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项目七

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项目七 - PowerPoint PPT Presentation


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项目七. 发酵工业中氧的供需. 项目内容. 一、 细胞对氧的需求 ( 为什么要供氧?为什么要 控制溶氧?) 二、 发酵过程中氧的传递 (如何实现供氧?如何控制溶氧?) 三、 影响氧传递的因素 四、 摄氧率、溶解氧 、 K L a 的测定. 一、细胞对氧的需求. (一) 氧在微生物发酵中的作用 (二) 可利用氧的特征 (二) 微生物的耗氧特征 (四) 溶解氧控制的意义. (一)氧在微生物发酵中的作用 (对于好气性微生物而言). 呼吸作用 直接参与一些生物合成反应. (二)可利用氧的特征. 只有溶解状态的氧才能被微生物利用。.

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Presentation Transcript
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项目七

发酵工业中氧的供需

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项目内容

一、细胞对氧的需求(为什么要供氧?为什么要 控制溶氧?)

二、发酵过程中氧的传递(如何实现供氧?如何控制溶氧?)

三、影响氧传递的因素

四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定

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一、细胞对氧的需求

(一)氧在微生物发酵中的作用

(二)可利用氧的特征

(二)微生物的耗氧特征

(四)溶解氧控制的意义

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(二)可利用氧的特征
  • 只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
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1.微生物需氧量的表示方式

(1)呼吸强度(比耗氧速率)QO2:单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。

单位:mmolO2/(kg干菌体·h)。

(2) 摄氧率γ(耗氧速率):单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。单位:

γ=QO2·x x——细胞浓度,kg(干重)/m3

2 q o2 c l
2. QO2与溶氧浓度CL关系

(1) 当CL>Ccr时, QO2= (QO2)m

(2) 当CL< Ccr时,

k0:亲和常数(半饱和常数),

单位:mol/m3

k0特征: k0越大,亲和能力越小, QO2越小。

  • 不同微生物的k0特征值不一样,可以此作为通气操作的依据。
3 c cr
(3) Ccr的定义
  • 微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响,各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求,即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度,称为临界氧浓度,以Ccr表示。
  • CL> Ccr,QO2 保持恒定
  • CL< Ccr, QO2 大大下降
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微生物对氧的需求

一般对于微生物: CCr:=1~15%饱和浓度

例:酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8%

产黄青霉 2.2*10-2 mmol·L-1, 8.8%

定义:氧饱和度=发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度

所以对于微生物生长,只要控制发酵过程中氧饱和度>1.

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3.培养过程中细胞耗氧的一般规律
  • 培养初期:QO2逐渐增高,x较小。
  • 在对数生长初期:达到(QO2 )m,但此时x较低,

γ并不高。

C. 在对数生长后期:达到γm, 此时QO2< (QO2 )m, x

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D. 对数生长期末:S↓, OTR↓, QO2 ↓

而γ∝(QO2 ,x , OTR),虽然x=xm,但QO2、OTR占主导地位,所以γ↓

E.培养后期:S→0,QO2 ↓↓, γ↓↓

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4. 影响微生物耗氧的因素
  • 微生物本身遗传特征的影响,如k0↑,QO2↓
  • 培养基的成分和浓度
    • 碳源种类

耗氧速率:油脂或烃类>葡萄糖>蔗糖>乳糖

    • 培养基浓度

浓度大, QO2 ↑; 浓度小, QO2↓

  • 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
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4. 影响微生物耗氧的因素(续)
  • 发酵条件的影响

pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征;

温度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征:T ↑, DO2 ↓ 

  • 代谢类型(发酵类型)的影响

若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大

若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小

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(四)溶解氧控制的意义
  • 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。
  • 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。
  • 目前,在发酵工业上氧的利用率很低,因此提高传氧效率,就能大大降低空气消耗量,从而降低设备费和动力消耗,且减少泡沫形成和染菌的机会, 大大提高设备利用率。
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二、发酵过程中氧的传递

(一)供氧的实现形式

(二)发酵过程中氧的传递

1. 氧的传递途径与传质阻力

2. 气体溶解过程的双膜理论

3. 氧传递方程

4.发酵过程耗氧与供氧的动态关系

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(一) 供氧的实现形式

摇瓶水平:摇床转速慢,装量多

搅拌缓和,通气缓和

表面通气,膜透析(扩散)

摇瓶水平:转速快,装量少

通无菌空气并搅拌

气升式

需氧量小

发酵罐水平

需氧量大

发酵罐

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1.氧的传递途径与传质阻力

氧从气泡到细胞的传递过程示意图

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气膜传递阻力1/kG
  • 气液界面传递阻力1/kI
  • 液膜传递阻力1/kL
  • 液相传递阻力1/kLB
  • 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC
  • 固液界面传递阻力1/kIS
  • 细胞团内的传递阻力1/kA
  • 细胞膜、细胞壁阻力1/kW
  • 反应阻力1/kR

