生化工程第四章通氣與攪拌

引言大多數(shù)發(fā)酵微生物是好氣型的。葡萄糖的氧化可表示為：

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO2+ATP

由于氧是難溶氣體，一次供氧，難以滿足菌體用于碳源完全呼吸所需的氧，所以需要不斷通氣。通氣和攪拌是工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的重要內(nèi)容。目前一頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前二頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)§4通氣與攪拌§4-1微生物的需氧和溶解氧控制一、細(xì)胞對(duì)氧的需求1、氧是細(xì)胞的成分。2、微生物只能利用溶解于基質(zhì)中的氧。3、不同M有不同的氧需求。目前三頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)二、呼吸強(qiáng)度(比耗氧速率)和耗氧速率(攝氧率)

是兩種表示微生物吸氧量的方法。1、呼吸強(qiáng)度(QO2)：?jiǎn)挝恢亓扛删w在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量。（mg分子氧/g干菌體·h）體現(xiàn)微生物的相對(duì)需氧量。目前四頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、耗氧速率(γ)：指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)吸氧量。(mg分子氧/L·h)

γ＝QO2×X

對(duì)一定微生物來(lái)說(shuō)，細(xì)胞濃度直接影響培養(yǎng)液的吸氧量。目前五頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)三、影響微生物需氧量的因素1.碳源種類(lèi)碳源種類(lèi)不同，利用速度不同。

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO22.碳源濃度與碳源濃度是否成為限制性有關(guān)。目前六頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)3.培養(yǎng)條件(pH、T)

pH、T影響生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物生成速率。4.(有害)代謝產(chǎn)物抑制細(xì)胞呼吸作用。5.培養(yǎng)時(shí)期的影響不同時(shí)期微生物生命活動(dòng)能力不同。注意：溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的影響可能不同。目前七頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)四、微生物的臨界氧濃度Cc

微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求——臨界氧濃度Cc。當(dāng)不存在限制性基質(zhì)時(shí)，耗氧速率因基質(zhì)中氧濃度不同而異。若C>Cc，細(xì)胞比耗氧速率保持恒定；若C<Cc，細(xì)胞比耗氧速率會(huì)下降，并隨C下降而下降。常見(jiàn)微生物的臨界氧濃度見(jiàn)下表。目前八頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前九頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)五、溶解氧控制的意義研究溶解氧控制的意義在于：1.滿足生產(chǎn)需要；2.節(jié)能、降耗；目前十頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)1.供氧：氣體主流→氣膜→氣液界面→液膜→液體主流。2.耗氧：液體主流→細(xì)胞周?chē)耗ぁz體叢→細(xì)胞膜→細(xì)胞。氧的傳遞途徑§4-2傳質(zhì)理論一、氧傳遞途徑與傳質(zhì)阻力兩個(gè)過(guò)程，八種阻力，按不同情況，阻力重要性不同。(一)氧在發(fā)酵過(guò)程中的傳遞途徑目前十一頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前十二頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)(二)傳質(zhì)阻力1.氣膜阻力1/k1：氣體主流與氣液界面間的阻力，與空氣情況有關(guān)。2.氣液界面阻力1/k2：氧穿過(guò)氣液界面的阻力，與空氣情況和氧分子所具有的能量有關(guān)。3.液膜阻力1/k3：氣液界面到液體主流間的阻力，與發(fā)酵液成分和濃度有關(guān)。4.液流阻力1/k4：液體流動(dòng)對(duì)氧傳遞的阻力，與流動(dòng)程度和流動(dòng)形式有關(guān)。目前十三頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)2.耗氧方面(1)液膜阻力1/k5：與發(fā)酵液濃度、成分和細(xì)胞特性等有關(guān)。(2)擴(kuò)散阻力1/k6：與微生物種類(lèi)、生理特性有關(guān)。(3)胞膜阻力1/k7：與微生物生理特性有關(guān)，取決于細(xì)胞運(yùn)載方式和能力。(4)反應(yīng)阻力1/k8：氧分子與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反應(yīng)時(shí)的阻力，與微生物種類(lèi)、生理特性有關(guān)。目前十四頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)總結(jié)分析在供氧方面，液膜阻力(1/k3)比較顯著；在耗氧方面，細(xì)胞膜阻力(1/k6)比較顯著；只要發(fā)酵條件合適，微生物耗氧不是矛盾的主要方面。氧的溶解問(wèn)題是影響微生物利用氧效率高低的最大因素。目前十五頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)二、氣體溶解過(guò)程的雙膜理論

1.氣液兩相間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一層有效膜，溶質(zhì)(氧)以分子擴(kuò)散的傳質(zhì)方式由氣相主體進(jìn)入液相主體。

