傳氧與通氣攪拌

第四章傳氧與通氣攪拌3/17/20241教學(xué)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解溶氧理論及意義KLa和溶氧速率的調(diào)控，掌握影響傳氧速率的因素及溶氧系數(shù)的測(cè)定。教學(xué)重點(diǎn)：影響傳氧速率的因素及溶氧系數(shù)的測(cè)定教學(xué)難點(diǎn)：KLa和溶氧速率的調(diào)控3/17/20242本章主要內(nèi)容一、概述二、微生物有氧呼吸三、傳氧理論四、影響傳氧速率的因素五、溶氧系數(shù)及其測(cè)定六、KLa和溶氧速率的調(diào)控3/17/20243

一、

概述

1、生化反應(yīng)器通氣與攪拌有兩個(gè)目的:

①使發(fā)酵液充分混合，以便形成均勻的微生物懸浮液，促使底物從發(fā)酵液向菌體內(nèi)及代謝產(chǎn)物從菌體內(nèi)向發(fā)酵液的傳遞。

②供給微生物生長(zhǎng)和代謝所需的氧氣。

3/17/20244好氣性微生物的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝活動(dòng)都需要消耗氧氣，因?yàn)楹脷庑晕⑸镏挥醒醴肿哟嬖谇闆r下才能完成生物氧化作用，因此供氧對(duì)需氧微生物是必不可少的，在生物反應(yīng)過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長(zhǎng)繁殖和積累所需要的代謝產(chǎn)物。需氧微生物的氧化酶系是存在于細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此，微生物只能利用溶解于液體中的氧氣。3/17/20245

一般認(rèn)為在通風(fēng)發(fā)酵過程中，微生物利用空氣氣泡中氧的過程可分為兩個(gè)階段進(jìn)行:空氣中的氧首先溶解在液體中，這得階段叫做“供氧”，然后微生物才能利用液體中的溶解氧進(jìn)行呼吸代謝活動(dòng)，這個(gè)階段較作“耗氧”3/17/202462、微生物的臨界氧濃度微生物的耗氧速率受發(fā)酵液濃度的影響，各種微生物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)最低要求這一溶氧濃度叫做“臨界氧濃度”。不同的微生物的需氧量不同。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長(zhǎng)和形成代謝產(chǎn)物的耗氧量也往往不同。3/17/202473/17/202483/17/202493、溶解氧控制的意義在生物反應(yīng)過程中，微生物只能利用溶解狀態(tài)下的氧（最近有報(bào)道在氣-液界處的微生物也能直接利用氣相中的氧）。氧是很難溶解的氣體，在25℃、100MPa下，空氣中的氧在水中的溶解度0.25mmol/L。由于微生物不斷消耗發(fā)酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工環(huán)境內(nèi)比較集中，濃度大；另外在這種稠厚的培養(yǎng)液氧的溶解度比在水中更小，就必須采用強(qiáng)化供氧。

?3/17/202410

近年來，許多好氣性發(fā)酵已發(fā)展到如此地步，以至氧的需求超過現(xiàn)有的生物反應(yīng)設(shè)備的氧傳遞的能力，其后果是氧傳遞速率成為產(chǎn)量的限制因素。氧的供應(yīng)不足可能引起生產(chǎn)菌種的不可彌補(bǔ)的損失或可能導(dǎo)致細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)向所不需的化合物的產(chǎn)生。了解長(zhǎng)菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量，就可能分別地合理地供氧。