供氧方面的阻力

耗氧方面的阻力

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供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力
  • 耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力
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(1)双膜理论的基本前提(三点假设)
  • 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;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;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;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、氧分压相等。
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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 :
  • 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。
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(2) 传质理论
  • 传质达到稳态时,总的传质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 :

nO2—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,MPa

CL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度,

kG—气膜传质系数,

kL—液膜传质系数,m/h

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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传质系数,

KL —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C相平衡时氧的分压,Pa

C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度,mol/m3

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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:
  • H——亨利常数,表示气体溶解于液体的难易程度,与气体、溶剂种类及温度有关。
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同理:

由于氧气难溶于水,H值很大, <<

,说明这一过程液膜阻力是主要因素。

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3.氧传递方程
  • 在气液传质过程中,通常将KLa作为一项处理,称为体积溶氧系数或体积传质系数。
  • 在单位体积培养液中,氧的传质速率(气液传质的基本方程式)为
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OTR—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,

h-1,s-1

KGa—以分压差为推动力的体积溶氧系数,

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4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
  • 细胞呼吸的本征要求:
  • 氧传递特征(发酵罐传递性能)
    • 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;
    • 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。
    • 供氧与耗氧至少必须平衡,此时可用下式表示:

传递

消耗

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变换

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无因次数Da为Damköhler 准数,物理意义是细胞的
  • 最大耗氧量与最大供氧量之比。
  • 当Da<1时,细胞的耗氧量<最大供氧量,存在耗
  • 氧限制,整个过程受呼吸速率控制;
  • 当Da>1时,细胞的耗氧量>最大供氧量,存在供
  • 氧限制,整个过程受氧传递速率控制。
  • 对于一个给定的发酵设备和微生物,C*、k0、(QO2)m
  • 已知,假定呼吸只与氧的限制有关,则,
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β为常数,则

y亦x的函数,有形式

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对于一个培养物来说,最低的通气条件可由式
  • 求得。
  • kLa亦可称为“通气效率”, 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
  • 件贫乏。
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(一)影响氧传递的因素
  • 由气液传递速率方程

可知,影响氧传递速率的因素(即影响供氧的因素)有:

1. 影响推动力C*-CL的因素

 影响比表面积a的因素

影响液膜传递系数kL的因素

2. kLa的影响因素

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1)温度
  • 氧在水中的溶解度随温度的升高而降低,在1.01×105Pa和温度在4~33℃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:

t—温度,℃

T ↑ ,Cw* ↓,推动力↓

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2)溶质
  • 电解质

1)对于单一电解质

Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3

Cw*—氧在纯水中的溶解度, mol/m3

CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3

K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.

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2)溶质(续)

2)对于几种电解质的混合溶液:

式中 hi—第i种离子的常数, m3/kmol

离子强度, kmol/m3

Zi—第i种离子的价数,

—第i种离子的浓度, kmol/m3

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2) 溶质(续)

B.非电解质

式中 Cn*—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,kg/m3

k—非电解质的Sechenov常数, m3/kg

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2) 溶质

C.混合溶液(电解质+非电解质):叠加

Cm*—氧在混合溶液中的溶解度,mol/m3

溶质↑ , Cm*↓

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3) 溶剂
  • 通常溶剂为水;
  • 氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。
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4) 氧分压
  • 提高空气总压(增加罐压),从而提高了氧分压,对应的溶解度也提高,但增加罐压是有一定限度的。
  • 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。
k l a
影响KLa的因素

发酵罐的形状,结构(几何参数)

搅拌器,空气分布器(几何参数)

通气:表观线速度Ws

② 操作条件搅拌:转速N,搅拌功率PG

发酵液体积V,液柱高度HL

③发酵液的性质:如影响发酵液性质的表面活性剂、离子

强度、菌体量

①设备参数

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KLa的准数关联式
  • 综合①②③三类影响因素,有
  • 其中d—搅拌器直径,m ; Ν—搅拌器转速,s-1 ;
  • ρ—液体密度,kg/m3;—液体粘度,Pa·s ;
  • DL—扩散系数, m2/s ; σ—界面张力,N/m;
  • Ws—表观线速度,m/s ; g—重力加速度, 9.81m/s2
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KLa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:

合并化简得:

