《通氣與攪拌》ppt課件

1、第七章第七章 通氣與攪拌通氣與攪拌 在常壓下在常壓下2020到達(dá)平衡時(shí)，氧在水中的溶到達(dá)平衡時(shí)，氧在水中的溶解度僅為解度僅為6.2ml6.2mlL L0.28mmol0.28mmol。這些氧只能。這些氧只能保證氧化保證氧化8.3mg8.3mg即即0.046mmol0.046mmol葡萄糖，僅相葡萄糖，僅相當(dāng)培育基中常用葡萄糖濃度的當(dāng)培育基中常用葡萄糖濃度的11。 對(duì)于發(fā)酵液中每小時(shí)在對(duì)于發(fā)酵液中每小時(shí)在1m3 1m3 培育液中需求氧是培育液中需求氧是溶解量的溶解量的750750倍。假設(shè)中斷供氧，菌領(lǐng)會(huì)在幾倍。假設(shè)中斷供氧，菌領(lǐng)會(huì)在幾秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。 對(duì)好氧菌來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)的限制因子

2、幾乎總是氧的對(duì)好氧菌來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)的限制因子幾乎總是氧的供應(yīng)。供應(yīng)。第一節(jié)第一節(jié) 微生物對(duì)氧的需求微生物對(duì)氧的需求 一、描畫(huà)微生物需氧的物理量一、描畫(huà)微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度QO2QO2：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積分量的細(xì)胞所耗費(fèi)的氧氣，分量的細(xì)胞所耗費(fèi)的氧氣，mmol O2gmmol O2g菌菌-1h-1 -1h-1 攝氧率攝氧率(r)(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需求的氧量。：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需求的氧量。mmol O2L-1h-1 mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .Xr= QO2 .X二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物構(gòu)成

3、的影響二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物構(gòu)成的影響CCrQO2CLCCr: 臨界溶氧濃度臨界溶氧濃度, 指呼吸強(qiáng)度不再隨著溶氧濃度指呼吸強(qiáng)度不再隨著溶氧濃度變化而變化時(shí)的溶氧濃度；指不影響呼吸所允許的變化而變化時(shí)的溶氧濃度；指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。最低溶氧濃度。 在培育過(guò)程中不需求使溶解氧濃度到達(dá)或接近在培育過(guò)程中不需求使溶解氧濃度到達(dá)或接近飽和值，而只需超越某一臨界氧濃度即可。飽和值，而只需超越某一臨界氧濃度即可。 當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，假設(shè)溶氧濃度高當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，假設(shè)溶氧濃度高于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率堅(jiān)持恒定；于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率堅(jiān)持恒定； 假設(shè)溶氧濃度低于臨

4、界值，細(xì)胞的比耗氧速率假設(shè)溶氧濃度低于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率大大下降，這時(shí)細(xì)胞處于半?yún)捬跣螤?。大大下降，這時(shí)細(xì)胞處于半?yún)捬跣螤?。普通?duì)于微生物：普通對(duì)于微生物： CCr: CCr: 1 115%15%飽和濃度飽和濃度例：酵母例：酵母 4.6 4.6* *10-3 mmol.L-1, 1.8%10-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.2 2.2* *10-2 mmol.L-1, 8.8%10-2 mmol.L-1, 8.8%定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/ /臨界溶氧溶度臨界溶氧溶度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只需控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度所以對(duì)于微生物生

5、長(zhǎng)，只需控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度=1.=1.影響氧飽和濃度影響氧飽和濃度C C* *的主要要素的主要要素溫度溫度氧飽和濃度氧飽和濃度C C* *：外界條件不改動(dòng)，氧氣在溶液中：外界條件不改動(dòng)，氧氣在溶液中的濃度不隨時(shí)間改動(dòng)而改動(dòng)時(shí)的氧的濃度的濃度不隨時(shí)間改動(dòng)而改動(dòng)時(shí)的氧的濃度溶液的性質(zhì)溶液的性質(zhì) 氧在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度不一樣，在氧在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度不一樣，在同種溶液溶質(zhì)含量不同的溶解度也不一樣，普同種溶液溶質(zhì)含量不同的溶解度也不一樣，普通說(shuō)，溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度越小。通說(shuō)，溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度越小。氧分壓氧分壓 在系統(tǒng)壓力小于在系統(tǒng)壓力小于0.5MPa0.5MPa的情況下，