3/17/202411事實(shí)上并不需要發(fā)酵液中氧的濃度達(dá)到飽和濃度，只要維持在氧的臨界濃度以上即可。因此，應(yīng)盡可能了解發(fā)酵過程中菌的臨界氧濃度和達(dá)到最高發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度，即菌的生長(zhǎng)和發(fā)酵產(chǎn)物形成過程中的最高需氧量，以便分別合理地供給足夠氧氣。3/17/202412二、微生物的有氧呼吸1、比生長(zhǎng)速率和氧濃度的關(guān)系在好氣性發(fā)酵中，當(dāng)培養(yǎng)液中限制性生長(zhǎng)底物的濃度一定或過量，而溶解氧濃度較低時(shí)，氧為微生物生長(zhǎng)的主要限制性底物，微生物的比生長(zhǎng)速率與氧濃度的關(guān)系用Monod方程表示為：3/17/202413（6-1）3/17/202414按式（6-1），作μ-C關(guān)系曲線。在氧濃度很低的情況下，微生物細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率μ隨著溶解氧濃度的升高正比的增長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)速度逐漸減慢，當(dāng)氧濃度達(dá)到一定值（C臨）時(shí)，比生長(zhǎng)速率不再增長(zhǎng)，過高，μ反而下降。3/17/2024153/17/202416

各種微生物所要求的最低溶氧濃度，即臨界氧濃度C臨是不同的。3/17/202417

在發(fā)酵生產(chǎn)中，為了不使微生物的生長(zhǎng)和代謝受到氧濃度的影響，保證發(fā)酵過程正常進(jìn)行，必須使溶解氧濃度維持在微生物的臨界氧濃度以上。3/17/2024182、比耗氧速率與氧濃度的關(guān)系（一）耗氧速率單位體積發(fā)酵液每小時(shí)的耗氧量叫做耗氧速率，以r表示。耗氧速率與菌體濃度成正比：式中：r——耗氧速率（mmolO2/l.h)QO2——比耗氧速率（mmolO2/g.h)X——菌體濃度（g/l)3/17/202419耗氧速率隨微生物的種類、代謝途徑和菌體濃度的不同而不同，其大致范圍為：25-100mmol/l.h，某些耗氧速率特別高的微生物，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此數(shù)值。另外，微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成階段的好氧速率有時(shí)并不一致，某些發(fā)酵中過高的溶氧濃度反而對(duì)產(chǎn)物的形成不利。3/17/202420供氧、耗氧和產(chǎn)物形成的關(guān)系通常有三種類型：（1）產(chǎn)物形成期的氧消耗與菌體生長(zhǎng)期的最大需氧量一致；（2）產(chǎn)物形成期的最大需氧量超過菌體生長(zhǎng)期的最大需氧量；（3）產(chǎn)物形成期的最大需氧量低于菌體生長(zhǎng)期的最大需氧量。所以，只有掌握不同種類的微生物在各階段的需氧情況，才能對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)進(jìn)行良好的控制。3/17/202421（二）比耗氧速率及其與比生長(zhǎng)速率與溶氧濃度的關(guān)系1、比耗氧速率：?jiǎn)挝痪w濃度的好氧速率，又稱呼吸強(qiáng)度。式中：r——耗氧速率（mmolO2/l.h)QO2——比耗氧速率（mmolO2/g.h)X——菌體濃度（g/l)（6-3）3/17/2024223/17/202423從（6-5）可知，在穩(wěn)態(tài)情況下，微生物的比好氧速率與比生長(zhǎng)素率成正比，如圖6-2所示。此圖是由恒流速培養(yǎng)所觀察，若將直線按外推法使之與縱軸相交有一截距，這截距就是維持細(xì)胞生命所必需的比好氧速率，故式6-5實(shí)際上應(yīng)為：（6-6）3/17/2024243/17/2024253、比耗氧速率與溶氧濃度的關(guān)系（6-7）3/17/202426式（6-7）說明了微生物的比好氧速率與培養(yǎng)液中氧濃度的關(guān)系，同比生長(zhǎng)速率一樣，微生物細(xì)胞的比耗氧速率也隨著氧濃度的增加而升高，但當(dāng)C增加到臨界溶氧C臨以上時(shí)，比耗氧速率不再升高。對(duì)于某些微生物，當(dāng)C>C臨時(shí)，由于高濃度的C對(duì)酶反應(yīng)的抑制，比耗氧速率反而下降。如圖6-3所示。3/17/2024273/17/202428三、傳氧理論

1、氧的傳遞途徑及傳質(zhì)阻力

供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。

耗氧：氧自液體主流通過液膜、菌體叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)。整個(gè)過程必須克服一系列的阻力，才能被微生物利用。

