第七章通氣與攪拌

溶氧(DO)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控制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。第七章通氣與攪拌第一節(jié)工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的需求一、描述微生物需氧的物理量1、比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

2、微生物攝氧率(r)：?jiǎn)挝恢亓康母删w每小時(shí)消耗的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.XCCrQO2CLCCr（C臨界）:臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。臨界溶氧濃度牛頓型培養(yǎng)液：如細(xì)菌和酵母菌C臨界不受培養(yǎng)條件的的影響非牛頓型培養(yǎng)液C臨界受培養(yǎng)條件的的影響在次級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵過(guò)程中，C長(zhǎng)臨和C合臨隨菌株的生理特性而變化情況的3種情況1、C長(zhǎng)臨=C合臨2、C長(zhǎng)臨＞C合臨3、C長(zhǎng)臨＜C合臨定義：C*氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/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>1.二、氧在液體中的溶解特性影響氧飽和濃度的主要因素1、溫度2、溶液的性質(zhì)3、氧分壓氧越純?cè)谌芤褐械娜芙舛仍酱笕⒂绊懳⑸镄柩醯囊蛩豶=QO2.X菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件（一）微生物種類和生長(zhǎng)階段1、種類不同代謝中的需氧量不同2、同一種菌種不同生長(zhǎng)階段需氧量也不同。如：對(duì)數(shù)期、延滯期、穩(wěn)定期、衰亡期（二）培養(yǎng)基組成碳源濃度增高，需氧量增大補(bǔ)料時(shí)，攝氧率增大溶質(zhì)濃度也會(huì)影響攝氧率（三）培養(yǎng)液中溶解濃度CL大于C長(zhǎng)臨不影響CL小于C長(zhǎng)臨影響（四）培養(yǎng)條件：溫度、PH

（五）二氧化碳：代謝過(guò)程中產(chǎn)生，需及時(shí)除去第二節(jié)氧在溶液中的傳遞Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)h-1一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程氧的傳遞過(guò)程中，需克服供氧和需氧二個(gè)方面的阻力

供氧方面阻力：1/K1、1/K2、1/K3、1/K4

需氧方面阻力：1/K5、1/K6、1/K7、1/K8二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面KLa(C*-C)=r=Qm.X平衡KLa(C*-C)＞r，CL隨時(shí)間延長(zhǎng)增加，直至CL=C*

KLa(C*-C)＜r，CL隨時(shí)間延長(zhǎng)下降，直至CL=0第三節(jié)發(fā)酵液的流變學(xué)一、微生物發(fā)酵的發(fā)酵液是由三個(gè)體系組成第一體系液相第二體系固相第三體系氣相二、液流類型（粘度不同，流動(dòng)速度不同）按粘度大小分T剪應(yīng)力：液體流動(dòng)過(guò)程中兩層薄層流體之間滑動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。牛頓型流體非牛頓型流體第四節(jié)、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過(guò)Kla

和C*來(lái)調(diào)節(jié)其中C*＝P/HNvHPKla調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力，一般來(lái)講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1影響Kla的因素

Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述250rpm裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392二、影響發(fā)酵罐中Kla的因素1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調(diào)節(jié)kla的效果顯著發(fā)酵罐內(nèi)裝配攪拌器的作用例某一產(chǎn)品的發(fā)酵

dnp0/vc產(chǎn)量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產(chǎn)量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產(chǎn)量2、空氣流速①、當(dāng)空氣流速過(guò)大時(shí)，攪拌器就出現(xiàn)“氣泛”現(xiàn)象。氣泛指在特定條件下，通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣流速達(dá)某一值時(shí)，使攪拌功率下降，當(dāng)空氣流速再增加時(shí)，攪拌功率不再下降，此時(shí)的空氣流速稱為“氣泛點(diǎn)”。②、提高發(fā)酵罐的供氧能力:提高攪拌功率；降低空氣流速3、發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響4、泡沫的影響5、空氣分布器形式（多數(shù)采用多孔環(huán)形鼓泡器）6、發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)的影響（增加發(fā)酵罐的高度，提高氧的溶解度）第四節(jié)CL、r和Kla的測(cè)定一、CL的測(cè)定1、化學(xué)法2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應(yīng)小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補(bǔ)償，整套儀器價(jià)格較高，但其最大優(yōu)點(diǎn)莫過(guò)于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點(diǎn)正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時(shí)其電流輸出約5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測(cè)試溫度)，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。膜：耐溫、透氣、不通水測(cè)定：一般是得到相對(duì)值二、r的測(cè)定1、物料衡算

流量（進(jìn)口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————

發(fā)酵液體積氧的濃度：氧分壓儀2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-r

dt三、Kla的測(cè)定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化Kla.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2N