发酵工业中的传氧课件

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1、发酵工业中的传氧课件发酵工业中的传氧课件本章内容本章内容一、细胞对氧的需求一、细胞对氧的需求 （为什么要供氧？为什么要控制溶氧？）（为什么要供氧？为什么要控制溶氧？）二、发酵过程中氧的传递二、发酵过程中氧的传递 （如何实现供氧？如何控制溶氧？）（如何实现供氧？如何控制溶氧？）三、三、影响氧传递的因素影响氧传递的因素四、摄氧率、溶解氧四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定的测定发酵工业中的传氧课件一、细胞对氧的需求一、细胞对氧的需求（一）氧在微生物发酵中的作用（一）氧在微生物发酵中的作用（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征（三）微生物的耗氧特征（三）微生物的耗氧特征（四）溶解氧控制的意义（四）溶解

2、氧控制的意义发酵工业中的传氧课件（一）氧在微生物发酵中的作用（一）氧在微生物发酵中的作用 （对于好气性微生物而言）（对于好气性微生物而言）n呼吸作用呼吸作用 n直接参与一些生物合成反应直接参与一些生物合成反应 COOHCHOHCHCHO3232发酵工业中的传氧课件（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征n只有溶解状态的氧才能被微生物利用。只有溶解状态的氧才能被微生物利用。1.1.微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1) 呼吸强度（呼吸强度（比耗氧速率比耗氧速率） QO2 ：单位质量干菌体在单：单位质量干菌体在单 位时间内消耗氧的量。位时间内消耗氧的量。 单位：单位：mmolO2/（k

3、g干菌体干菌体h）。）。(2) 摄氧率摄氧率（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间 内消耗氧的量。单位：内消耗氧的量。单位： =QO2x x细胞浓度，细胞浓度，kg(干重干重)/m3发酵工业中的传氧课件2. QO2与与溶氧浓度溶氧浓度CL关系关系(1) 当当CLCcr时时， QO2 (QO2)m(2) 当当CL Ccr，QO2 保持恒定保持恒定nCL1.发酵工业中的传氧课件（三）培养过程中细胞好氧的一般规律（三）培养过程中细胞好氧的一般规律n培养初期：培养初期： QO2逐渐增高逐渐增高，x较小较小。n在对数生长初期：达到在对数生长初期：达到(QO2 )m，

4、但此时但此时x较低较低，并不高并不高。n在对数生长后期：达到在对数生长后期：达到m, 此时此时 QO2 (QO2 )m ，x葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 n培养基浓度培养基浓度 浓度大浓度大, QO2 ; 浓度小浓度小, QO2菌龄的影响菌龄的影响:一般幼龄菌一般幼龄菌QO2大大,晚龄菌晚龄菌QO2小小发酵工业中的传氧课件影响微生物耗氧的因素（续）影响微生物耗氧的因素（续）n 发酵条件的影响发酵条件的影响 pH值值 通过酶活来影响耗氧特征通过酶活来影响耗氧特征; 温度温度 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T , DO2 n 代谢类型代谢类型(发酵类型发酵类型)的

5、影响的影响 若产物通过若产物通过TCA循环获取循环获取,则则QO2高高,耗氧量大耗氧量大 若产物通过若产物通过EMP途径获取途径获取,则则QO2低低,耗氧量小耗氧量小发酵工业中的传氧课件n溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。 n氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。n目前目前,在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率,就能大大降低空

6、气消耗量就能大大降低空气消耗量,从而降低设备费和动力消耗从而降低设备费和动力消耗,且且减少泡沫形成和染菌的机会减少泡沫形成和染菌的机会, 大大提高设备利用率。大大提高设备利用率。（四）溶解氧控制的意义（四）溶解氧控制的意义发酵工业中的传氧课件二、发酵过程中氧的传递二、发酵过程中氧的传递 （一）供氧的实现形式（一）供氧的实现形式（二）发酵过程中氧的传递（二）发酵过程中氧的传递1. 1. 氧的传递途径与传质阻力氧的传递途径与传质阻力2. 2. 气体溶解过程的双膜理论气体溶解过程的双膜理论 3. 3. 氧传递方程氧传递方程4. 4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系发酵过程耗氧与供氧的动态关系发酵工业中