3/17/2024293/17/202430

①氣膜阻力1/k1，氣體主流與氣液界面的氣膜阻力1/kG

，與空氣情況有關(guān)；

②氣液界面阻力1/k2

，也與空氣情況相關(guān)，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則折返回氣相；③液膜阻力1/k3

，氣液界面至液體主流間的液膜阻力1/kL

，與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)；

供氧方面的阻力：3/17/202431④液流阻力1/k4，也與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)，通常這不作為一項(xiàng)重要阻力，因在液體主流中氧的濃度是假定不變的，當(dāng)然這只有在適當(dāng)攪拌的情況下才是這樣。3/17/202432①細(xì)胞周圍液膜阻力1/k5，與發(fā)酵液成分和濃度有關(guān)；

②菌絲叢或團(tuán)內(nèi)的擴(kuò)散阻力1/k6：這種阻力與微生物的種類、特性和生理狀態(tài)等有關(guān)。單細(xì)胞的細(xì)菌和酵母不存在這種阻力，對(duì)于菌絲菌如霉菌等這種阻力最為突出。

③細(xì)胞膜阻力1/k7

，與微生物的生理特性相關(guān)；

④細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力1/k8：指氧分子與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反應(yīng)時(shí)的阻力，與微生物的種類、生理特性有關(guān)。耗氧方面的阻力：

3/17/202433

在以上多種傳遞過程中，必有一過程是控制因素。由于氧是很難溶于水的氣體，所以在供氧阻力方面液膜阻力1/kL比較顯著，是控制因素。在耗氧方面，據(jù)試驗(yàn)液體主流中和細(xì)胞壁上氧的濃度差是很小的，也就是說氧通過細(xì)胞周圍液膜的阻力1/k5是很小的，但此液膜阻力隨著細(xì)胞外徑的增大而增大。在有攪拌的情況下，菌體結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少，液體和菌體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增加，減少了膜厚度，因而也減少了阻力。3/17/202434通常耗氧方面的阻力是1/k6

和1/k7，即菌絲內(nèi)及細(xì)胞膜的阻力，但攪拌可以減少逆向擴(kuò)散的梯度，因此也降低了這方面的阻力。

至于細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力，只在以下三種情況下才會(huì)產(chǎn)生：（１）培養(yǎng)基成分與其相應(yīng)的酶的作用失活；（2）一些生理?xiàng)l件如溫度、pH值等不適于酶的反應(yīng)；（3）一些代謝產(chǎn)物積累或不能及時(shí)從反應(yīng)處移去。

3/17/202435綜上所述，在氧的傳遞過程中，從氣相到液相的過程是限制步驟，液膜阻力1/KL是控制因素。因此，提高氧的傳遞速率，就是要提高氧從氣相到液相的傳質(zhì)（溶氧）速率。3/17/2024362、雙膜理論

氧的溶解過程實(shí)質(zhì)上就是氣體吸收的過程，因此這一過程可以用氣體吸收的基本理論闡明。關(guān)于氣體吸收的機(jī)理，迄今為止曾提出過幾種理論，但都有某些局限性。其中最早提出且應(yīng)用較廣的是雙膜理論，若應(yīng)用于氧傳遞過程其基本論點(diǎn)是：3/17/202437①在氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的兩旁具有兩層穩(wěn)定的薄膜，即氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，液體一側(cè)存在著一層液膜。在任何流體動(dòng)力學(xué)條件下，氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜內(nèi)的液體分子都處于滯流狀態(tài)，分子間屋對(duì)流運(yùn)動(dòng)，因而氧氣分子只能以擴(kuò)散方式，即借濃度差而透過雙膜。②在氣液界面上，氣液兩相的濃度總是互相平衡（空氣中氧的分壓與溶于液體中的氧濃度處于平衡狀態(tài)），即界面上不存在氧傳遞的阻力。3/17/202438③兩膜以外的氣、液兩相主流中，由于流體充分流動(dòng)，氧的濃度基本上是均勻的，也就無任何傳質(zhì)阻力。因此，氧從氣相總體傳到液相總體，所有的阻力僅存在于兩層滯留膜中，通過滯留氣膜的濃度就等于氣相平均濃度（氧分壓p)與界面相平衡濃度(氧分壓pi）之差p-pi，通過滯留液膜的濃度降就等于界面相平衡濃度Ci與液相平均濃度C之差Ci-C。3/17/202439氧傳遞雙膜理論圖解3/17/202440從上面的氧分子傳遞圖解可以清楚地看出，通過氣膜的傳氧推動(dòng)力為p-pi，繼續(xù)通過液模時(shí)的推動(dòng)力為Ci-C，與兩個(gè)推動(dòng)力相對(duì)應(yīng)的阻力分別為氣膜阻力1/kG