6、氧在溶的情況下，氧在溶液中的溶解度與氧分壓成正比。液中的溶解度與氧分壓成正比。三、影響需氧的要素三、影響需氧的要素 r= QO2 .Xq 菌體濃度菌體濃度 q QO2 遺傳要素遺傳要素 菌齡菌齡 營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度 有害物質(zhì)有害物質(zhì) 培育條件培育條件 一、氧傳送的動(dòng)力和阻力一、氧傳送的動(dòng)力和阻力 傳送過(guò)程的總推進(jìn)力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分傳送過(guò)程的總推進(jìn)力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓之差。壓之差。 在氧從氣泡傳送到細(xì)胞內(nèi)要抑制一系列的阻在氧從氣泡傳送到細(xì)胞內(nèi)要抑制一系列的阻力，相對(duì)大小取決于流膂力學(xué)特性、溫度、力，相對(duì)大小取決于流膂力學(xué)特性、溫度、細(xì)胞活性和濃度、液體的組成、界面特性以細(xì)胞

7、活性和濃度、液體的組成、界面特性以及其他要素。及其他要素。第二節(jié) 氧在溶液中的傳送 氣液相間的氧傳送阻力：氣膜和液膜中。氣液相間的氧傳送阻力：氣膜和液膜中。 液固相間的氧傳送：細(xì)胞或細(xì)胞周?chē)囊耗ぷ枰汗滔嚅g的氧傳送：細(xì)胞或細(xì)胞周?chē)囊耗ぷ枇珊雎?。力可忽略。二、氧的傳送方程式二、氧的傳送方程? *)lNvK a ccNvNv：體積傳氧速率：體積傳氧速率 kmol/m3.h kmol/m3.hC C* *：飽和溶氧濃度：飽和溶氧濃度Kla: Kla: 以以(C(C* *-C)-C)為推進(jìn)力的體積溶氧系數(shù)為推進(jìn)力的體積溶氧系數(shù) h-1 h-1傳送：傳送： 耗費(fèi)：耗費(fèi)： r= QO2 .X( *)

8、lNvK a cc Nv Qm.X = r Klar/(C*-C)發(fā)酵液中供氧和需氧一直處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中發(fā)酵液中供氧和需氧一直處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面 當(dāng)供氧大于需氧時(shí)，即當(dāng)供氧大于需氧時(shí)，即Kla (CKla (C* *-C)r-C)r時(shí)，發(fā)酵液時(shí)，發(fā)酵液的溶氧濃度隨時(shí)間的延伸而添加，直到趨近飽和溶氧的溶氧濃度隨時(shí)間的延伸而添加，直到趨近飽和溶氧濃度。濃度。 當(dāng)供氧小于需氧時(shí)，即當(dāng)供氧小于需氧時(shí)，即Kla (CKla (C* *-C)r-C)r時(shí)，發(fā)酵液時(shí)，發(fā)酵液的溶氧濃度隨時(shí)間的延伸而下降，直到趨近于零。的溶氧濃度

9、隨時(shí)間的延伸而下降，直到趨近于零。 當(dāng)生物攝氧率不變時(shí)，當(dāng)生物攝氧率不變時(shí)， KlaKla越大，溶氧濃度越大，越大，溶氧濃度越大，所以可以用所以可以用KlaKla衡量發(fā)酵罐的通氣效率。衡量發(fā)酵罐的通氣效率。 第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵液的流變學(xué)發(fā)酵液的流變學(xué) 在一樣條件下，液體的粘性不同，在一樣條件下，液體的粘性不同，流動(dòng)速度也不一樣。粘度是表示液體流流動(dòng)速度也不一樣。粘度是表示液體流動(dòng)性的重要物理參數(shù)。動(dòng)性的重要物理參數(shù)。 T T= = 牛頓型流體牛頓型流體 ( (細(xì)菌和酵母菌細(xì)菌和酵母菌 V V T=T0 + V T=T0 + V 平漢塑性流體霉菌、放線菌發(fā)酵平漢塑性流體霉菌、放線菌發(fā)酵T=KT=

10、KV Va a1 a a1 a1 漲塑性流體淀粉組成的培育基發(fā)酵漲塑性流體淀粉組成的培育基發(fā)酵第四節(jié)第四節(jié) 影響供氧的要素影響供氧的要素( *)lNvK a cc一、影響氧傳送動(dòng)力的要素一、影響氧傳送動(dòng)力的要素一提高飽和溶氧濃度的方法一提高飽和溶氧濃度的方法 降低溫度降低溫度 降低培育基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量降低培育基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量 提高發(fā)酵罐的氧分壓提高發(fā)酵罐的氧分壓二降低發(fā)酵液中的溶氧濃度二降低發(fā)酵液中的溶氧濃度 減少通氣量減少通氣量 降低攪拌速率降低攪拌速率二、影響二、影響KlaKla的要素的要素KlaKla反映了設(shè)備的供氧才干，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵反映了設(shè)備的供氧才干，發(fā)酵常用的設(shè)備