7、的传氧课件(一一) 供氧的实现形式供氧的实现形式 摇瓶水平：摇床转速慢，装量多摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和搅拌缓和，通气缓和 表面通气，膜透析（扩散）表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少摇瓶水平：转速快，装量少 通无菌空气并搅拌通无菌空气并搅拌 气升式气升式 发酵罐水平发酵罐水平需氧量小需氧量小发酵罐发酵罐需氧量大需氧量大发酵工业中的传氧课件发酵工业中的传氧课件1. 1. 细胞培养体系氧的传递过程细胞培养体系氧的传递过程气泡气泡细胞细胞滞流区滞流区滞流区滞流区气气- -液界面液界面液液- -细胞团界面细胞团界面细胞团细胞团细胞膜细胞膜液相主体液相主体生化反应生

8、化反应（二）发酵过程中氧的传递（二）发酵过程中氧的传递发酵工业中的传氧课件(1)(1)双膜理论的基本前提双膜理论的基本前提n气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；n气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以浓度差方式透过双膜；浓度差方式透过双膜；n气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；任

9、一点氧浓度，氧分压相等；n液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一点氧浓度点氧浓度、氧分压相等。氧分压相等。2. 气体溶解过程的双膜理论气体溶解过程的双膜理论氧在空气中的分压氧溶解于液相的浓度气液接触面气膜 液膜扩散方向ppiCiCLp-piCLCi-双膜理论的气液接触双膜理论的气液接触发酵工业中的传氧课件n在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系浓度处于平衡关系; ;氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。点的氧浓度不随

10、时间而变化。发酵工业中的传氧课件 气膜气膜传递阻力传递阻力1/kG 气液界面传递阻力气液界面传递阻力1/kI 液膜液膜传递阻力传递阻力1/kL 液相传递阻力液相传递阻力1/kLB 细胞或细胞团表面的液膜阻力细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 固液界面传递阻力固液界面传递阻力1/kIS 细胞团内细胞团内的传递阻力的传递阻力1/kA 细胞膜细胞膜、细胞壁阻力、细胞壁阻力1/kW 反应阻力反应阻力1/kR供氧方面的阻力供氧方面的阻力耗氧方面的阻力耗氧方面的阻力氧的传递阻力氧的传递阻力发酵工业中的传氧课件(2) 传质理论传质理论n传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速传质达到稳态时，总的传质

11、速率与串联的各步传质速率相等，则单位接触界面氧的传递速率为率相等，则单位接触界面氧的传递速率为 ： nO2单位接触界面的氧传递速率单位接触界面的氧传递速率，P、Pi气相中和气、液界面处氧的分压气相中和气、液界面处氧的分压，MPaCL、Ci液相中和气、液界面处氧的浓度液相中和气、液界面处氧的浓度，kG气膜传质系数气膜传质系数，kL液膜传质系数液膜传质系数，m/hLLiGiOkCCkPPn112阻力推动力)(22hmlOkmo3mkmol)(2MPahmkmol发酵工业中的传氧课件若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时， KG以氧分压差为总推动力的总

12、传质系数以氧分压差为总推动力的总传质系数， KL 以氧浓度差为总推动力的总传质系数以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/s P*与液相中氧浓度与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压相平衡时氧的分压，Pa C*与气相中氧分压与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度达平衡时氧的浓度，mol/m3)CC(K)PP(KnL*L*GO2 )Pasm(mol2发酵工业中的传氧课件根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即：被溶解的分子分数成正比，即：H亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体、亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度

13、，与气体、溶剂种类及温度有关溶剂种类及温度有关。*HCP L*HCP iiHCP 发酵工业中的传氧课件*OG*G2OPPnK)PP(Kn2 22222OLiOiO*iOiO*Gn)CC(HnPPnPPnPPnPPK1 2211OiGGiOnPPkkPPn2OLiLnCCk1 LLiokCCn/12LGGkHk1K1 由式发酵工业中的传氧课件同理：同理：由于氧气难溶于水，由于氧气难溶于水，H H值很大，值很大， , ,说明这一过程说明这一过程液膜阻力液膜阻力是主要因素是主要因素。LGLkHkK111GHk1Lk1LLkK 发酵工业中的传氧课件3.3.氧传递方程氧传递方程n在气液传质过程中，通常将