和液膜阻力1/kL。3/17/202441在穩(wěn)定傳質(zhì)過程中，傳質(zhì)途徑上的各點(diǎn)氧濃度不隨時(shí)間而變化，故通過兩膜的氧傳遞速率N應(yīng)相等，即：N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)

N---------傳氧速率（kmol/m2.h）

kG--------氣膜傳質(zhì)系數(shù)（kmol/m2.h.atm)

kL--------液膜傳質(zhì)系數(shù)（m/h）P--------氣相主流中氧的分壓(atm)

Pi-------氣液界面上的氧分壓(atm)

C--------液相主流中氧的濃度（kmol/m3）

Ci-------氣液界面上氧的平衡濃度（kmol/m3）3/17/202442

由于氣液界面處的氧分壓Pi和濃度Ci均無法測(cè)量，故式N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)沒有實(shí)用價(jià)值。為了便于計(jì)算，一般不采用傳質(zhì)系數(shù)kG或kL，而采用包括這兩個(gè)因素在內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)KG或KL,,同時(shí)采用總推動(dòng)力

P-P*和C*-C代替?zhèn)髻|(zhì)推動(dòng)力P-Pi和Ci-C。因此，上式可改寫為：N=KG(P-P*)=KL(C*-C)3/17/202443N=KG(P-P*)=KL(C*-C)KG--以氧分壓為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)（kmol/m2.h.atm)KL--以氧濃度差為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/h);P*--與液相主體中溶氧濃度相平衡的氧分壓（atm)C*--與氣相主體中氧分壓P相平衡的氧濃度（kmol/m3）3/17/202444因?yàn)闅庀嘀黧w中氧的分壓P和液相主體溶氧濃度C均可直接測(cè)定，而P*和C*可由亨利定律求出，故采用N=KG(P-P*)=KL(C*-C)來計(jì)算氧的傳遞速率非常方便。由于在氧的傳遞過程中液膜阻力遠(yuǎn)大于氣膜阻力，故通常是以(C*-C)為溶氧推動(dòng)力來計(jì)算傳氧速率。亨利定律：與溶解濃度相平衡的理想氣體的分壓與該氣體所溶解的分子濃度成正比，于是有：3/17/2024453/17/2024463/17/202447由于Nv每立方米液體每小時(shí)的溶氧量，是可以實(shí)際測(cè)量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。