2.在相界面處，氣液兩相達(dá)到平衡。

3.在氣、液兩相主體中，溶質(zhì)(氧)濃度均勻。過(guò)程：氧由氣相→→→氣液界面→→→液相氣膜液膜目前十六頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前十七頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)ppip-piCi-CL氣膜液膜氣液界面CiCL目前十八頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)氧溶解必需穿過(guò)兩層膜：氣體主流→→氣液界面，氧分壓差(p-pi)；氣液界面→→液體主流，氧濃度差(Ci-CL)；與推動(dòng)力分壓差和濃度差相對(duì)應(yīng)的阻力分別是氣膜阻力(1/kG)和液膜阻力(1/kL)。目前十九頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)單位接觸面氧的傳遞速率NA為：NA：氧的傳遞速率(Kg分子O2/M2·h)p,pi：氣相和氣液界面處氧分壓(atm)Ci,CL：氣液界面和液相中氧濃度(Kg分子O2/M3)kG：氣膜傳質(zhì)系數(shù)(Kg分子O2/M2·h·atm)kL：液膜傳質(zhì)系數(shù)(M/h)目前二十頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)氧分壓pi和氧濃度Ci難測(cè)定，改用總傳質(zhì)系數(shù)KG或KL和總推動(dòng)力。則，在穩(wěn)定傳遞狀態(tài)時(shí)，p*：與液相氧濃度CL平衡的氧分壓；C*：氣相中氧分壓P達(dá)平衡時(shí)的氧濃度；KG：以氧分壓差為推動(dòng)力總傳質(zhì)系數(shù)；KL：以氧濃度差為推動(dòng)力總傳質(zhì)系數(shù)；目前二十一頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)其中，kG或kL與KG或KL的關(guān)系，可根據(jù)亨利定律來(lái)求得，即：目前二十二頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)根據(jù)式（5－1）有：目前二十三頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)同樣可以證明：由式(5-4)和(5-5)，有如下討論：(1)易溶氣體，H很小，則KG≈kG。為氣膜控制過(guò)程。(2)難溶氣體。H很大，則KL≈kL。為液膜控制過(guò)程。(3)氧為難溶氣體，為液膜阻力(傳質(zhì)系數(shù))控制，所以下面介紹氧傳質(zhì)方程。目前二十四頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)三、氧傳質(zhì)方程式采用體積溶氧系數(shù)或體積傳質(zhì)系數(shù)：KLa(或KGa)，據(jù)此氧傳質(zhì)(溶氧速率)方程可表示為：目前二十五頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)發(fā)酵體系中，若供氧與好氧達(dá)到平衡，則有：目前二十六頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)實(shí)際發(fā)酵體系中，這種平衡是暫時(shí)的。即體系中氧濃度是動(dòng)態(tài)變化的，可表示：

KLa值高，表明罐的通氣狀況好（？？？），反之則差。目前二十七頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)§4-3影響氧供給的因素根據(jù)氣液傳質(zhì)速率方程式：可知：凡影響推動(dòng)力(C*－CL)或(p－p*)、比表面積a和傳質(zhì)系數(shù)KL的因素，都會(huì)影響氧傳遞速率。目前二十八頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)一、影響推動(dòng)力的因素1.溫度氧是氣體，它在水中的溶解度隨溫度升高而降低。在常壓、4-33℃內(nèi)，純水中氧的濃度CW*為：目前二十九頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)2.電解質(zhì)鹽析作用可降低氧的溶解。在電解質(zhì)溶液中，有如下關(guān)系式：：氧在水的溶解度；mol/M3

：氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度;mol/M3

：電解質(zhì)溶液的濃度；kmol/M3K：Sechenov常數(shù)；目前三十頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)存在幾種電解質(zhì)時(shí)，有：目前三十一頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)3.非電解質(zhì)在非電解質(zhì)溶氧中，氧的溶解度隨溶質(zhì)濃度增加而降低，其規(guī)律類(lèi)似于電解質(zhì)溶液：：氧在非電解質(zhì)溶液中的溶解度；：非電解質(zhì)中溶質(zhì)的濃度或有機(jī)物濃度；目前三十二頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.氧分壓(1)增加罐壓提高罐壓可提高氧分壓。(2)提高空氣中氧的含量(富氧通氣)a.深冷分離

b.吸附分離

c.膜分離(3)提高H/D目前三十三頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)二、影響KLa的因素