14、在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为作为一项处理，称为体积体积溶氧系数溶氧系数或或体积传质系数体积传质系数。n在单位体积培养液中，氧的传质速率（在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方气液传质的基本方程式程式）为）为 )(1)()(*PPHaKPPaKCCaKOTRLGLL发酵工业中的传氧课件OTR单位体积培养液中氧的传递速率单位体积培养液中氧的传递速率， KLa以浓度差为推动力的体积溶氧系数以浓度差为推动力的体积溶氧系数， h-1,s-1 KGa以分压差为推动力的体积溶氧系数以分压差为推动力的体积溶氧系数,)hm(olkm3)MPahm(olkm3发酵工业中的传氧课件4

15、. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系发酵过程耗氧与供氧的动态关系n细胞呼吸的本征要求细胞呼吸的本征要求:n氧传递特征（发酵罐传递性能）氧传递特征（发酵罐传递性能）n若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；传递能力；n若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 n供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示： 2OQxLLmOOLLCKxCQxQCCaKOTR)()(22*传递

16、传递消耗消耗发酵工业中的传氧课件 对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式 求得。求得。 kLa亦可称为亦可称为“通气效率通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。件贫乏。LOLCCxQaK*2发酵工业中的传氧课件n在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示可用下式表示:n在稳态时在稳态时,则则 ，则，则xQCCaKdtdCOLLL2)(*0dtdCLaKxQCCLOL2*发酵工业中的传氧课件由气液

17、传递速率方程由气液传递速率方程)(*LLCCaKOTR 2. kLa的影响因素的影响因素（一）影响氧传递的因素（一）影响氧传递的因素1. 影响推动力影响推动力C*-CL的因素的因素 影响比表面积影响比表面积a的因素的因素 影响液膜传递系数影响液膜传递系数kL的因素的因素 可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：发酵工业中的传氧课件1) 温度温度n氧 在 水 中 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 ， 在氧 在 水 中 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 ， 在1.01105Pa和温度在和温度在433的范

18、围内，与空气平衡的的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算: t温度温度, Cw*氧在纯水中的溶解度氧在纯水中的溶解度, mol/m3 T ，Cw* ，推动力，推动力 6 .316 .14*tCw发酵工业中的传氧课件2) 溶质溶质n电解质电解质 1) 对于单一电解质对于单一电解质 Ce*氧在电解质溶液中的溶解度氧在电解质溶液中的溶解度, mol/m3 Cw*氧在纯水中的溶解度氧在纯水中的溶解度, mol/m3 CE电解质溶液的浓度电解质溶液的浓度, kmol/m3 KSechenov常数常数,随气体种类随气体种类,电解质种类和温度变化。电解

19、质种类和温度变化。E*e*wKCCClg )C,C(*eE发酵工业中的传氧课件2) 溶质溶质2）对于几种电解质的混合溶液）对于几种电解质的混合溶液：式中式中 hi第第i种离子的常数种离子的常数, m3/kmol 离子强度离子强度, kmol/m3 Zi第第i种离子的价数种离子的价数, 第第i种离子的浓度种离子的浓度, kmol/m3 iii*e*wIhCClgEiiiCZ21I EiC发酵工业中的传氧课件2) 溶质（续）溶质（续）B. 非电解质非电解质 式中式中 Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3 CN非电解质或有机物浓度非电解质或有机物浓度, kg/m

20、3 k非电解质的非电解质的Sechenov常数常数, m3/kgNnwKCCC*lg)C,C(*nN发酵工业中的传氧课件2) 溶质（续）溶质（续）C. 混合溶液混合溶液(电解质电解质+非电解质非电解质):叠加叠加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3jnjwiiimwCCIhCC*lglg溶质溶质， Cm*发酵工业中的传氧课件3) 溶剂溶剂n通常溶剂为水通常溶剂为水; n氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。 4) 氧分压氧分压n提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶

