第六章发酵工业中的传氧

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的测定一、细胞对氧的需求（一）氧在微生物发酵中的作用（二）可利用氧的特征（三）微生物的耗氧特征（四）溶解氧控制的意义（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COOHCHOHCHCHO3232（二）可利用氧的特征只有溶解状态的氧才能被微生物利用。1.微生物需氧量的表示方式(1)呼吸强度（比耗氧速率）QO2：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。单位：mmolO2/（kg干菌体·h）。(2)摄氧率γ（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。单位：γ=QO2·xx——细胞浓度，kg(干重)/m32.QO2与溶氧浓度CL关系(1)当CLCcr时，QO2＝(QO2)m(2)当CLCcr时，k0：亲和常数（半饱和常数），单位：mol/m3k0特征：k0越大，亲和能力越小，QO2越小。不同微生物的k0特征值不一样，可以此作为通气操作的依据。L0Lm2O2OCkC)Q(Q(3)Ccr的定义微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界氧浓度，以Ccr表示。CLCcr，QO2保持恒定CLCcr，QO2大大下降微生物对氧的需求一般对于微生物：CCr:＝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.（三）培养过程中细胞好氧的一般规律A.培养初期：QO2逐渐增高，x较小。B.在对数生长初期：达到(QO2)m，但此时x较低，γ并不高。C.在对数生长后期：达到γm,此时QO2(QO2)m，xxmD.对数生长期末：S↓,OTR↓,QO2↓而γ∝(QO2,x,OTR),虽然x=xm,但QO2、OTR占主导地位，所以γ↓E.培养后期：S→0，QO2↓↓,γ↓↓酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系疣孢漆斑霉在分批培养时呼吸强度的变化影响微生物耗氧的因素微生物本身遗传特征的影响，如k0↑，QO2↓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（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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。（四）溶解氧控制的意义二、发酵过程中氧的传递（一）供氧的实现形式（二）发酵过程中氧的传递1.氧的传递途径与传质阻力2.气体溶解过程的双膜理论3.氧传递方程4.发酵过程耗氧与供氧的动态关系(一)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1.细胞培养体系氧的传递过程气泡细胞滞流区滞流区气-液界面液-细胞团界面细胞团细胞膜液相主体生化反应（二）发酵过程中氧的传递(1)双膜理论的基本前提气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以浓度差方式透过双膜；气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一点氧浓度、氧分压相等。2.气体溶解过程的双膜理论氧在空气中的分压氧溶解于液相的浓度气液接触面气膜液膜扩散方向ppiCiCLp-piCLCi-双膜理论的气液接触在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系;氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。1)气膜传递阻力1/kG2)气液界面传递阻力1/kI3)液膜传递阻力1/kL4)液相传递阻力1/kLB5)细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC6)固液界面传递阻力1/kIS7)细胞团内的传递阻力1/kA8)细胞膜、细胞壁阻力1/kW9)反应阻力1/kR供氧方面的阻力耗氧方面的阻力氧的传递阻力(2)传质理论传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速率相等，则单位接触界面氧的传递速率为：nO2—单位接触界面的氧传递速率，P、Pi—气相中和气、液界面处氧的分压，MPaCL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度，kG—气膜传质系数，kL—液膜传质系数，m/hLLiGiOkCCkPPn112阻力推动力)(22hmlOkmo3mkmol)(2MPahmkmol若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数，KL—以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/sP*—与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，PaC*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3)CC(K)PP(KnL*L*GO2)Pasm(mol2根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即：H——亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体、溶剂种类及温度有关。