kLa的單位雖然是1/小時(shí)，但它是根據(jù)單位液體體積的溶氧速Nv計(jì)算出來的，因而稱為體積溶氧系數(shù)。上述公式是從雙膜理論推導(dǎo)出的在通氣液體中傳氧速率的公式，在氧傳遞理論中被廣泛采用，為該領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)試驗(yàn)的基本依據(jù)之一。3/17/202448但尚需指出，雙膜理論中假設(shè)有膜的存在，并以分子擴(kuò)散為依據(jù)，而實(shí)際上是否存在穩(wěn)定的氣膜和液膜還是疑問，故用于通氣攪拌的傳質(zhì)問題不完全符合兩相界面的傳質(zhì)情況。這與在管壁內(nèi)外流動(dòng)的液體的情況不盡相同，后者在固定的壁面兩側(cè)確實(shí)存在著兩層以滯流流動(dòng)著的膜，這種膜可以使之減薄，而不能使之完全消失。3/17/202449但在劇烈騷動(dòng)的氣液界面上，情況就不會(huì)如此簡(jiǎn)單，此時(shí)的傳質(zhì)并不是單純的分子擴(kuò)散，實(shí)際情形要復(fù)雜得多。由于發(fā)展的不完善，盡管目前已經(jīng)提出了許多新理論（如表面更新理論、滲透理論），但因雙膜理論的研究和建立已有長(zhǎng)久的歷史，從理論到解決工程問題的方法都較成熟，故在目前仍然被認(rèn)為是工程上解決氣液傳質(zhì)問題的基本理論。3/17/202450在者，雙膜理論等都是僅僅說明氧溶解于液體的問題，是以微生物只能利用溶解于液體中的氧為依據(jù)，與化學(xué)工業(yè)中無微生物的氣液傳質(zhì)理論沒有什么原則性的區(qū)別，近年來有人通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究，提出了與溶解氧概念不同的觀點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵過程中除了處于液體中的微生物只能利用溶解氧外，處于氣液界面處的微生物還能直接利用空氣中的氧。3/17/202451同時(shí)微粒的存在擾亂了靜止的液膜，從而減少了液膜阻力。這個(gè)新的觀點(diǎn)是發(fā)酵過程傳質(zhì)理論更進(jìn)一步的發(fā)展，說明了微生物的培養(yǎng)。據(jù)報(bào)道，在石油發(fā)酵中實(shí)際測(cè)得的氧吸收量比只考慮微生物僅能吸收溶解氧的量要高得多，證實(shí)了這個(gè)觀點(diǎn)的正確性，但還需作進(jìn)一步研究才能使其在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中應(yīng)用。3/17/202452(三）氧的供需平衡要保持發(fā)酵液一定的溶氧速度，正是為滿足微生物的呼吸代謝活動(dòng)的耗氧速度，如果溶氧速度小于微生物的耗氧速度時(shí)，則發(fā)酵液中的氧逐漸耗盡，當(dāng)溶液中氧的濃度低于臨界氧濃度時(shí)，就要影響微生物的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝產(chǎn)物的生成。因此，供氧（傳氧、溶氧）與耗氧（需氧）至少必須平衡，即：3/17/202453或者：但是在實(shí)際發(fā)酵過程中，這種平衡的建立往往是短暫的，由于發(fā)酵過程中培養(yǎng)物的生化、物理等性質(zhì)隨時(shí)變化，相應(yīng)的氧傳遞情況也不斷變化，平衡也不斷被打破，又重新建立。（6-15）（6-16）3/17/202454對(duì)于一個(gè)培養(yǎng)物來說，最低的通氣條件可有式（6-16）求得。KLa亦可稱為“通氣效率”，用于衡量發(fā)酵罐的通氣狀況，高值表示通氣條件富裕，低值表示通氣條件貧乏。一般的，在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)也內(nèi)某瞬間溶氧濃度的變化可用下式表示：（6-17）3/17/202455在穩(wěn)定狀態(tài)下，因dC/dt=0，故式（6-17）與式（6-16）相同，得溶氧濃度：（6-18）3/17/2024561、攪拌攪拌提高溶氧系數(shù)的機(jī)制（1）攪拌能把大的空氣氣泡打成微小氣泡，增加了接觸面積，而且小氣泡的上升的速度要比大氣泡慢，因此接觸時(shí)間也增長(zhǎng)。（2）攪拌使液體作渦流運(yùn)動(dòng)，使氣泡不是直線四、影響傳氧速率的因素3/17/202457上升而是做螺旋運(yùn)動(dòng)上升，延長(zhǎng)了氣泡的運(yùn)動(dòng)路線，即增加了氣液的接觸時(shí)間。