21、解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。n保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。组分浓度，如：进行富氧通气等。 发酵工业中的传氧课件影响影响KLa的因素的因素 发酵罐的形状，结构（几何参数）发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布器（几何参数）搅拌器，空气分布器（几何参数） 通气：表观线速度通气：表观线速度Ws 操作条件操作条件 搅拌：转速搅拌：转速N，搅拌功率搅拌功率PG 发酵液体积发酵液体积V，液柱高度液柱高度HL 发酵液的性质发酵液的性质：如影响发酵液性质

22、的表面活性剂、离子如影响发酵液性质的表面活性剂、离子 强度、菌体量等。强度、菌体量等。设备参数设备参数发酵工业中的传氧课件综合三类影响因素，有综合三类影响因素，有其中其中 d搅拌器直径搅拌器直径，m ; 搅拌器转速搅拌器转速，s-1 ; 液体密度液体密度，kg/m3; 液体粘度液体粘度，Pas ; DL扩散系数扩散系数, m2/s ; 界面张力界面张力，N/m; Ws 表观线速度表观线速度，m/s ; g 重力加速度重力加速度, 9.81m/s2),(gDWNdfaKLsLKLa的准数关联式的准数关联式 发酵工业中的传氧课件写成准数式写成准数式( (无因次式无因次式) ) 准数RenoldsN

23、dmRe2LLDdaK212)Nd(23)(2gdN4)(LD5)(sW6)(sWNdSherwoodLLDdaK2准数准数发酵工业中的传氧课件准数 Froude2gdN通气准数3NdQWNdNagssW气流准数SchmidtLD准数发酵工业中的传氧课件KLa影响因素的分析依据影响因素的分析依据 ： 以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例： 合并化简得：合并化简得：LLDdaK20.065 . 12)(Nd19. 02)(gdN5 . 0)(LD6 . 0)(sW32. 0)(siWND6 . 019. 04 . 028. 05 . 051. 12 . 2gWD

24、dNsLKLa=0.06发酵工业中的传氧课件问题：当设备一定，发酵液性质一定，即问题：当设备一定，发酵液性质一定，即d；、 、DL、g两类因素不变，可否建立两类因素不变，可否建立KLa与操作条件间的独立关联式：如与操作条件间的独立关联式：如 ？WkaKLs2 . 228. 0发酵工业中的传氧课件不行，实测后必须以不行，实测后必须以 进行分析。进行分析。 当通气是重要影响因素时，建立小型罐成功发酵的关当通气是重要影响因素时，建立小型罐成功发酵的关 联式或建立放大的关联式要特别小心。联式或建立放大的关联式要特别小心。 当其他条件一定，改变当其他条件一定，改变N、Ws测相应的测相应的KLa，不能根，

25、不能根 据实测数据建立方程据实测数据建立方程 KLaKNWs 当规模扩大后，想建立等当规模扩大后，想建立等KLa放大的关联式更困难，放大的关联式更困难， 只考虑只考虑N、Ws 时，则时，则KLa与与 相差甚远，关系复杂相差甚远，关系复杂。sGLWVPkaK)(WNs发酵工业中的传氧课件n实际工作中，通常以实际工作中，通常以“单位体积搅拌功率单位体积搅拌功率”代代替替“N”建立建立KLa表达式，则实测时拟合得很好。表达式，则实测时拟合得很好。nPG/ V不仅包含了不仅包含了“N”的变化，也真实反映的变化，也真实反映了流态的影响了流态的影响(即即Ws、N与设备及发酵液特性与设备及发酵液特性共同作用

26、共同作用)。发酵工业中的传氧课件A. 搅拌对搅拌对KLa的影响的影响n转速转速NPG KLan搅拌作用搅拌作用(影响影响KLa原理原理)n将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积，即并，从而增大气液相的接触面积，即aKLa溶氧溶氧n搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧n搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力，即递过程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧溶氧n搅拌使菌体分散，避免结团，