*HCPL*HCPiiHCP*OG*G2OPPnK)PP(Kn222222OLiOiO*iOiO*Gn)CC(HnPPnPPnPPnPPK12211OiGGiOnPPkkPPn2OLiLnCCk1LLiokCCn/12LGGkHk1K1由式同理：由于氧气难溶于水，H值很大，＜＜,说明这一过程液膜阻力是主要因素。LGLkHkK111GHk1Lk1LLkK3.氧传递方程在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数。在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为)(1)()(***PPHaKPPaKCCaKOTRLGLLOTR—单位体积培养液中氧的传递速率，KLa—以浓度差为推动力的体积溶氧系数，h-1,s-1KGa—以分压差为推动力的体积溶氧系数,)hm(olkm3)MPahm(olkm34.发酵过程耗氧与供氧的动态关系细胞呼吸的本征要求:氧传递特征（发酵罐传递性能）若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：2OQxLLmOOLLCKxCQxQCCaKOTR)()(22*传递消耗对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得。kLa亦可称为“通气效率”,可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。LOLCCxQaK*2在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示:在稳态时,则，则xQCCaKdtdCOLLL`2)(*0dtdCLaKxQCCLOL2*由气液传递速率方程)(*LLCCaKOTR2.kLa的影响因素（一）影响氧传递的因素1.影响推动力C*-CL的因素影响比表面积a的因素影响液膜传递系数kL的因素可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：1)温度氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:t—温度,℃Cw*—氧在纯水中的溶解度,mol/m3T↑，Cw*↓，推动力↓6.316.14*tCw2)溶质A.电解质1)对于单一电解质Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3Cw*—氧在纯水中的溶解度,mol/m3CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化。E*e*wKCCClg)C,C(*eE2)溶质2）对于几种电解质的混合溶液：式中hi—第i种离子的常数,m3/kmol离子强度,kmol/m3Zi—第i种离子的价数,—第i种离子的浓度,kmol/m3iii*e*wIhCClgEiiiCZ21IEiC2)溶质（续）B.非电解质式中Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度,mol/m3CN—非电解质或有机物浓度,kg/m3k—非电解质的Sechenov常数,m3/kgNnwKCCC**lg)C,C(*nN2)溶质（续）C.混合溶液(电解质+非电解质):叠加Cm*—氧在混合溶液中的溶解度,mol/m3jnjwiiimwCCIhCC****lglg溶质↑，Cm*↓3)溶剂通常溶剂为水;氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。4)氧分压提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。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HL③发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量等。①设备参数综合①②③三类影响因素，有其中d—搅拌器直径，m;Ν—搅拌器转速，s-1;ρ—液体密度，kg/m3;—液体粘度，Pa·s;DL—扩散系数,m2/s;σ—界面张力，N/m;Ws—表观线速度，m/s;g—重力加速度,9.81m/s2),,,,,,,(gDWNdfaKLsLKLa的准数关联式写成准数式(无因次式)准数RenoldsNdmRe2LLDdaK212)Nd(23)(2gdN4)(LD5)(sW6)(sWNd＝SherwoodLLDdaK2准数准数Froude2gdN通气准数3NdQWNdNagssW＝气流准数SchmidtLD准数KLa影响因素的分析依据：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：合并化简得：LLDdaK2＝0.065.12)(Nd19.02)(gdN5.0)(LD6.0)(sW32.0)(siWND6.019.04.028.05.051.12.2gWDdNsLKLa=0.06问题：当设备一定，发酵液性质一定，即d；ρ、、σ、DL、g两类因素不变，可否建立KLa与操作条件间的独立关联式：如？Ｎ＝WkaKLs2.228.0不行，实测后必须以进行分析。当通气是重要影响因素时，建立小型罐成功发酵的关联式或建立放大的关联式要特别小心。①当其他条件一定，改变N、Ws测相应的KLa，不能根据实测数据建立方程KLa≠KNαWsβ②当规模扩大后，想建立等KLa放大的关联式更困难，只考虑N、Ws时，则KLa与相差甚远，关系复杂。sGLWVPkaK)(WNs实际工作中，通常以“单位体积搅拌功率”代替“N”建立KLa表达式，则实测时拟合得很好。∵PG/V不仅包含了“N”的变化，也真实反映了流态的影响(即Ws、N与设备及发酵液特性共同作用)。A.搅拌对KLa的影响转速N↑→PG↑→KLa↑搅拌作用(影响KLa原理)将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积，即a↑→KLa↑→溶氧↑搅拌产生