（3）攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng)，從而減少了氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因而增大了kLa。（4）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞過程中的接觸面積增加，使推動(dòng)力均一。3/17/202458①攪拌器的型式及流型攪拌器按液流型式可分為軸向式和徑向式根據(jù)攪拌器的主要作用，打碎氣泡主要靠下組，上組主要起混合作用，因此下組一宜采用圓盤渦輪式攪拌器，上組宜采用平槳式②攪拌轉(zhuǎn)速和葉徑對(duì)溶氧水平及混合程度的影響③攪拌組數(shù)對(duì)溶氧的影響攪拌器各項(xiàng)參數(shù)對(duì)傳氧速率的影響3/17/2024593/17/2024602、空氣流速當(dāng)增加通風(fēng)量時(shí)，空氣線速度相應(yīng)增加，從而增大溶氧；但另一方面，增加風(fēng)量，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，功率會(huì)降低，又會(huì)使溶氧系數(shù)降低。同時(shí)空氣線速度過大時(shí)，會(huì)發(fā)生過載現(xiàn)象，此時(shí)槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。3/17/2024613、空氣分布管空氣分布管的形式、噴口直徑及管口與罐底的相對(duì)位置都對(duì)氧溶解速率有較大的影響。在發(fā)酵罐中采用的空氣分布裝置有單管、多孔環(huán)管及多孔分支環(huán)管。當(dāng)通風(fēng)量小時(shí)（0.02~0.5ml/s）氣泡的直徑與空氣噴口直徑的1/3次方成正比。噴口直徑越小，氣泡的直徑越小，溶氧系數(shù)就越大。但是，一般發(fā)酵工業(yè)中的通風(fēng)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)范圍，此時(shí)的氣泡直徑與通風(fēng)量有關(guān)，而與噴口直徑無關(guān)。發(fā)酵工業(yè)大多采用單管空氣分布器。3/17/2024624、氧分壓增加推動(dòng)力（C*-C）或（P-P*），可使氧的溶解度增加。采用增加空氣壓力即增大罐壓或用含氧較多的空氣或純氧都能增加氧的分壓。過分增加罐中空氣壓力是不值得提倡的，因?yàn)楣迚涸龃螅諝鈮毫υ龃?，整個(gè)設(shè)備耐壓性都要提高，從而大大增加設(shè)備投資費(fèi)用。同時(shí)，氧的分壓過高也會(huì)影響菌的生理代謝。3/17/2024635、罐內(nèi)液柱高度在空氣流量和單位發(fā)酵液體積消耗功率不變時(shí)，通風(fēng)效率是隨發(fā)酵罐的高徑比H/D的增大而增加。但H/D太大，溶氧系數(shù)反而增加不大。一般罐高徑比H/D=2~3為宜。6、罐容通常發(fā)酵罐體積大的氧利用率高，體積小的氧利用低，在幾何形狀相似的條件下，發(fā)酵罐體積大的氧利用率可達(dá)7%~10%，而體積小的氧利用率只有3%~5%。3/17/2024647、醪液性質(zhì)在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動(dòng)，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)及大量繁殖菌體、積累代謝產(chǎn)物等，都引起培養(yǎng)液的物理性質(zhì)的改變，特別是黏度、表面張力、離子濃度等，從而影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性和氧的傳遞效率。絲狀菌發(fā)酵液對(duì)溶氧系數(shù)具有明顯的不利影響。3/17/2024658、溫度溫度增高能提高kLa9、有機(jī)物質(zhì)和表面活化劑3/17/2024661、溶氧系數(shù)常見的形式kLa-----以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)(1/h)kGa-----以氧分壓差為推動(dòng)力的溶氧系數(shù)（mol/ml.h.atm)kd------亞硫酸鹽氧化值（mol/ml.min.atm)Kv------與kd相同，但單位表示不同(kmol/m3.h.atm)