11、為搖瓶與發(fā)酵罐。罐。( (一一) )影響搖瓶影響搖瓶klakla的要素的要素 搖瓶機(jī)搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率往復(fù)，頻率80-12080-120分分/ /次，振幅次，振幅8cm8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距旋轉(zhuǎn)，偏心距2525、12,12,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速250rpm250rpm裝液量，普通取裝液量，普通取1/101/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 500 ml 搖瓶中消費(fèi)蛋白酶，調(diào)查裝液量對(duì)酶活搖瓶中消費(fèi)蛋白酶，調(diào)查裝液量對(duì)酶活的影響的影響 裝液量裝液量 30

12、 ml 60ml 90ml 120ml 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92713 734 253 92( (二二) )影響發(fā)酵罐中影響發(fā)酵罐中KlaKla的要素的要素知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：K la=K (P/V)(Vs )(app)-w K la=K (P/V)(Vs )(app)-w P/V P/V 單位體積發(fā)酵液實(shí)踐耗費(fèi)的功率指通氣單位體積發(fā)酵液實(shí)踐耗費(fèi)的功率指通氣條件下，條件下，KW/m3 KW/m3 Vs Vs 空氣的直線速度空氣的直線速度m/hm/happapp發(fā)酵液的粘度發(fā)酵液的粘度kg

13、s/m2) kg s/m2) 、ww指數(shù)，與攪拌器和空氣分布器的方指數(shù)，與攪拌器和空氣分布器的方式有關(guān)式有關(guān) KK閱歷常數(shù)閱歷常數(shù)1 1、實(shí)際上分析、實(shí)際上分析KLaKLan nd d通氣量通氣量提高攪拌，調(diào)理提高攪拌，調(diào)理klakla的效果顯著的效果顯著P=Kd5n3P=Kd5n3例例 某一產(chǎn)品的發(fā)酵某一產(chǎn)品的發(fā)酵 d n p0/v c 產(chǎn)量產(chǎn)量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉消費(fèi)糖化酶黑曲霉消費(fèi)糖化酶 n 230 230 270 通氣比通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8

14、產(chǎn)量產(chǎn)量 1812 2416 2846提高提高d、n顯著提高顯著提高C,提高了產(chǎn)量提高了產(chǎn)量 提高提高n, 比提高通氣量有效比提高通氣量有效 2 2、實(shí)踐上、實(shí)踐上對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)理有時(shí)是有限制的對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)理有時(shí)是有限制的通風(fēng)的添加也是有限的通風(fēng)的添加也是有限的蒸發(fā)量大蒸發(fā)量大, ,中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)理、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)理kla的的 特點(diǎn)特點(diǎn)q 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào) q 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào) 大型反響器的合理設(shè)計(jì)大型反響器的合理設(shè)計(jì) 對(duì)現(xiàn)有設(shè)備一定要留意工藝配套對(duì)現(xiàn)有設(shè)備一定要留意工藝配套4、影響、影響Kla的其它要素的其它要素空氣分布器空氣分布器液體的理化性質(zhì)液體的理化性質(zhì)空氣流速空氣流速泡沫泡沫第五節(jié)第五節(jié) KlaKla的測(cè)定的測(cè)定一、一、CL的測(cè)定的測(cè)定1、化學(xué)法、化學(xué)法 由于由于Na2SO3Na2SO3與發(fā)酵液的理化性質(zhì)相差很大，所以測(cè)定與發(fā)酵液的理化性質(zhì)相差很大，所以測(cè)定的結(jié)果只能相對(duì)闡明發(fā)酵設(shè)備的供氧情況，不能表達(dá)的結(jié)果只能相對(duì)闡明發(fā)酵設(shè)備的供氧情況，不能表達(dá)設(shè)備供氧和微生物耗氧的全過(guò)程。設(shè)備供氧和微生物耗氧的全過(guò)程。 經(jīng)過(guò)復(fù)膜氧電極的氧化復(fù)原反響將溶解經(jīng)過(guò)復(fù)膜氧電極的氧化復(fù)原反響將溶解氧濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?hào)。氧濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?hào)。2 2