=0.06

KLa=0.06

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不行,实测后必须以 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
  • 联式或建立放大的关联式要特别小心。
  • ①当其他条件一定,改变N、Ws测相应的KLa,不能根
  • 据实测数据建立方程KLa≠KNαWsβ
  • ②当规模扩大后,想建立等KLa放大的关联式更困难,
  • 只考虑N、Ws时,则KLa与 相差甚远,关系复杂。
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实际工作中,通常以“单位体积搅拌功率”代替“N”建立KLa表达式,则实测时拟合得很好
  • ∵PG/ V不仅包含了“N”的变化,也真实反映了流态的影响(即Ws、N与设备及发酵液特性共同作用).
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在PG的计算中要满足下列条件:
  • ①P的计算与Rem值有关:
  • Rem﹤10 x=-1层流
  • Rem﹥104 x=0 湍流

P:不通气搅拌功率

PG: 通气搅拌功率

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PG计算与P和Na有关:

Na﹤0.035时PG/P=1-12.6Na

Na≥0.035时PG/P= 0.62-1.85Na

可见, PG不仅与N、Ws相关,而且反映了流态,且通过流态与d、ρ、 等相关。

∴要以 来分析影响因素

a k l a
A. 搅拌对KLa的影响
  • 转速N↑→PG↑→ KLa↑
  • 搅拌作用(影响KLa原理)
    • 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a↑→KLa↑→溶氧↑
    • 搅拌产生涡流,延长气泡在液体中的停留时间,溶氧↑
    • 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1/KL↓→KL↑→KLa↑→溶氧↑
    • 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

表面液膜的厚度,有利于氧的传递。

k l a1
搅拌对KLa的影响(续)
  • N并不是越大越好

剪切力↑, 对细胞损伤↑,对形态破坏↑

PG↑,发酵期间搅拌热↑,增加传热负荷

N↑

b k l a
B. 通气对KLa的影响:
  • 在通气量Q较低时, Q↑→Ws↑→ KLa↑
c k l a
C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响
  • 从公式上看,PG↑, Ws↑, KLa↑, 但Ws的增加是有上限的,

当Ws>(Ws)m, Ws会通过 、

来影响PG,导致PG严重下降.

∴Ws>(Ws)m, PG ↓,KLa↓

Rem=

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C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响
  • 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散到液体中去, 而在大量气泡中空转, 发生“过载”现象, 此时搅拌功率PG会大大下降,KLa也会大大下降。
  • 只有Q↑,N↑同时提高,PG才不会大大
  • 下降,KLa↑。
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A. 设备规模的影响
  • 单位体积的液体的搅拌功率的指数α随培养装置的规模而相应变化

如: 小试9L→α=0.95

中试500L→α=0.67

生产规模27T~54T→α=0.50

可见, 在放大过程中,KLa在相同条件下会减小.

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B. 设备形状结构的影响:
  • 如20T的伍式发酵罐: α=0.72, ß =0.11
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C. 搅拌器形式的影响: α、β数值不同
  • 对于α值:弯叶>平叶>箭叶
  • 对于β值:弯叶>箭叶>平叶
  • 但是破碎细胞能力:平叶>箭叶>弯叶

翻动流体能力: 箭叶>弯叶>平叶

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KLa都有影响.

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平叶

箭叶

弯叶

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A. 表面活性剂的影响

气液界面厚度↑, 1/kL↑, kL↓

气泡变小↓, a↑

低浓度表面活性剂时,以a为主, KLa↑

添加至一定量时, kL降至最低, KLa下降显著

再继续增加时,kL维持最低水平不再下降,而a↑↑,此时KLa从最低点有所回升

KLa受两种趋势影响

表面活性剂的浓度↑

b k l a1
B. 离子强度对KLa的影响
  • 电解质溶液浓度↑,则气泡变小↓,a↑, KLa↑;
  • 有机溶质浓度↑,则气泡变小↓,a↑, KLa↑

∴电解质溶液浓度↑,传氧特性好(KLa↑),溶氧特性C*E↓差.具体的,离子强度I影响KLa公式中的α,β,k值.

  • I=0~0.4时, α=0.40+0.862I/(0.274+I), 且I↑,常数k↑. I>0.4时, α=0.9, k值不再变化.
  • β也随I增大而增大,但I对β的影响较小,β在0.35 ~0.39之间变化,不如α变化大.
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C. 菌体浓度
  • 细胞浓度x↑,KLa↓(∵μ↑)

