第7章 發(fā)酵工業(yè)中氧的供需

1、第第7章章發(fā)酵工業(yè)中氧的供需發(fā)酵工業(yè)中氧的供需本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、細(xì)胞對(duì)氧的需求（為什么要供氧？為什么要控制一、細(xì)胞對(duì)氧的需求（為什么要供氧？為什么要控制溶氧？）溶氧？）二、發(fā)酵過(guò)程中氧的傳遞（如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何控制二、發(fā)酵過(guò)程中氧的傳遞（如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？）溶氧？）三、影響氧傳遞的因素三、影響氧傳遞的因素四、攝氧率、溶解氧、四、攝氧率、溶解氧、KLa（溶氧系數(shù)）的測(cè)定（溶氧系數(shù)）的測(cè)定 溶氧（溶氧（DO）是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵）是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。因素。 在在28

2、氧在發(fā)酵液中的氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只的空氣飽和濃度只有有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100空氣飽和空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。 q 微生物對(duì)氧的需求微生物對(duì)氧的需求q 發(fā)酵液中氧的供給發(fā)酵液中氧的供給q 影響影響KLa的因素（供氧的調(diào)節(jié)）的因素（供氧的調(diào)節(jié)）q 與溶氧相關(guān)的參數(shù)測(cè)定與溶氧相關(guān)的參數(shù)測(cè)定q 發(fā)酵過(guò)程中溶氧

3、監(jiān)控的意義發(fā)酵過(guò)程中溶氧監(jiān)控的意義（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用（對(duì)于好氣性微生物而言）（對(duì)于好氣性微生物而言）v呼吸作用呼吸作用 v直接參與一些生物合成反應(yīng)直接參與一些生物合成反應(yīng) COOHCHOHCHCHO3232（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征v只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。一、微生物對(duì)氧的需求（一）、描述微生物需氧的物理量（一）、描述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（QO2）：）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量單位時(shí)間內(nèi)單位重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmol O2g菌菌-1h-1

4、攝氧率（攝氧率（r）：）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧單位時(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X（二）、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響（二）、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響CCrQO2CLCCr: 臨界溶氧濃度，臨界溶氧濃度，指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。一般對(duì)于微生物：一般對(duì)于微生物： Cr115%飽和濃度飽和濃度例：例：酵母酵母 4.610-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.210-2 mmol.L-1, 8.8%定義：定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度氧飽和度發(fā)酵液

5、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)，只要控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度1。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過(guò)程中一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過(guò)程中 氧很容易滿(mǎn)足。氧很容易滿(mǎn)足。例：以微生物的攝氧率例：以微生物的攝氧率0.052 mmol O2L-1S-1 計(jì)，計(jì)， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長(zhǎng)條件，常常不一樣注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長(zhǎng)條件，常常不一樣： 頭孢菌素頭孢菌素 卷須霉素卷須霉素生長(zhǎng)生長(zhǎng) 5% (相對(duì)于飽和濃度）相對(duì)于飽和濃度） 13%產(chǎn)物產(chǎn)物 1

6、3% 8%（三）、影響需氧的因素（三）、影響需氧的因素r= QO2 .Xq 菌體濃度菌體濃度q QO2 遺傳因素遺傳因素 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)的積累有害物質(zhì)的積累 培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件影響微生物耗氧的因素影響微生物耗氧的因素v微生物本身遺傳特征的影響微生物本身遺傳特征的影響v培養(yǎng)基的成分和濃度培養(yǎng)基的成分和濃度碳源種類(lèi)碳源種類(lèi) 耗氧速率：油脂或烴類(lèi)耗氧速率：油脂或烴類(lèi) 葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 培養(yǎng)基濃度培養(yǎng)基濃度 濃度大，濃度大，QO2 ；濃度小，；濃度小， QO2菌齡的影響：一般幼齡菌菌齡的影響：一般幼齡菌QO2大，晚齡菌大，晚齡菌QO2小小影響微生物耗

7、氧的因素（續(xù)）影響微生物耗氧的因素（續(xù)）v 發(fā)酵條件的影響發(fā)酵條件的影響 pH值值 通過(guò)酶活來(lái)影響耗氧特征通過(guò)酶活來(lái)影響耗氧特征; 溫度溫度 通過(guò)酶活及溶氧來(lái)影響耗氧特征：通過(guò)酶活及溶氧來(lái)影響耗氧特征：T ，DO2 v 代謝類(lèi)型（發(fā)酵類(lèi)型）的影響代謝類(lèi)型（發(fā)酵類(lèi)型）的影響 若產(chǎn)物通過(guò)若產(chǎn)物通過(guò)TCA循環(huán)獲取循環(huán)獲取, ,則則QO2高高，耗氧量大耗氧量大 若產(chǎn)物通過(guò)若產(chǎn)物通過(guò)EMP途徑獲取途徑獲取, ,則則QO2低，耗氧量小低，耗氧量小v溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響可能是不同溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須的，所以須了解長(zhǎng)菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適了解長(zhǎng)菌階段

