07 发酵供氧.ppt

第1页：发酵供氧

发酵供氧：第六章发酵供氧

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第2页：供氧与微生物呼吸代谢

• 第一节微生物的需氧和溶解氧的控制一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系呼吸强度：QO2（mmol O2/g干菌体
• h）
• 耗氧速率：r （mmol O2/L
• h）

第3页：微生物的临界氧浓度

微生物的临界氧浓度

不同菌种、同种菌在不同生理期具有不同的C临界值

三、发酵过程溶解氧的变化四、溶解氧控制的意义

第4页：氧的传递途径与传质阻力

• 第二节传质理论
• 分为供氧和耗氧
• 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。
• 耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内

第5页：氧传递途径示意图

氧传递途径示意图：1.传递途径O2气膜气液界面细胞膜菌丝团发酵液液膜O2O2细胞液膜

第6页：供氧与耗氧方面的阻力

供氧与耗氧方面的阻力：2.供氧方面的阻力气膜气液界面液膜发酵液是该过程的主要阻力3.耗氧方面的阻力胞外液膜菌丝丛细胞膜胞内传递是该过程的主要的耗氧阻力

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第7页：气体溶解的双膜理论

气体溶解的双膜理论：二、气体溶解过程：双膜理论气—液界面气膜动力：P-Pi液膜动力：Ci-CL阻力：1/kG阻力：1/kL气体扩散方向气膜液膜CiCL空气泡PO2PPi发酵液

第8页：传质方程符号说明

• NA：氧传递速率
• p，pi气相中和气、液界面处氧的分压
• 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
• KG：以氧分压差为推动力的总传质系数
• KL：以氧浓度差为推动力的总传质系数
• p*：与液相中氧浓度c相平衡时的氧分压
• C*：与气相中氧分压p达平衡的氧的溶解度
• 上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：

第9页：亨利定律与氧传递速率式

亨利定律与氧传递速率式：根据亨氏定律，有：则NA的表达式可以写为：

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第10页：易溶与难溶气体的传质式

易溶与难溶气体的传质式：对易溶气体来讲：对难溶气体来讲：同样的方法可得出KL的表达式：

第11页：氧传质方程

• 三、氧传质方程内界面面积：a；单位：m2/m3K
• a：体积溶氧系数，溶氧速率方程为：N：氧的传递速率[kmol/（m3
• h）]；KLa：以浓度差为动力的体积溶氧系数（h-1）；KGa：以分压差为动力的体积溶氧系数[kmol/（m3
• h
• M pa）]
• cL：发酵液中氧浓度（kmol/m3）
• c*：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）
• p：气相中氧分压（M Pa）
• p*：与液相中氧浓度c平衡的氧分压（M Pa）
• H：亨利常数（m3
• M Pa/kmol）

第12页：供氧与耗氧的平衡

供氧与耗氧的平衡：供氧与耗氧至少必须平衡

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第13页：搅拌的目的与改善溶氧

• 第三节影响氧传递速率的因素一、搅拌目的：增加溶氧、促进微生物悬浮混合（1）搅拌改善溶氧速率
• ①打碎气泡，增加接触面积
• ②液体做涡流运动，增加接触时间
• ③发酵呈湍流，减少液膜阻力，KLa增加
• ④打散菌体，使推动力均一

第14页：搅拌器的形式与特点

• （2）、搅拌器的形式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距、在罐内的相对位置
• ①搅拌器形式：
• 轴向式:浆式、锚式、框式、推进式
• 径向式：涡轮式
• 涡轮式的特点：
• 直径小，转速快，搅拌效率高，功率消耗较低

第15页：搅拌转速对溶氧的影响

• ②搅拌转速
• P ∝ H搅Q搅
• H搅: 液流速度压头Q搅:搅拌循环量在湍流状态下，P∝H搅Q搅∝n3d5 而Q搅∝nd3H搅∝n2d2③搅拌组数对溶氧的影响

