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1、发酵工艺的控制第六章 传质与通气,重点：微生物的需氧和溶解氧的控制；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；氧的传递途径与传质阻力；气体溶解过程的双膜理论；氧传质方程；影响氧传递速率的主要因素；溶氧系数的测定；溶氧系数换算； 难点：气体溶解过程的双膜理论；氧传质方程；,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0.25 mmol.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
2、溶氧成为限制因素。,氧的供需及对发酵的影响,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,氧的供需及对发酵的影响,第一节微生物的需氧和溶解氧的控制一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 微生物方面来看，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需要的代谢产物。 不同菌种及不同菌龄、不同发酵阶段所需的氧是不同的；,微生物对氧的需求量可用呼吸强度和耗氧速率两种方法来描述：,呼吸强度（ ）是菌体的特征参数； 耗氧速率（ ）是与有关的工艺参数； 两者之间的关系是如，谷氨酸发酵时，一般菌体生长繁殖期比
3、谷氨酸生成期对氧的浓度要求低，长菌阶段供氧为菌体的亚适量，溶氧系数Kd为4.0*10-65.9*10-6 mol/(mLminMPa)，谷氨酸形成阶段要求溶氧系数Kd为1.5*10-51.8*10-5 mol/(mLminMPa)；,三、影响需氧的因素,r= QO2 .X,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,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr,QO2,CL,CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。,微生物对氧的需求,一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度,例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8
4、% 产黄青霉 2.2*10-2 mmol.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.,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0.052 mmol O2L-1S-1 计，溶氧为0.25 mmol O2L-1 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%,氧对鱼类的影响,胡隐昌，水产养殖,2003,二、微生物的临界氧浓度：C临界,C临界:是微生物生长环境中氧浓
5、度的一个概念，是指微生物进行某种生理活动时，对环境中氧浓度的最低要求，与最适氧浓度概念是相区别的。如对合成产物而言，便称为该产物合成的临界氧浓度。 不同种类的微生物的C临界不同，同种微生物在进行不同生理活动时也不同。,最适氧浓度的大小和产物合成代谢的特征有关,1、青霉素发酵的临界氧浓度在5-10mmol/L 之间，低于此值对青霉素的合成带来损失，时间愈长，损失越大。2、氨基酸发酵与需氧量的关系：第一类谷氨酸族氨基酸发酵，在菌体呼吸充足下，产量才最大，若供氧不足，合成受到强烈抑制；第二类天冬氨酸族氨基酸发酵，供氧充足可得最高产量，供氧受限影响不明显；第三类包括亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受
6、限，细胞呼吸受抑制，才能获得最大量的氨基酸，相反，产物形成反而受抑制。氨基酸发酵过程的不同导致需氧量的不同的原因： 不同代谢途径产生不同数量的NAD（P）H，则氧化时所需溶氧量就不同。,三、发酵过程溶氧的变化 正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律。（一）发酵过程中溶氧变化分为三个阶段：,发酵初期：菌体生长过程，耗氧量剧增，溶氧浓度明显下降，出现一个低峰。发酵中后期: 对分批发酵来说，溶氧变化比较小；在生产后期: 菌体衰老，呼吸减弱，溶氧会逐步上升，当菌体自溶，溶氧上升更明显。（二）发酵过程中，造成溶氧异常变化的原因： 溶氧异常下降的原因 溶氧异常上升的原因,污染好气性杂菌，
7、大量的溶氧被消耗掉,菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降,某些设备或工艺控制发生故障或变化，引起溶氧下降,主要是好氧出现改变，如代谢异常，耗氧能力下降,染上烈性噬菌体，影响最为明显,四、溶解氧控制的意义,微生物只能从其生活的液体基质中获得氧，以供其生理活动。 发酵液中所含氧的多少就显得很重要。氧是难溶气体，为满足发酵中菌体对氧的需求，必须采用强制供氧措施； 另一方面，由于氧有时又可改变菌体的代谢方向，故又需要根据生产需要适时地调节控制供氧，这需要根据具体的发酵工艺而定。,氧从空气经过一系列复杂的途径，最终被传递到菌体内呼吸酶所在的位置上才能被利用。一、传递途径与传递阻力 （一）传递途径：气