上述四種表示形式中，除kLa是以濃度差為推動(dòng)力外，其他三種表示形式都是以壓力差為推動(dòng)力。五、溶氧系數(shù)及其測(cè)定3/17/2024672.

溶氧系數(shù)的測(cè)定①亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法的原理用Cu2+為催化劑，溶解在水中的O2能立即將水中的SO32-氧化成為SO42-，其氧化反應(yīng)的速度在很大范圍與SO32-的濃度無關(guān)。反應(yīng)式如下：2Na2SO3+O2→2Na2SO4剩余的Na2SO3過量的碘作用

3/17/202468Na2SO3+I2+H2O→Na2SO4+2HI剩余的I2用標(biāo)定的Na2S2O3溶液滴定。標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3用量決定于溶解氧的量

Na2S2O3+I2→Na2S4O6+2NaI每1mol溶氧可氧化2molNa2SO3，就剩余2molI2，也就消耗掉4molNa2S2O3，因此，每滴定消耗1molNa2S2O3必有1/4mol溶氧。3/17/202469若操作時(shí)：P=1atm(絕對(duì))則：Nv=V.N/(1000m.t.4)(mol/ml.min)

或Nv=V.N.60/(m.t.4)(mol/L.h)V-----------實(shí)際攪拌通氣樣與空白樣各加等量、適量I2液后滴定用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3體積之差（ml）N-----------Na2S2O3的標(biāo)定濃度（mol/L）m-----------樣液的體積（ml）t-------------兩次取樣的間隔，即氧化時(shí)間（min）3/17/202470實(shí)驗(yàn)程序：

將一定溫度的自來水加入試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)，開始攪拌，加入化學(xué)純的Na2SO3晶體使SO32-的濃度在1.0N左右，再加化學(xué)純的CuSO4，Cu2+約為10-3mol/L，等完全溶解后開閥通氣，氣閥一開始就接近預(yù)定流量，并在幾秒內(nèi)調(diào)到所需的空氣流量。3/17/202471當(dāng)氣泡冒出的同時(shí)就立即記時(shí)，作為氧化時(shí)間的開始。氧化時(shí)間可以持續(xù)4~20min，到時(shí)停止通氣攪拌，準(zhǔn)確記錄氧化時(shí)間。實(shí)驗(yàn)前后各用吸管取5~100ml樣液（根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備大小而定，但前后取樣體積相等），立即各移入新吸取的過量標(biāo)準(zhǔn)碘液，然后用標(biāo)定好的Na2S2O3，以淀粉為指示劑，滴定至終點(diǎn)。3/17/202472將用亞硫酸鹽氧化測(cè)得的Nv值代入到Nv=kLa(C*-C)，即可算出kLa在亞硫酸鹽氧化法中，由于水中的SO32-在Cu2+的催化下瞬間把溶氧還原掉了，所以在攪拌充分的條件下整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中溶液中的溶氧濃度c=0。另外，在小型設(shè)備中可以忽略空氣的壓力變化。3/17/202473如：0.1MPa(1atm)下，25℃下空氣中的氧的分壓為0.021MPa，氧氣溶于純水的亨利定律常數(shù)為4.58×104，據(jù)此可以算出與之平衡的純水中的溶氧濃度C*=0.24mmol/L，但由于亞硫酸鹽的存在，C*的實(shí)際值低于0.24mmol/L，因此一般規(guī)定C*=0.21mmol/L

所以

kLa=Nv/0.213/17/202474kd值與kL值的換算文獻(xiàn)中常見另一種體積溶氧系數(shù)。kd是以氧的分壓差為傳氧的推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)，即Nv=kd(P-P*)對(duì)于亞硫酸鹽氧化法，因C=0，與之平衡的氣相氧分壓P*=0所以有Nv=kdP，又根據(jù)亨利定律Nv=kLa.C*或Nv=kLa.P/H

kd=kLa/H3/17/202475如kLa的單位為h-1，kd為mol/(mL.min.atm)C*=0.21mmol/L，P=0.21atm則kLa=6×107kd普通的機(jī)械攪拌發(fā)酵罐其kLa約102數(shù)量級(jí)，kd為10-63/17/202476用亞硫酸鹽氧化法測(cè)定溶氧系數(shù)優(yōu)點(diǎn)：氧溶解速度與亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反應(yīng)速度快不需要特殊儀器。3/17/202477缺點(diǎn)：

