOLOLL22**095)(则有：稳定状态时：）－式（•KLa值高，表明罐的通气状况好（？？？），反之则差。•§11-3影响氧供给的因素•根据气液传质速率方程式：)(1)(ppHaKCCaKNLLL•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。•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：CTMmolCTCww:,/:6.316.143•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：EewKCCClg•：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/M3•K：Sechenov常数；wCeCEC•存在几种电解质时，有：):(21/lg3离子浓度：离子价数；＝种离子的常数，：第其中，iCiZCZIkmolmihIhCCEiiEiiiiiiiew•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：NnwKCCClg•：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；nCNC•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•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：•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。–(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:d2D；–(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。•2.通气的影响sGLVPaK)(•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。aKL)(VPGaKL通气表观线速度s•(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：)(LsiLDNDfaK•(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•§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•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：422322221SONaOSONaMgCu或•A.氧化的特点：–(1)ν反应恒定；–(2)ν消耗ν溶解；•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。•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：22323222322121OSOSOIIOS223241OOS•由此可得氧的平均溶解速率N：)(12322VVnVnMOSNa)(110001)(41121212tttSttVVnN•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ppNKppKNdd)()/(4000atmmmlgtSpVnKd氧分子•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；•二、极谱法•(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。时间(min)CLC*•从图可以看出，曲线的斜率：•(此时只有耗氧，而无氧溶解)dtdCL•再根据体系处于平衡时来计算KLa：XQCCaKdtdCOLLL2)(LLOLCCCCXQaK**2γ•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；•(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：时间tCLC*•在这种状态下有：)()(LLLLLLCCaKdtdCCCaKdtdC即：•积分后可得:taKCCLL)ln(时间斜率＝-KLa•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。•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。•不稳定状态时，发酵液中某时间间隔的溶氧量为：*))(1()()(2CdtdCaKCCCaKXQCCaKd