发酵工程-第九章发酵供氧课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第九章发酵供氧,第九章发酵供氧,1,好气微生物的生长和代谢需要消耗氧气，只有在氧存在时才能完成生物氧化作用，因此，供氧对需氧微生物必不可少。,氧气只有溶解到发酵液并进一步传递到细胞内的氧化酶系后才能被利用。,好气微生物的生长和代谢需要消耗氧气，只有在氧存在时才能完成生,2,第一节微生物需氧和溶解氧的控制,第一节微生物需氧和溶解氧的控制,3,一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系,发酵液中溶解氧的多少，一般以溶氧系数,值表示。,各种微生物的氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）不同，在不同条件下，其呼吸程度是不同的。,一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系发酵液中溶解氧的多少，一,4,微生物的吸氧量常用,呼吸强度和耗氧速率,两种方法来表示。,呼吸强度：,指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以,Q,O2,表示，单位为,mmol/(,g,.h),。,呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但当培养液中有固定成分存在时，测定就有困难，这时可用耗氧速率来表示。,耗氧速率：,指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以,r,表示，单位为,mmol/(,L,.h),。,微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。,5,式中：,r,为微生物耗氧速率，,mmol/(L.h),；,Q,O2,为呼吸强度，单位为,mmol/(g.h),；,为菌体的质量浓度，,g/L,。,耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。,式中：耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。,6,发酵的不同阶段对氧的要求不同：,举例：,一般菌体生长繁殖期比谷氨酸生成期对溶氧要求低，长菌阶段供氧为菌体需氧量的“亚适量”，要求溶氧系数,K,d,为,4.0l0,-6,一,5.9l0,-6,mol/(ml.min.M Pa),，形成谷氨酸阶段要求溶氧系数,K,d,为,1,5l0,-5,一,1,8l0,-5,mol/(ml.min.M Pa),。,发酵的不同阶段对氧的要求不同：,7,作为供氧指标与,K,d,比较，用氧的传递速率,r,ab,表示更适宜。,举例：,谷氨酸发酵最适亚硫酸盐耗氧速率为,1.0l0,-6_,1.5l0,-6,mol/(m L.min),，生物耗氧速率,r,应大于,10l0,-7,mol/(m L.min),。,长菌阶段，若供氧过量，在生物素限量的情况下，菌体生长受到抑制，表现为耗糖慢，,pH,值偏高，且不易下降。,产酸阶段如供氧不足，发酵主产物由谷氨酸转为乳酸。是因在缺氧条件下，谷氨酸合成所需的丙酮酸以后的氧化反应停滞，导致丙酮酸转化为乳酸。但是，如供氧过量，则不利于,酮戊二酸进一步还原氨基化，导致,酮戊二酸的积累。,作为供氧指标与K d比较，用氧的传递速率rab表示更适宜。,8,溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。,由于氧在水、发酵液的溶解度都很小，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。,溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。,9,溶氧对菌体生长和产物形成都会产生不同的影响。,例,1,：谷氨酸发酵,供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。,溶氧对菌体生长和产物形成都会产生不同的影响。,10,例,2,：维生素,薛氏丙酸菌发酵生产维生素,中，维生素,的组成部分咕啉醇酰胺（又称因子）的生物合成前期的两种主要酶会受到氧的阻遏，限制氧的供给才能积累大量的因子，因子又在供氧的条件下才能转变成维生素,，因而采用厌氧和供氧相结合的方法有利于维生素,的合成。,据实验研究，当溶氧下降到时，就从好气培养转为厌气培养，酶的活力可提高倍，这说明控制溶氧的重要性。,例2：维生素,11,例,3,：金霉素发酵,对抗生素发酵来说，氧的供给更为重要。,金霉素发酵，在生长期中短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由途径转向途径，使金霉素合成的产量减少。,金霉素,上的氧还直接来源于溶解氧，所以，溶氧对菌体代谢和产物合成都有影响。,例3：金霉素发酵,12,二、微生物的临界氧浓度,微生物的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，这一溶氧浓度叫做,临界氧浓度,，以,临界,表示。,好气性微生物的临界氧浓度一般为,0.003-0.05,/,，,二、微生物的临界氧浓度微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影,13,某些微生物的临界氧浓度：,某些微生物的临界氧浓度：,14,不同种类的微生物的需氧量不同,一般为,/,（,.,）。