发酵工程原理与技术应用 教学课件 作者 余龙江 主编 课件 第七章 发酵工业中氧的供需.ppt

尚辅网 尚辅网 本章内容 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 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。 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. QO2与溶氧浓度CL关系 (1) 当CLCcr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) 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 微生物对氧的需求 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 ， xxm 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↓↓ 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 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 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。 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 (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 1.氧的传递途径与传质阻力 (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。 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，