27、有利于固液传递中接触面积搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中接触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。度，有利于氧的传递。发酵工业中的传氧课件A. 搅拌对搅拌对KLa的影响（续）的影响（续）nN并不是越大越好并不是越大越好 剪切力剪切力， 对细胞损伤对细胞损伤，对形态破坏对形态破坏 PG，发酵期间搅拌热发酵期间搅拌热，增加传热负荷增加传热负荷 NB. 通气对通气对KLa的影响的影响: n在通气量在通气量Q较低时较低时, QWs KLa发酵工业中的传氧课件C. 通气、搅拌的关联对通气、搅拌的关联对KLa的

28、影响的影响 n从公式上看从公式上看, PG, Ws, KLa, 但但Ws的增加是有上限的的增加是有上限的, 当当Ws (Ws)m, 导致导致PG严重下降严重下降. Ws (Ws)m， PG ，KLa 发酵工业中的传氧课件当通气量超过一定上限时当通气量超过一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去散到液体中去, 而在大量气泡中空转而在大量气泡中空转, 发生发生“过载过载”现象现象, 此时此时搅拌功率搅拌功率PG会大大下降会大大下降, KLa也会大大下降也会大大下降。 只有只有Q，N同时提高同时提高，PG才不会大大才不会大大 下降下降，KLa。C. 通气、搅

29、拌的关联对通气、搅拌的关联对KLa的影响的影响 sGLWVPKaKlg)(lglg表观空气速度与表观空气速度与KLa的关系的关系发酵工业中的传氧课件设备规模的影响设备规模的影响n单位体积的液体的搅拌功率的指数单位体积的液体的搅拌功率的指数随培养装置的规模随培养装置的规模而相应变化而相应变化 如如: 小试小试 9L=0.95 中试中试 500L=0.67 生产规模生产规模 27T54T=0.50 可见可见, 在放大过程中在放大过程中, KLa在相同条件下会减小在相同条件下会减小.发酵工业中的传氧课件设备形状结构的影响设备形状结构的影响:n如如20T的伍式发酵罐的伍式发酵罐: =0.72, =0.

30、11发酵工业中的传氧课件搅拌器形式的影响搅拌器形式的影响: 、数值不同数值不同 对于对于值值:弯叶弯叶平叶平叶箭叶箭叶 对于对于值值:弯叶弯叶箭叶箭叶平叶平叶 但是破碎细胞能力但是破碎细胞能力: 平叶平叶箭叶箭叶弯叶弯叶 翻动流体能力翻动流体能力: 箭叶箭叶弯叶弯叶平叶平叶平叶平叶箭叶箭叶弯叶弯叶发酵工业中的传氧课件此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对在罐内的相对位置等对KLa都有影响都有影响. 搅拌器形式的影响搅拌器形式的影响发酵工业中的传氧课件表面活性剂的影响表面活性剂的影响 气液界面厚度气液界面厚度, 1/kL, k

31、L 气泡变小气泡变小, a 低浓度表面活性剂时低浓度表面活性剂时,以以a为主为主, KLa；添加至一定量时添加至一定量时, kL降至最低降至最低, KLa下降显著；下降显著；再继续增加时再继续增加时，kL维持最低水平不再下降维持最低水平不再下降，而而a，此此时时KLa从最低点有所回升从最低点有所回升。 表面活性剂的浓度表面活性剂的浓度KLa受两种受两种趋势影响趋势影响 表面活性剂月桂基磺酸钠（表面活性剂月桂基磺酸钠（NaLSO4）浓度对）浓度对KLa、KL和和da(a)的影响的影响发酵工业中的传氧课件离子强度对离子强度对KLa的影响的影响n电解质溶液浓度电解质溶液浓度,则气泡变小则气泡变小,a

32、, KLa;n有机溶质浓度有机溶质浓度,则气泡变小则气泡变小,a, KLa电解质溶液浓度电解质溶液浓度，传氧特性好，传氧特性好(KLa)，溶氧特性，溶氧特性C*E 差。差。具体的，离子强度具体的，离子强度 I 影响影响KLa公式中的公式中的, k值。值。nI=00.4时时, =0.40+0.862I/(0.274+I), 且且I,常数常数k。I0.4时时, =0.9, k值不再变化。值不再变化。n也随也随I增大而增大，但增大而增大，但I对对的影响较小，的影响较小，在在0.35 0.39之之间变化，不如间变化，不如变化大。变化大。发酵工业中的传氧课件菌体浓度菌体浓度n细胞浓度细胞浓度 x，KLa