,同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件的不同而异。,a,、菌体生长和形成产物时的耗氧量往往不同；,b,、,一般幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培养阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低；,c,、晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，由于菌体浓度高，耗氧量大。,不同种类的微生物的需氧量不同,15,举例：,青霉素产生菌培养,80,的耗氧速率为,40mmol/,（,.,）；,链霉素产生菌培养,12,的耗氧速率为,5mmol/(L.h),；,黑曲霉生长的最大耗氧速率为,mmol/(L.h),，而产,淀粉酶时的最大耗氧速率为,mmol/(L.h),；,谷氨酸生产菌在种子培养,7,的耗氧速率为,13 mmol/(L.h),，发酵的耗氧速率为,50 mmol/(L.h),，发酵的耗氧速率为,51mmol/(L.h),。,举例：,16,为避免发酵处于限氧条件下，需考查,临界氧浓度,和,最适氧浓度,，并使发酵过程保持在最适浓度。,最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这由实验来确定。,举例：,青霉素发酵的临界氧浓度在,/,之间，低于此值就会对青霉素合成带来损失，时间愈长，损失愈大。,为避免发酵处于限氧条件下，需考查临界氧浓度和最适氧浓度，并使,17,举例：,氨基酸发酵需氧量与氨基酸的合成途径密切相关。,根据发酵需氧要求不同可分为三类：,举例：,18,第一类,谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等,谷氨酸系氨基酸,，在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如供氧不足，合成就会受到强烈抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；,第一类,19,第二类,异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即,天冬氨酸系氨基酸,，供氧充足可得最高产量，但供氧受限产量受影响并不明显；,第二类,20,第三类,亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。,第三类,21,氨基酸生物合成途径的不同引起需氧不同，因为不同代谢途径产生不同数量的（），则进行氧化所需溶氧量也就不同。,第一类：是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的量最多，需氧量也最多，供氧愈多，合成愈顺利。,第二类：合成途径是乙醛酸循环或磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的量不多，因而与供氧量关系不明显。,第三类：不经循环，产量很少，过量供氧反而起抑制作用。,由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径密切相关。,氨基酸生物合成途径的不同引起需氧不同，因为不同代谢途径产生不,22,三、发酵过程溶解氧的变化,正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律。,三、发酵过程溶解氧的变化正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓,23,举例：,谷氨酸和红霉素发酵前期，菌大量繁殖，需氧量不断增大，需溶氧浓度下降，出现一个低峰，菌的摄氧率、菌浓、黏度也同时出现一个高峰。这都说明产生菌正处在对数生长期。,过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段（如谷氨酸发酵）或随之上升（如抗生素发酵）后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。,谷氨酸发酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力的不同而异。,举例：,24,发酵中后期，对于分批发酵来说，溶氧变化比较小。,在生产后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。,发酵中后期，对于分批发酵来说，溶氧变化比较小。,25,补料对溶氧的影响：,当外界进行补料（包括碳源、前体、消泡剂）时，则溶氧发生改变，其变化大小和持续时间的长短随补料时的菌龄、补入物质的种类和剂量不同而不同。,如补加糖后，发酵液的摄氧率增加，引起溶氧下降，经过一段时间后又逐步回升；继续补糖，甚至降至临界氧浓度以下，因而成为生产上的限制因素。,补料对溶氧的影响：,26,在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，常见的是溶氧下降。,造成异常变化的原因有两方面：耗氧或供氧出现了异常或发生了障碍。,从溶解氧浓度的变化，可以了解微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足，查出发酵不正常的原因，控制好发酵生产。