第16页：空气线速度的影响

• 二、空气线速度
• KLa与空气线速度Vs的关系
• KLa ∝ Vsß
• Β在0.4～0.72之间

第17页：空气分布管的形式

• 三、空气分布管
• 空气分布管的形式、喷口直径、管口与罐底距离
• 空气分布装置：单管、多孔环管、多孔分支环管
• d/D＞0.3～0.4时，管口距罐底20～40mm
• d/D＝0.25～0.3时，管口距罐底40～60mm

第18页：氧分压与罐内液柱高度

• 四、氧分压
• 平衡状态时液体中氧的溶解度
• 五、发酵罐内液体柱高度

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第19页：罐体积与发酵液物理性质

• 六、发酵罐体积
• 发酵罐大罐气液接触时间长、氧的溶解度高，搅拌和通风小些
• 七、发酵液的物理性质
• 粘度、表面张力、离子浓度

第20页：亚硫酸盐氧化法原理

亚硫酸盐氧化法原理：第四节溶氧系数的测定一、亚硫酸盐氧化法1.原理利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。当亚硫酸盐浓度为0.018～0.47mol/L，温度20～45℃之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。

第21页：亚硫酸盐氧化法操作

亚硫酸盐氧化法操作：2.操作反应原理：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：再用Na2S2O3滴定剩余的碘：①将一定温度（20～45℃）的自来水加入实验罐，加入化学纯的Na2SO3晶体，使亚硫酸根约为1M，再加化学纯的CuSO4晶体，使Cu2+浓度约为10-9M，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时,氧化时间控制在5～20min.

第22页：亚硫酸盐氧化法计算

亚硫酸盐氧化法计算：3.计算方法:N：体积溶氧系数S：取样量C：硫代硫酸钠浓度mol/Lt：两次取样的时间间隔P：发酵罐的罐压②实验前后各用移液管取10～100mL样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用Na2S2O3标准液滴定至终点

第23页：亚硫酸盐氧化法优缺点

亚硫酸盐氧化法优缺点：优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反应速度快，不需要特殊仪器缺点：影响因素多，工作容积只能在4～80L以内测定才比较可靠

第24页：取样极谱法原理

• 二、取样极谱法
• 原理：当电压为0.6~1.0V时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。

第25页：极谱法的操作与KLa计算

• 操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的电池中，并记下随时间而下降的发酵液中的氧浓度CL的数值
• KLa=Qo2X/ C*-CL
• =斜率/ C*-CLC*

第26页：排气法测定KLa

• 驱出溶解氧，开始通气后，在被测定的发酵罐中用氮气定时取样，用极谱仪测出溶氧浓度
• dc/dt=KLa (C*-CL)
• Ln(C*-CL)=-KLa ×t+常数
• KLa＝－2.303×斜率三、排气法C*

第27页：复膜电极与氧分析仪测定

复膜电极与氧分析仪测定：四、复膜电极测定ＫＬα和氧分析仪测定ＫＧα原理：用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分离开来，避免外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响

第28页：溶解氧浓度与好氧率测定

• 测定发酵液中溶解氧浓度、菌的好氧率r及溶氧系数
• 该式可写成:

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第29页：气膜体积溶氧系数的测定

气膜体积溶氧系数的测定：测定和计算气膜体积溶氧系数

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第30页：溶氧系数的换算关系

• 五、溶氧系数的换算以氧浓度差作为动力的传质系数
• 以氧分压差作为动力的传质系数
• 以大气压作为动力来讨论的传质系数
• 以压力差作为动力的溶氧系数
• 体积吸收系数

第31页：KV与Kd及KLa与KGa换算

KV与Kd及KLa与KGa换算：1. KV与Kd的换算:2.KLa与KGa的换算:在标准状况（0.101M Pa，25℃）下饱和溶氧浓度为：0.2 mmol O2 /L，氧分压为0.021M Pa。

第32页：kd与KLa和KGa的换算

kd与KLa和KGa的换算：3.kd与KLa、KGa换算：KGa：Kd是以大气压为动力的溶氧系数。根据气体分压定律，其中对溶氧有贡献的仅是氧分压部分，即KLa：再根据其单位进行换算：

第33页：以氧分压为推动力的计算

以氧分压为推动力的计算：若直接以氧分压为推动力，在计算时就不要0.021 。

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