【发酵工程】第七章_发酵工业中氧的供给.ppt

本章内容 一、微生物细胞对氧的需求 二、发酵过程中氧的传递 三、影响氧传递的因素 四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定 一、微生物细胞对氧的需求 （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。 微生物的耗氧特征 (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. 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 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 氧的传递途径与传质阻力 1.氧的传递途径与传质阻力 气体溶解过程的双膜理论 (1)双膜理论的基本前提(三点假设) 1、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。 2、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 ： 3、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。 (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 X-摩尔分数 适用范围 （1）气体在液体中溶解度不是很高时亨利定律才是适用的 （2）溶质在气相中和液相中的分子状态相同（离解、缔合时不可以） T升高，溶质挥发能力强，H大（T升高，气体的溶解度小） 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 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, 发酵过程耗氧与供氧的动态关系  1.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 2.