33、()菌丝浓度对菌丝浓度对KLa的影响的影响发酵工业中的传氧课件（二）发酵过程中的氧传递效率（二）发酵过程中的氧传递效率n定义：每溶解定义：每溶解1kg O2所消耗的电能（千瓦小时所消耗的电能（千瓦小时/kg O2)定义为氧传递效率或传氧效率。定义为氧传递效率或传氧效率。n意义：意义：n代表每传递代表每传递1kg O2所需输入的能量，这个能量包括所需输入的能量，这个能量包括搅拌器和空气压缩机耗用功率的总能量。搅拌器和空气压缩机耗用功率的总能量。n数值越低，传氧效率越高。数值越低，传氧效率越高。n作为评价通气发酵罐的重要指标，可以此作为评价作为评价通气发酵罐的重要指标，可以此作为评价和比较不同类型

34、的发酵工艺及不同规模的发酵罐操和比较不同类型的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的一个直接手段。作的一个直接手段。发酵工业中的传氧课件二发酵过程中的氧传递效率（续）二发酵过程中的氧传递效率（续）n传氧效率的测定：传氧效率的测定：Na2SO3氧化法测定氧化法测定n传氧效率的比较传氧效率的比较n对于大罐和小罐，小罐的传氧效率高；对于大罐和小罐，小罐的传氧效率高；n对于相同的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效对于相同的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效率高；率高；n对于规模相同，同为牛顿型流体，但发酵液类别不对于规模相同，同为牛顿型流体，但发酵液类别不同，在同，在 KLa相同时，传氧效率基本一致。相同时

35、，传氧效率基本一致。发酵工业中的传氧课件一）溶解氧一）溶解氧CL的测定原理与方法的测定原理与方法n化学法化学法n极谱法极谱法n复膜氧电极法复膜氧电极法发酵工业中的传氧课件（1） 化学法化学法n原理：在样品中加入硫酸锰和碱性原理：在样品中加入硫酸锰和碱性KI溶液，生成氢氧化锰溶液，生成氢氧化锰沉淀，与溶解氧反应生成锰酸锰，再在反应液中加入沉淀，与溶解氧反应生成锰酸锰，再在反应液中加入H2SO4, 释放出游离的碘，然后用标准释放出游离的碘，然后用标准Na2S2O3液滴定。液滴定。 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(

36、OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十十Na2S4O6发酵工业中的传氧课件 （1） 化学法（续）化学法（续）n优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。n缺点：当样品中存在氧化还原性物质，测定结缺点：当样品中存在氧化还原性物质，测定结果会有偏差；当样品带有颜色时，会影响测定果会有偏差；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判断，故不适合测定发酵液的溶解氧浓终点的判断，故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。度。发酵工业中的传氧课件（2）极谱法）极谱法 原理：给浸在待测液体

37、中的贵金属阴极和参考原理：给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考电极（阳极）加上直流电压，当电解电压固定在电极（阳极）加上直流电压，当电解电压固定在0.8V左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生如下氧化还原反应而被消耗，如下氧化还原反应而被消耗， 酸性时酸性时 O2+2H+2e H2O2 中性或碱性时中性或碱性时 O22H2O +2e H2O22OH 发酵工业中的传氧课件n 原理：原理： 阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓度差，阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓度差，于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面参加电极反应，

38、使电路中维持一定的电流参加电极反应，使电路中维持一定的电流。当当氧的扩散过程达到稳定状态时，溶解氧浓度与氧的扩散过程达到稳定状态时，溶解氧浓度与测得的扩散电流成正比。测得的扩散电流成正比。发酵工业中的传氧课件氧浓度与扩散电流的关系氧浓度与扩散电流的关系 ADFLiCCLCL2ADFLiCLL2发酵工业中的传氧课件（2）极谱法）极谱法n阴极表面极易被污染，影响重现性，所以一般阴极表面极易被污染，影响重现性，所以一般采用滴汞电板作为阴极，阳极则可用甘汞电极。采用滴汞电板作为阴极，阳极则可用甘汞电极。n如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响电极反应，从而影响