菌丝浓度对KLa的影响

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(二)发酵过程中的氧传递效率
  • 定义:每溶解1kg O2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。
  • 意义:
    • 代表每传递1kg O2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。
    • 数值越低,传氧效率越高。
    • 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的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的一个直接手段。
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(二)发酵过程中的氧传递效率(续)
  • 传氧效率的测定:Na2SO3氧化法测定
  • 传氧效率的比较
    • 对于大罐和小罐,小罐的传氧效率高;
    • 对于相同的罐,牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效率高;
    • 对于规模相同,同为牛顿型流体,但发酵液类别不同,在 KLa相同时,传氧效率基本一致。
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(一)溶解氧CL的测定原理与方法
  • 化学法
  • 极谱法
  • 复膜氧电极法
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(1) 化学法
  • 原理:在样品中加入硫酸锰和碱性KI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H2SO4, 释放出游离的碘,然后用标准Na2S2O3液滴定。

MnSO4+2NaOH→ Mn(OH)2十Na2SO4

2Mn(OH)2+O2→MnO(OH)2↓

MnO(OH)2+Mn(OH)2→MnMnO3+2H2O

MnMnO3+3H2SO4+2KI→2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4

I2+2Na2S2O3→2NaI十Na2S4O6

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(1) 化学法(续)
  • 优点:测定较准确,且能得到氧的浓度值。
  • 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,会影响测定终点的判断,故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。
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(2)极谱法
  • 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0.8V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,
  • 酸性时O2+2H++2e→ H2O2

中性或碱性时O2+2H2O +2e → H2O2+2OH-

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原理:

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参加电极反应,使电路中维持一定的电流。当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。

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(2)极谱法
  • 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。
  • 如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响电极反应,从而影响到该法的准确性,使测定结果有误差。
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(3)复膜氧电极法
  • 复膜氧电极类型:极谱型;原电池型
  • 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,单位面积氧的扩散速率为:

no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)

根据Faraday定律,原电池型氧电极的稳定电流为:

i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=K’PL

∴溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压

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复膜氧电极示意图

(a)极谱型 (b)原电池型

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(二)摄氧率γ的测定原理与方法
  • 瓦氏呼吸仪法
  • 物料衡算法
  • 氧电极法
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(1)瓦氏呼吸仪法
  • 通过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速率即氧的消耗速率,根据培养液体积计算摄氧率。
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(3)氧电极法
  • 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

(CL>Ccr)

k l a2
KLa的测定原理与方法
  • 亚硫酸盐氧化法
  • 取样极谱法
  • 物料衡算法
  • 动态法
  • 排气法
  • 复膜电极法
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(1) 亚硫酸盐氧化法
  • 原理
    • 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。
    • 当亚硫酸钠浓度为0.018~0.5kmol/m3、温度在20~45℃之间,反应速度与亚硫酸钠浓度无关。
    • 用碘量法测定Na2SO3消耗的速率,即可求得氧传递速率OTR, 再由式OTR=KLaC*求出KLa 。

2Na2SO3+O2→2Na2SO4

     H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI

     2Na2S2O3+ I2→Na2S4O6+2NaI

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(1)亚硫酸盐氧化法(续)
  • 亚硫酸盐氧化法值Kd
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(1)亚硫酸盐氧化法(续)
  • 优点
    • 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。
  • 缺点
    • 不及极谱法准确;
    • 只能评价发酵罐的传氧性能,且工作容积在4-80L以内才较准确可靠;
    • 不能对发酵过程实测,∵Na2SO3对微生物生长有影响,且发酵液的性质影响氧的传递。
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(2)取样极谱法
  • 原理
    • 当电解电压为0.6~1.0V时,扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。
    • 由式 求得KLa
  • 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。
  • 缺点:样品取出发酵罐后,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QO2与在发酵

罐中的实际情况不完全一致,因而误差较大。

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(3)物料衡算法
  • 对发酵液中的氧进行物料衡算

稳态时

于是

对大型发酵罐,可用平均推动力

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(4)动态法
  • 原理

发酵过程中停止通气片刻,人为制造一个不稳定状态来求KLa。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为:

可改写为

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停气t1, C1→ C2, γ=QO2·x=
  • 通气t2, C2→ C1,
  • 将CL对 作图可得一直线,斜率为-1/KLa, 在CL
  • 轴上截距为C*.
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(4)动态法
  • 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。
  • 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生物的正常生长,因而存在一定的误差。
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(5)排气法
  • 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装入已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl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氧浓度CL,同时通过将CL对t作图求出溶液中饱和的溶氧浓度C*.

以 对t标绘即可得一直线, KLa=-2.303×斜率

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(5)排气法(续)
  • 缺点
    • 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浓度差△C对KLa的影响。
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(6)复膜电极法
  • 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KLa,这样测出的溶解氧浓度、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,是比较理想的测定方法,也是目前较为常用的方法。
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小结
  • 了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念
  • 掌握发酵过程中氧的传递方程,及其参数的测定
  • 深入理解KLa的意义,掌握影响氧传递的因素
  • 了解溶氧相关参数的测定,掌握KLa的测定
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