8、泡中氧气膜气液界面发酵液胞外液膜细胞膜细胞内,第二节 传质理论,2.供氧方面的阻力 ：气膜； ：气液界面； ：液膜； ：发酵液；由于氧是难溶气体，所以 即液膜处的阻力是主要阻力来源； 3.耗氧方面的阻力 ：胞外液膜； ：菌丝丛； ：细胞膜； ：胞内传递； ：为耗氧方面的阻力主要来源；另外 受菌体生理及培养基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。,细胞内反应阻力1/k8产生的原因：,培养及的成分与其相应的酶的作用失活；一些生理条件如温度、pH值等不适于酶的反应；一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去；,二、气体溶解过程：双膜理论 氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程。 因此，根据这一模型建立
9、起来的气体溶解理论称为双膜理论。,气相（氧）,气液接触界面,液膜,氧气在气膜中的扩散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧分压之差，即P - Pi，在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度与液体中氧浓度之差，即Ci - CL； 两种膜的阻力分别用 和 表示，则单位界面氧的传递速率为：,由于不能直接测定气膜和液膜处氧的分压、氧浓度，上试不能直接用于实际操作。如果将两膜合并起来考虑，用总传质系数和总推动力来考虑上式，则： 根据亨利定律，气体的溶解度与该气体的分压成正比，可得：,为找出总传质系数与上述气膜、液膜的传递系数之间的关系，将变形，利用亨利定律，将O2浓度换成相对应的分压来表示，得： 再根据提供的
10、关系： ，对于易溶气体如NH3来讲，H很小， 可以忽略，则 ，此时气体溶解的阻力主要来自于气膜阻力；同得： ，对于难溶气体如O2，H很大， ，此时气体溶解的阻力主要来自于 。,三、传质方程,以上只是讨论氧溶解的过程，对于整个发酵工艺控制来讲，作为控制工艺的参数还需要从整个发酵罐对氧的需求来进行调控。 在讨论氧溶解过程时接触到气-液界面，但没有涉及其面积，可以想象，如传质界面积加大，单位时间内溶到发酵液中的氧的量也越大，为了考虑到这方面的因素，在实际应用中，引入内界面面积参数，用表示，单位为： ；,以上讨论提及，氧是难溶气体，H很大，其 ；将 两边同乘 ，则 体积溶氧速率； 是以 为动力的体积溶
11、氧系数，该式中 、 、 均易测量，据此可以算出 ；另外，要使发酵正常进行，供氧与耗氧至少应相等： ，从此式亦可算出。,需要指出的是：供氧与耗氧的平衡是动态的。 也称为“通气效率”，用来衡量发酵罐的通气状况， 高，表示通气富裕，低则表示贫乏。 另外，从 的构成看， 对于给定的气体而言为定值，因此 的变化受a的影响，所以发酵通气的控制主要是想法提高a的值。当供氧与耗氧达到平衡时：,第三节影响氧传递速率的主要因素,影响氧传递速率的主要因素为：一、搅拌（一）搅拌的作用：搅拌的作用过度强烈搅拌的危害：产生到的剪切力，对细胞造成损伤（特别是丝状菌）,（1）增加溶氧速率,（2）使微生物悬浮混合一致，促进产物
12、代谢,把大的空气泡打成小的,使液体作涡流运动，增加了接触时间,使发酵液呈湍流运动，减少液膜阻力，KLa增大,（二）搅拌器的形式、直径大小、转速、组数等对氧的传递速率的影响,1、搅拌器的形式：按液流形式可分为,轴向式：如浆式、锚式、框式和推进式,径向式：如涡轮式,（2）带挡板的发酵罐与不带挡板的区别,挡板的数目一般为4个，其宽度一般为罐径的1/12-1/10，与罐壁垂直，且留有空隙10-40mm,2、搅拌转速n和叶径d对溶氧水平和混合程度的影响,当功率不变时，n3d5=常数，即低转速大叶径或高转速小叶径都能达到同样的功率。功率P与搅拌循环量Q搅合液流速度压头H搅成正比，即 PQ搅H搅在湍流状态下
13、， PQ搅H搅 n3d5而 Q搅 nd3 H搅 n2d2但是，必须两者兼顾 ：当空气流量小或黏度小、菌体易分散均匀，采用小叶径，高转速较好；当空气流量大或黏度大、菌丝易结团的，采用大叶径，低转速较好；,3、搅拌组数对溶氧的影响,搅拌器的组数确定要根据有利于提高溶氧水平，又要保证混合均匀。如，在H/D=2.4的发酵罐中，培养物为牛顿型，相同功率下，两组搅拌器的溶氧值Kd比三组的Kd值高；但在丝状发酵液，当黏度0=700Pas时，三组搅拌器比两组的Kd值高，而当黏度0=500Pas时，三组合两组搅拌的Kd值基本相等。,二、空气线速度,机械搅拌通风发酵罐的溶氧系统KLa与空气线速度vs 的关系为：
14、KLa v s为指数，在0.4-0.72之间。 当增加通风量是，空气线速度相应增加，从而增大溶氧；但如果只增加风量而转速不变，功率会降低，又会使溶氧系数降低。同时，空气线速度过大时，会发生”过载”现象。过载:指浆叶不能打散空气,气流形成大气泡在轴的周围逸出,使搅拌效率和溶氧速率大大降低.,三、 空气分布管,1、发酵中常用的空气分布管：有单管、多孔环管和多孔分支环管等。2、空气分布管对氧溶解速率的影响通风量小时，气泡的直径与空气喷口的直径的1/3次方成正比，即喷口直径越小，气泡直径越小；但在工业发酵中，通风量大时，采用单管或环形管通风效应不受影响。常采用单管向上开口，且空气被搅拌器打碎。,四、氧
15、分压,1、增加氧分压的作用： 由传质方程式看出，增加推动力（c*-cL）或（p-p*）可使氧的溶解度增加。增加空气中氧的分压可使氧的溶解度增大。2、增加氧分压的方法：增加空气压力（罐压）；采用含氧量较多的空气或纯氧；3、氧分压过大造成的危害设备要求高，增加成本；影响菌体的生理代谢（一般在5大气压下不会受损害），出现氧中毒。,五、发酵罐内液柱高度,一般在不增加功率消耗和空气流量时，增加体积会使通风效率降低。 但在空气流量和单位发酵液体积好功率不变时，通风效率随H/D(罐的径高比) 的增大而增加。如，当H/D从1增加到2时，KLa可增加40%；当H/D从2增加到3时，KLa可增加20%。国外通常采用H/D=3-5，国内的工厂采用H/D=3。,