39、到该法的准确性，使测定电极反应，从而影响到该法的准确性，使测定结果有误差。结果有误差。发酵工业中的传氧课件（3）复膜氧电极法）复膜氧电极法n复膜氧电极类型：极谱型；原电池型复膜氧电极类型：极谱型；原电池型n原理：复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩原理：复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩 散速率。当扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散散速率。当扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散速率为：速率为： no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根据根据Faraday定律，原电池型氧电极的稳定电流为定律，原电池型氧电极的稳定电流为：

40、 i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPL 溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压发酵工业中的传氧课件 复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图 （a a）极谱型）极谱型 （b b）原电池型）原电池型发酵工业中的传氧课件复膜氧电极内外氧电压的分布复膜氧电极内外氧电压的分布c发酵工业中的传氧课件二）摄氧率二）摄氧率的测定原理与方法的测定原理与方法 n瓦氏呼吸仪法瓦氏呼吸仪法n物料衡算法物料衡算法n氧电极法氧电极法发酵工业中的传氧课件（1）瓦氏呼吸仪法）瓦氏呼吸仪法n通过测压计测定密闭通过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速三角瓶的压力变化速率即氧的消耗速率，率即氧的消

41、耗速率，根据培养液体积计算根据培养液体积计算摄氧率。摄氧率。发酵工业中的传氧课件（2）物料衡算法）物料衡算法0dtdCL 稳态时稳态时，LOoooiiiLLXVQRTpQRTpQdtdCV2)(12oooiiiLORTpQRTpQVXQ发酵工业中的传氧课件（3）氧电极法）氧电极法n如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅拌转速，则拌转速，则（CLCcr）XQdtdCOL2发酵工业中的传氧课件 K KL La a的测定原理与方法的测定原理与方法n亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法n取样极谱法取样极谱法n物料衡算法物料衡算法n动态法动态法n排气法排气法

42、n复膜电极法复膜电极法发酵工业中的传氧课件（1） 亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法n原理原理n利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。n当亚硫酸钠浓度为当亚硫酸钠浓度为0.0180.5kmol/m3、温度在温度在2045之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。n用碘量法测定用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧传递消耗的速率，即可求得氧传递速率速率OTR, 再由式再由式OTR=KLaC*求出求出 KLa 。 2Na2SO3+O22Na2S

43、O4 H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2NaI发酵工业中的传氧课件（1）亚硫酸盐氧化法（续）亚硫酸盐氧化法（续）n亚硫酸盐氧化法值亚硫酸盐氧化法值Kd )min/(40002MPamlmolOStpCVpOTRKd发酵工业中的传氧课件（1）亚硫酸盐氧化法（续）亚硫酸盐氧化法（续）n优点优点n氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需特殊仪器。不需特殊仪器。n缺点缺点n不及极谱法准确；不及极谱法准确；n只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L以内

44、才较准确可靠；以内才较准确可靠；n不能对发酵过程实测，不能对发酵过程实测，Na2SO3对微生物生长有影对微生物生长有影响，且发酵液的性质影响氧的传递。响，且发酵液的性质影响氧的传递。发酵工业中的传氧课件（2）取样极谱法）取样极谱法n原理原理当电解电压为当电解电压为0.61.0V时，扩散电流的大小与液体时，扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。中溶解氧的浓度呈正比关系。由式由式 求得求得KLa 优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算出溶氧系数。进而可计算出溶氧系数。n缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，缺点：样品取

45、出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的测得的氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵与在发酵 罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。LLOLLCCCCXQCCaK*2*斜率极谱法工作曲线极谱法工作曲线发酵工业中的传氧课件(3)物料衡算法物料衡算法 n对发酵液中的氧进行物料衡算对发酵液中的氧进行物料衡算 )(*LLLCCaKdtdC0dtdCL稳态时稳态时)/(*LLCCaK于是于是对大型发酵罐，可用平均推动力对大型发酵罐，可用平均推动力 )()(ln)()()(*LoLiLoLimLCCCCCCCCC