KLa是a與KL合并作為一個(gè)參數(shù)，實(shí)際中影響該參數(shù)的因素有：(一)操作條件1.攪拌A.攪拌的作用：(1)打碎，防合并，增大氣液接觸面積；(2)產(chǎn)生渦流，螺旋，延長(zhǎng)停留時(shí)間；(3)產(chǎn)生湍流，減厚度，降阻力；(4)均勻混合，利吸收和積累；主要形式有：目前三十四頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十五頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十六頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十七頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)B.攪拌器(1)型式：旋槳式，軸向推動(dòng)；渦輪式，徑向推動(dòng)，形成上下兩個(gè)翻動(dòng)；后者常被采用。多組時(shí)，上常為平槳式，下常為渦輪式；(2)轉(zhuǎn)速n和直徑d：影響溶氧水平和混合程度。P∝H攪Q攪∝n3d5，攪拌循環(huán)量Q攪∝nd3，H攪∝n2d2；增加n對(duì)提高溶氧有利，增加d對(duì)均勻混合有利。目前三十八頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十九頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)(3)間距(相對(duì)位置)：太大，產(chǎn)生攪拌死角；太小，相互干擾；因流體力學(xué)性質(zhì)不同而有所差別，牛頓型:d=(3-4)D，非牛頓型:d<2D；(4)位置(距罐底的距離)：h太大，最底部液體難提升，造成局部缺氧。太小，造成功率損失。一般為：(0.8-1)d。(5)組數(shù)：確定與H/D有關(guān)，綜合考慮溶氧和功率消耗等因素。目前四十頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)2.通氣的影響對(duì)特定發(fā)酵罐，α、β是定值。隨增加,增加；增加，增加。影響α、β的因素可以影響KLa值，與罐的形狀、結(jié)構(gòu)有關(guān)，隨罐徑增加而降低。通氣表觀線速度目前四十一頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)(二)液體性質(zhì)的影響(1)液體密度ρ：(2)粘度μ：(3)表面張力σ：(4)擴(kuò)散系數(shù)DL：綜上所述，影響可歸納為：目前四十二頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)(三)其它因素的影響(1)表面活性劑：定向排列；(2)離子強(qiáng)度：KLa比水大(見(jiàn)圖1)；(3)細(xì)胞濃度：非牛頓型增加(見(jiàn)圖2)；溶質(zhì)濃度(g/L)X圖1圖2目前四十三頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)§4-4溶氧系數(shù)的測(cè)定化學(xué)方法：亞硫酸鹽氧化法極譜法電極法取樣排氣目前四十四頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)一、亞硫酸鹽氧化法1、作用原理：利用SO32-在Cu2+或Mg2+催化下，能迅速被O2氧化為SO42-的特性來(lái)間接得到氧濃度的方法。其反應(yīng)式：目前四十五頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)A.氧化的特點(diǎn)：(1)ν反應(yīng)恒定；(2)ν消耗>>ν溶解；目前四十六頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)B.主要過(guò)程：(1)將配制好的Na2SO3和Cu2+離子置于發(fā)酵罐或三角瓶中;(2)通氣、攪拌或搖瓶，2SO32-＋O2→2SO42-。(3)某時(shí)刻，取樣，+過(guò)量I2液。

2SO32-＋I(xiàn)2→2SO42-；用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3反滴定。記錄體積數(shù)V1。

(2S2O32-＋I(xiàn)2→2S4O62-)，(4)間隔△t后，重復(fù)測(cè)定，記錄體積數(shù)V2。目前四十七頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)兩次測(cè)定，消耗的Na2S2O3體積差△V=V2-V1，按一定關(guān)系體現(xiàn)為這段時(shí)間溶入的O2的量。即有：目前四十八頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)由此可得氧的平均溶解速率N：見(jiàn)P67:4-17目前四十九頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)則溶氧系數(shù)Kd：因?yàn)椋喝芤褐醒鯘舛葹榱?一溶入即被消耗)。所以:p*=0目前五十頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)此法特點(diǎn)：(1)氧溶解速率與氧濃度無(wú)關(guān)，反應(yīng)速度快，簡(jiǎn)單；(2)只能測(cè)定反應(yīng)器中Na2SO3溶液的溶氧系數(shù)，不能真實(shí)反映發(fā)酵液狀況；目前五十一頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)二、極譜法目前五十二頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)(一)取樣極譜法取出樣品置入極譜儀中，記下對(duì)應(yīng)時(shí)刻的氧濃度CL。以CL對(duì)t作圖，得如圖所示的曲線。目前五十三頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)時(shí)間(min)CLC*目前五十四頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)從圖可以看出，曲線的斜率：(此時(shí)只有耗氧，而無(wú)氧溶解)再根據(jù)體系處于平衡時(shí)來(lái)計(jì)算KLa：γ目前五十五頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)取樣極譜法的特點(diǎn)：(1)簡(jiǎn)單，快速；(2)在罐外測(cè)定，不是發(fā)酵狀況，因而也存在一定誤差；目前五十六頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)(二)排氣極譜法也是一種非發(fā)酵狀態(tài)下的測(cè)定方法。其方法是：(1)充氮?dú)猓s出其中的氧；(2)通氣和攪拌，測(cè)定溶氧濃度值。作圖可得到下圖：目前五十七頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)時(shí)間tCLC*目前五十八頁(yè)\總數(shù)六十七頁(yè)\編于十七點(diǎn)在這種狀態(tài)下有：即：積分后可得:目前五十九