《通气与搅拌》PPT课件.ppt

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1、第七章 通气与搅拌,在常压下（20）达到平衡时，氧在水中的溶解度仅为6.2mlL（0.28mmol）。这些氧只能保证氧化8.3mg（即0.046mmol）葡萄糖，仅相当培养基中常用葡萄糖浓度的1。对于发酵液中每小时在1m3 培养液中需要氧是溶解量的750倍。如果中断供氧，菌体会在几秒钟内耗尽溶氧。对好氧菌来说，生长的限制因子几乎总是氧的供应。,第一节 微生物对氧的需求,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌-1h-1,摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。,r=QO2.

2、X,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr,QO2,CL,CCr:临界溶氧浓度,指呼吸强度不再随着溶氧浓度变化而变化时的溶氧浓度；指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。,在培养过程中不需要使溶解氧浓度达到或接近饱和值，而只要超过某一临界氧浓度即可。当不存在其他限制性基质时，如果溶氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率大大下降，这时细胞处于半厌氧状态。,一般对于微生物：CCr:115%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

3、度,所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度=1.,影响氧饱和浓度C*的主要因素,温度,氧饱和浓度C*：外界条件不改变，氧气在溶液中的浓度不随时间改变而改变时的氧的浓度,溶液的性质 氧在不同性质的溶液中的溶解度不一样，在同种溶液溶质含量不同的溶解度也不一样，一般说，溶质含量越高，氧的溶解度越小。氧分压 在系统压力小于0.5MPa的情况下，氧在溶液中的溶解度与氧分压成正比。,三、影响需氧的因素,r=QO2.X,菌体浓度,QO2,遗传因素,菌龄,营养的成分与浓度,有害物质,培养条件,一、氧传递的动力和阻力,传递过程的总推动力是气相与细胞内的氧分压之差。在氧从气泡传递到细胞内要克服一系列的阻力

4、，相对大小取决于流体力学特性、温度、细胞活性和浓度、液体的组成、界面特性以及其他因素。,第二节 氧在溶液中的传递,气液相间的氧传递阻力：气膜和液膜中。液固相间的氧传递：细胞或细胞周围的液膜阻力可忽略。,二、氧的传递方程式,Nv：体积传氧速率 kmol/m3.hC*：饱和溶氧浓度Kla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1,传递：,消耗：,r=QO2.X,Nv Qm.X=r Klar/(C*-C),发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中,氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面,当供氧大于需氧时，即Kla(C*-C)r时，发酵液的溶氧浓度随时间的延长而增加，直到趋近饱和溶氧浓度。当供氧

5、小于需氧时，即Kla(C*-C)r时，发酵液的溶氧浓度随时间的延长而下降，直到趋近于零。当生物摄氧率不变时，Kla越大，溶氧浓度越大，所以可以用Kla衡量发酵罐的通气效率。,第三节 发酵液的流变学,在相同条件下，液体的粘性不同，流动速度也不一样。粘度是表示液体流动性的重要物理参数。,T=牛顿型流体(细菌和酵母菌）V T=T0+V 平汉塑性流体（霉菌、放线菌发酵）T=K（V）a a1 涨塑性流体（淀粉组成的培养基发酵）,第四节 影响供氧的因素,一、影响氧传递动力的因素,（一）提高饱和溶氧浓度的方法 降低温度 降低培养基中营养物质的含量 提高发酵罐的氧分压,（二）降低发酵液中的溶氧浓度 减少通气量

6、 降低搅拌速率,二、影响Kla的因素,Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。(一)影响摇瓶kla的因素 摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12,转速250rpm,装液量，一般取1/10左右：250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92,(二)影响发酵罐中Kla的因素已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：K la=K(P/V)(Vs)(app)-w P/V 单位体积发酵液实

7、际消耗的功率（指通气条件下，KW/m3）Vs 空气的直线速度（m/h）app发酵液的粘度（kg s/m2)、w指数，与搅拌器和空气分布器的形式有关 K经验常数,1、理论上分析,KLa,n,d,通气量,提高搅拌，调节kla的效果显著,P=Kd5n3,例 某一产品的发酵 d n p0/v c 产量 450 180 1.62 20%4978 450 280 2.12 40%5564 550 180 2.61 60%8455,例 黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量 1812 2416 2846,提高d、n显著提高C,提高了产量,提高n,比提高

8、通气量有效,2、实际上对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的蒸发量大,中间挥发性代谢产物带走,3、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的 特点,小型发酵罐，转速可调,大型发酵罐，转速往往不可调,大型反应器的合理设计,对现有设备一定要注意工艺配套,4、影响Kla的其它因素,空气分布器,液体的理化性质,空气流速,泡沫,第五节 Kla的测定,一、CL的测定,1、化学法,由于Na2SO3与发酵液的理化性质相差很大，所以测定的结果只能相对说明发酵设备的供氧情况，不能表达设备供氧和微生物耗氧的全过程。,通过复膜氧电极的氧化还原反应将溶解氧浓度转变为电讯号。,2、溶氧电极,用溶阳电极与氧气分析仪相配合，可直接测量实际发酵液中的容积传氧系数Kla 式中进，为常量：出可用氧气分析仪自排出气体测得，为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得。,二、Kla的测定,1、平衡法,2、动态法,不同的测定方法得出的kla是不一样的,