46、C发酵工业中的传氧课件（4）动态法）动态法n原理原理 发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求来求KLa。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为：量为： 可改写为可改写为 xQCCaKdtdCOLLL2*)(*2)(1(CxQdtdCaKCOLLL*)(1(CdtdCaKLL发酵工业中的传氧课件停气停气t1, C1 C2, =QO2x=通气通气t2， C2 C1，将将CL对对 作图可得一直线，斜率为作图可得一直线，斜率为1/KLa, 在在CL轴上截距为轴上截距为C*. 121tCC 221LtCC

47、dtdC)dtdCL（停气和通气后培养液中溶氧浓度的变化情况停气和通气后培养液中溶氧浓度的变化情况利用动态过程测得的数据求出利用动态过程测得的数据求出KLa和和C*发酵工业中的传氧课件n优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解氧浓度，优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解氧浓度，并可计算出溶氧系数。并可计算出溶氧系数。n缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连续通气缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止通气会影响微的实际情况会有一定的差异，而且停止通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定的误差。生物的正常生长，因而存在一定的误差。（4）动态法）动态法

48、发酵工业中的传氧课件（5）排气法）排气法n原理原理 在被测定的发酵罐中先用氮气赶去液体中的溶解氧或在被测定的发酵罐中先用氮气赶去液体中的溶解氧或装入已除去溶解氧的装入已除去溶解氧的0.1mol/L的的KCl溶液，当开始通气溶液，当开始通气及搅拌后，定时取样用极谱仪或其它溶氧测定仪测出溶及搅拌后，定时取样用极谱仪或其它溶氧测定仪测出溶氧浓度氧浓度CL，同时通过将同时通过将CL对对t作图求出溶液中饱和的溶作图求出溶液中饱和的溶氧浓度氧浓度 C*.以以 对对t标绘即可得一直线标绘即可得一直线， KLa=-2.303斜率斜率taKCCCLL*ln)(*LLCCaKdtdC*lgCCCL发酵工业中的传氧

49、课件排气法测定溶氧系数的曲线排气法测定溶氧系数的曲线发酵工业中的传氧课件（5）排气法（续）排气法（续）n缺点缺点n结果不真实，不能代表发酵过程中的实际情况，也结果不真实，不能代表发酵过程中的实际情况，也不能反映当时发酵液的特性，同时也没有考虑到氧不能反映当时发酵液的特性，同时也没有考虑到氧浓度差浓度差C对对KLa的影响的影响。发酵工业中的传氧课件（6）复膜电极法）复膜电极法 n利用复膜电极可在发酵过程中测定发酵液的溶解氧利用复膜电极可在发酵过程中测定发酵液的溶解氧浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶氧系数浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶氧系数KLa，这，这样测出的溶解氧浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶样

50、测出的溶解氧浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶氧系数可代表发酵过程中的实际情况，是比较理想氧系数可代表发酵过程中的实际情况，是比较理想的测定方法，也是目前较为常用的方法。的测定方法，也是目前较为常用的方法。 发酵工业中的传氧课件本章小结本章小结n了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念n掌握发酵过程中氧的传递方程，及其参数的测掌握发酵过程中氧的传递方程，及其参数的测定定n深入理解深入理解KLa的意义，掌握影响氧传递的因素的意义，掌握影响氧传递的因素n了解溶氧相关参数的测定，掌握了解溶氧相关参数的测定，掌握KLa的测定的测定发酵工业中的传氧课件思考题n通气和搅拌的目的(作用)是什么?为什么说溶氧问题是好气性 发酵的关键?n为什么说提高氧传递速率，就是要提高氧从气相到液相的传质速率?n氧溶解过程的双膜理论其基本论点有哪些?双膜理论应用于微生物发酵过程有何局限性?n搅拌能够提高溶氧速率的机理有哪些?n测定溶氧系数的方法有哪几种?n了解计算机械搅拌式生化反应器溶氧系数常用的经验公式。n提高溶氧系数kLa和溶氧速率Nv的途径有哪些?