不能在真實(shí)發(fā)酵條件下進(jìn)行測(cè)定發(fā)酵液的溶氧，因?yàn)閬喠蛩猁}對(duì)微生物的生長(zhǎng)有影響，且發(fā)酵液的成分、消泡劑、表面張力、黏度、特別是菌體都影響氧的傳遞。這種方法測(cè)定的結(jié)果僅能說明某種發(fā)酵罐在該操作條件下的性能，而不能說明溶氧和微生物耗氧的全過程，故只能在一定的范圍應(yīng)用。主要用于作為設(shè)備溶氧系數(shù)的測(cè)定。3/17/202478②極譜法對(duì)浸在液體中的陰極和參考陽(yáng)極加上電壓，記錄在不同的電壓下通過的電流，當(dāng)電解電壓為0.6~1.0v時(shí)，溶解氧被還原成H2O2。酸性時(shí)：O2+2H++2e→H2O2中性或堿性時(shí)：O2+2H2O+2e→H2O2+OH-與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生上述電極反應(yīng)3/17/202479而被消耗，陰極表面便與液體主體存在氧的濃度差，于是液體主體的溶解氧擴(kuò)散到陰極表面參加電極反應(yīng)，使電路中維持一定的電流。當(dāng)氧的擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，擴(kuò)散電流和溶解氧濃度成正比。極譜法分為取樣極譜法和排氣極譜法。但這兩種方法都不能反應(yīng)發(fā)酵過程中的真實(shí)情況。3/17/202480③溶氧電極法溶氧電極不需要外加電源，可以看作是一種電解電池。將一對(duì)具有不同電極電位的電極裝入電解質(zhì)溶液中，一只是銀絲做成的陰極，另一只是鉛皮卷成的陽(yáng)極。這對(duì)電極裝置在兩端開口的細(xì)長(zhǎng)套管中，在靠近陰極的底端用一種耐熱的、只允許溶氧透過而不透過水及離子的塑料薄膜覆蓋，形成一個(gè)有一定容積的電池，在電池內(nèi)加入數(shù)毫升的電解質(zhì)溶液（5mol/LHAc+0.5mol/LNaAc+0.1mol/LPbAc2）

3/17/202481

陽(yáng)極上Pb→Pb2++2e

陰極上2e+1/2O2+H2O→2OH-如果將此電極插入待測(cè)的攪拌液體中，在兩極間接一電流表，此電流的大小正比與測(cè)量液體中的溶氧速率。所以電極產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與測(cè)量液體中的溶氧濃度成正比。將電極放入Na2SO3水溶液中，攪拌，此時(shí)電流計(jì)的指示定為溶氧值0%；然后用水沖洗電極，插入水中，通氣攪拌，直至電流響應(yīng)值達(dá)到飽和，定為溶氧值100%。

3/17/2024823/17/202483（1）穩(wěn)態(tài)法此法是根據(jù)氧供需平衡Nv=r和傳氧速率方程N(yùn)v=kLa(C*-C)計(jì)算的。正在發(fā)酵的醪液中，一方面以一定的溶氧速率Nv向液中供氧，另一方面正在生長(zhǎng)的微生物也以一定耗氧速率r消耗溶氧。Nv=kLa(C*-C)r=QO2X

溶氧供需速率相等時(shí)，r=Q(C進(jìn)-C出)/Vr------------微生物的耗氧速率(mmolO2/L.h);QO2--------微生物的比耗氧速率(mmolO2/g.h)X-----------微生物菌體濃度(g/L);Q-----------通氣量(L/h);V-----------發(fā)酵液體積(L);3/17/202484C進(jìn)---------通入氣體中的氧濃度(mmolO2/L)C出---------排出氣體中的氧濃度(mmolO2/L)

∵

r=Nv

即：Q(C進(jìn)-C出)/V=kLa(C*-C)

∴C進(jìn)、C出為常量，若按標(biāo)準(zhǔn)空氣計(jì)

C進(jìn)=8.73×10-3kmolO2/m33/17/202485

C*取決于操作壓力，一般地應(yīng)取液體上部和下部飽和溶