8、和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量需氧量。 v氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。v目前，在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧目前，在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率，就能大大降低空氣消耗量，從而降低設(shè)備費(fèi)和效率，就能大大降低空氣消耗量，從而降低設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力消耗，且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會(huì)動(dòng)力消耗，且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會(huì), , 大大提高大大提高設(shè)備利用率。設(shè)備利用率。溶解氧控制的意義溶解氧控制的意義供氧的實(shí)現(xiàn)形式供氧的實(shí)現(xiàn)形式 搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和攪拌緩和，通氣緩和 表

9、面通氣，膜透析（擴(kuò)散）表面通氣，膜透析（擴(kuò)散） 搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少 通無(wú)菌空氣并攪拌通無(wú)菌空氣并攪拌 氣升式氣升式 發(fā)酵罐水平發(fā)酵罐水平需氧量小需氧量小發(fā)酵罐發(fā)酵罐需氧量大需氧量大 二、反應(yīng)器中氧的傳遞二、反應(yīng)器中氧的傳遞 二、反應(yīng)器中氧的傳遞二、反應(yīng)器中氧的傳遞（一）、發(fā)酵液中氧的傳遞方程（一）、發(fā)酵液中氧的傳遞方程()()giliNkPPk ccCCiPPi氣膜氣膜液膜液膜N：傳氧速率：傳氧速率 kmol/m2.hkg: 氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atmKl: 液膜傳質(zhì)系數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù) m/hpAcA pA,i cA,i氣氣膜膜液液膜膜相界

10、面相界面氣相主體氣相主體液相主體液相主體傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向雙膜理論示意圖雙膜理論示意圖溶溶質(zhì)質(zhì)A在在氣氣相相中中的的分分壓壓溶溶質(zhì)質(zhì)A在在液液相相中中的的摩摩爾爾濃濃度度湍流擴(kuò)散湍流擴(kuò)散分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散湍流擴(kuò)散湍流擴(kuò)散氣相液相pApAicAicAcApAFGHEGE)(AiAAsmLLccccDN)(AiAppPPRTDNABmGG液相有效層流膜厚氣相有效層流膜厚雙模模型雙模模型界面界面 吸收過(guò)程的總推動(dòng)力可采用任何一相的主體濃度與其平衡吸收過(guò)程的總推動(dòng)力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來(lái)表示。濃度的差值來(lái)表示。（1） 以（以（p-pe）表示總推動(dòng)力表示總推動(dòng)力雙膜理論：雙膜理論： p

11、i=ci /H亨利定律：亨利定律： pe=c/H 液相吸收速率方程液相吸收速率方程N(yùn)A=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)氣相吸收速率方程氣相吸收速率方程N(yùn)A=kG(p-pi)eGLAppkHkN)11(代入代入總吸收速率方程總吸收速率方程令令GLGkHkK111式中式中 KG氣相總吸收系數(shù)，氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2skPa) 對(duì)于易溶氣體，對(duì)于易溶氣體，H值很大值很大，則有：，則有：1/HkL1/kG，此時(shí)傳質(zhì)阻此時(shí)傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。NA=KG(p-pe)1/KG 1/kG 或或 KG kG 對(duì)于

12、氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應(yīng)該加大氣相對(duì)于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應(yīng)該加大氣相湍動(dòng)程度。湍動(dòng)程度。 即氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕即氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱(chēng)為大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱(chēng)為“氣膜控制氣膜控制”（gas-film control）。）。如：水吸收氨，濃硫酸吸收水蒸氣等過(guò)程。如：水吸收氨，濃硫酸吸收水蒸氣等過(guò)程。（2）以（）以（Ce-C）表示總推動(dòng)力表示總推動(dòng)力eGLAppkHkN)11(HcHckHkNeGLA)11(cckHkNeGLA)1(GLLkHkK11令令代入代入N

13、A=KL(ce-c)KL液相總吸收系數(shù)，液相總吸收系數(shù)，m/s 對(duì)于難溶氣體，對(duì)于難溶氣體，H值很小，值很小，則有：則有：H/kG1控制：控制：0-12小時(shí)小時(shí) 小通風(fēng)小通風(fēng) 12小時(shí)后小時(shí)后 增加通風(fēng)增加通風(fēng)原因：原因：0-12小時(shí)菌體量小時(shí)菌體量較小，采用小通風(fēng)較小，采用小通風(fēng)12 一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過(guò)大一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過(guò)大的剪切力，對(duì)菌體的生長(zhǎng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以的剪切力，對(duì)菌體的生長(zhǎng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以有時(shí)發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能有時(shí)發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時(shí)間一耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時(shí)間一定要把握好。定要把握好。例：例： 生產(chǎn)肌苷酸：生產(chǎn)肌苷酸：通氣量不變通氣量不變 17.15 mg/ml24小時(shí)增加小時(shí)增加 22.55 mg/ml30小時(shí)增加小時(shí)增加 18.25 mg/ml36小時(shí)增加小時(shí)增加 12.34 mg/ml初期初期 與與 前期前期（三）、發(fā)酵過(guò)程中溶氧濃度監(jiān)控的意義（三）、發(fā)酵過(guò)程中溶氧濃度監(jiān)控的意義1、考察工藝控制是否滿(mǎn)足要求、考察工藝控制是否滿(mǎn)足要求2、其它異常情況的表征、其它異常情況的表征 染菌、噬菌體、設(shè)備和操作故障染菌、噬菌體、設(shè)備和