1 / 94

课程回顾

课程回顾. 影响发酵及微生物生长的因素有哪些 ?. 第七章. 发酵工业中氧的供需. 本章内容. 一、 细胞对氧的需求 ( 为什么要供氧和控制溶氧？ 二、 发酵过程中氧的传递 （如何实现供氧和控制溶氧？） 重点 三、 发酵过程耗氧与供氧的动态关系 四、 影响氧传递的因素 重点 五、 摄氧率、溶解氧、 K L a 的测定 难点. 一、微生物对氧的需求. （一）氧在微生物发酵中的作用 （二）可利用氧的特征 （三）微生物的耗氧特征 重点

kahlilia-kurush
Download Presentation

课程回顾

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 课程回顾 影响发酵及微生物生长的因素有哪些?

  2. 第七章 发酵工业中氧的供需

  3. 本章内容 一、细胞对氧的需求(为什么要供氧和控制溶氧？ 二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧和控制溶氧？）重点 三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系 四、影响氧传递的因素 重点 五、摄氧率、溶解氧、KLa的测定 难点

  4. 一、微生物对氧的需求 （一）氧在微生物发酵中的作用 （二）可利用氧的特征 （三）微生物的耗氧特征 重点 （四）控制溶解氧的意义

  5. （一）氧在微生物发酵中的作用（对于好气性微生物而言）（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 大多数微生物必须利用分子态的氧作为呼吸链末端的电子受体，与氢离子结合，同时释放能量，供细胞生长。

  6. （二）可利用氧的特征 氧是难溶性气体，正常状态下氧在水中的溶解度为0.25mol/m3。 只有溶解状态的氧才能被微生物利用。

  7. (1)呼吸强度（比耗氧速率） ：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。 γ=·x 其中X表示菌体浓度 （三）微生物的耗氧特征1.微生物需氧量的表示方式 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：mmolO2 /(m3·h)

  8. CL<Ccr，大大下降。 • CL> Ccr，保持恒定。 （三）微生物的耗氧特征2.与溶氧浓度CL关系 • (1) Ccr的定义 • 微生物的呼吸强度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。

  9. （ ）m • k0：亲和常数，k0越大，亲和能力越小， 越小。 (2) 当CL>Ccr时， = (3) 当CL<Ccr时， =

  10. 比生长速率 + - 对数期 延滞期 衰减期 稳定期 菌体浓度 3.培养过程中细胞耗氧的一般规律 衰亡期

  11. Q O 2 3.培养过程中细胞耗氧的一般规律 细菌生长阶段 呼吸强度 菌体浓度 X 摄氧率 γ 延滞期 逐渐升高 初始浓度低 不高 对数生长期 达到最高 不是最高 不是最高 衰减期 比最高稍低 比最高稍低 最高 稳定期 降低 最高 比最高低 衰亡期 很低 很低 很低

  12. 1 微生物本身遗传特征的影响，如k0↑， ↓ • 2 培养基的成分和浓度 • 成分： 主要是碳源种类 • 耗氧速率：油脂或烃类>葡萄糖>蔗糖>乳糖 • 培养基浓度 • 浓度大, ↑。 3 菌龄的影响:一般幼龄菌大。 （三）微生物的耗氧特征4. 影响微生物耗氧的因素

  13. （三）微生物的耗氧特征4. 影响微生物耗氧的因素（续） 4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 ↑, 溶氧量 ↓ • 5 代谢类型(发酵类型)的影响 • 若产物通过三羧酸（TCA）循环获取，则 高，耗氧量大。 • 若产物通过糖酵解（EMP）途径获取，则 低，耗氧量小。

  14. 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，应大大提高设备利用率。 （四）溶解氧控制的意义 返回

  15. 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重要 3. 氧传递方程

  16. (一) 供氧的实现形式

  17. （二）发酵过程中氧的传递1.氧的传递途径与传质阻力（二）发酵过程中氧的传递1.氧的传递途径与传质阻力 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 液膜传递阻力1/kL 细胞团内的传递阻力1/kA 液相传递阻力1/kLB 反应阻力1/kR 气膜传递阻力1/kG 气液界面传递阻力1/kI 固液界面传递阻力1/kIS 细胞膜、细胞壁阻力1/kW 氧从气泡到细胞的传递过程示意图

  18. 扩散方向 气体主流 气膜 液膜 液体主流 P P* Pi 氧溶解于液相的浓度 氧在空气中的分压 CL C* Ci Pi=HCi P=HC* P*=HCL 2. 气体溶解过程的双模理论 H—亨利常数， 越难溶解， H值越大。

  19. (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 ：

  20. 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传质系数， kmol/(m2·h· MPa) KL —以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/h P*—与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，MPa C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，kmol/m3

  21. 由式

  22. ,说明这一过程液膜阻力是主要因素。 返回

  23. 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 返回

  24. 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,

  25. 三. 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

  26. 变换 令 则

  27. 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,

  28. 稳态过程中，在KLa一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响稳态过程中，在KLa一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响

  29. 在发酵过程中，OTR和γ平衡非常短暂，然后又打破，又平衡。在发酵过程中，OTR和γ平衡非常短暂，然后又打破，又平衡。 • 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。

  30. 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: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: 在稳态时,则 ，则

  31. 影响氧传递的因素 （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

  32. 1. 影响推动力C*-CL的因素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↓

  33. 2)溶质 电解质（盐析作用使氧的饱和溶解度降低，推动力下降） 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.

  34. 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

  35. 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

  36. 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*↓

  37. 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高，可以通过添加有机溶剂来降低水的极性从而增加溶解氧的浓度

  38. 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。

  39. 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

  40. 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 ; • Ws— 表观线速度，m/s ; DL—扩散系数, m2/s ; • —液体粘度，Pa·s ; ρ—液体密度，kg/m3; • σ—界面张力，N/m; • g—重力加速度, 9.81m/s2

  41. 写成准数式(无因次式) ＝ 准数

  42. ＝气流准数 准数

  43. 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

  44. 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

  45. 操作条件的影响A. 搅拌对KLa的影响 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，防止小气泡的凝聚，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。

  46. 搅拌对KLa的影响（续） N（搅拌转速）并不是越大越好 剪切力↑， 对细胞损伤↑，对形态破坏↑ 发酵期间搅拌热↑,增加传热负荷 N↑

  47. B. 通气对KLa的影响: 在通气量Q较低时, Q↑→Ws↑→ KLa↑

  48. C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响 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=

More Related