,在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，常见,27,引起溶氧异常下降的原因：, 污染好气性杂菌。, 菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降。, 设备或工艺控制发生故障或变化，,例如：,a,搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢；,b,消泡剂因自动加油器失灵或人为加入量太多；,c,停止搅拌、闷罐（罐排气封闭）等。,引起溶氧异常下降的原因：,28,引起溶氧异常升高的原因,在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变，如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。,特别是,污染烈性噬菌体,，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。,引起溶氧异常升高的原因,29,四、溶解氧控制的意义,微生物只能利用溶解状态下的氧（气,液界面处的微生物也能直接利用气相中的氧）。,氧是很难溶解的气体，在、下，在发酵液中的溶解氧为,/,，在这种溶氧浓度下菌的正常呼吸只能维持。,由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低，故必须采取强化供氧。,四、溶解氧控制的意义微生物只能利用溶解状态下的氧（气液界面,30,在发酵工业中，随着,高产菌株,的筛得，高浓度发酵、丰富培养基的采用对通气和搅拌的要求更高。,在,丰富培养基,内，发酵旺盛期间，即使培养液完全被空气饱和，它所贮存的氧也是很少的，只能维持菌正常呼吸，之后菌的呼吸就受到抑制。,这种随时都有窒息可能的状态，是由于微生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液中氧的溶解度比在水中更小。这就决定了大多数的好气性发酵需要有适当的通气条件才能维持一定的生产水平。,在发酵工业中，随着高产菌株的筛得，高浓度发酵、丰富培养基的采,31,近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步，以致氧的需求超过现有的发酵设备的氧传递的能力，其后果是氧传递率成为这种发酵生产的限制因素。,愈来愈多的事实表明，氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补的损失，或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。,由于菌体的新陈代谢与氧气呼吸有关，调节通风和搅拌，可影响发酵周期的长短和代谢产物生成的多少。而了解长菌阶段和产物产生阶段的最适需氧量，就可以分别合理地供氧，因此，溶解氧的控制是极其重要的。,近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步，以致氧的需求超过现有,32,事实上，发酵液中氧的浓度并不需要达到饱和浓度，只要维持在氧的,临界浓度以上,即可。,因此，应尽可能了解发酵过程中菌的临界氧浓度和达到最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵产物形成过程中的最高需氧量，以便分别合理地供给足够氧气。,通常搅拌可增加通气效果，且通气本身也具有搅拌作用，因此，发酵上常把通气和搅拌看作一个作业。,事实上，发酵液中氧的浓度并不需要达到饱和浓度，只要维持在氧的,33,目前，在发酵工业上氧的利用率是很低的。,在抗生素发酵方面，被微生物利用的氧不超过空气含氧量的。在谷氨酸发酵方面，氧的利用率为。,就是说，有大量的经过净化处理的无菌空气被浪费掉。,因此，提高供氧效率，就能大大降低空气消耗量，减少动力消耗，且减少染菌机会，减少泡沫形成，提高设备利用率。,目前，在发酵工业上氧的利用率是很低的。,34,第二节传质理论,第二节传质理论,35,一、氧的传递途径与传质阻力,在需氧发酵中，首先是气相中的氧溶解到发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。这一传递过程又可分为,供氧及耗氧,两个方面。,供氧：是指空气中的氧气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：是指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。,一、氧的传递途径与传质阻力在需氧发酵中，首先是气相中的氧溶解,36,氧在传递过程中必须克服一系列阻力。,氧在传递过程中必须克服一系列阻力。,37,供氧方面的阻力,（）氧膜阻力,1/k,1,，为气体主流及气,液界面间的气膜阻力，与空气情况有关。,（）气液界面阻力,1/k,2,，与空气情况有关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气相。,（）液膜阻力,1/k,3,，为从气,液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。,（）液流阻力,1/k,4,，液流阻力也是与发酵液的成分和浓度有关的，通常它不作为一项重要阻力，因在液体主流中氧的浓度是假定不变的。当然，只有在适当搅拌情况下才如此。,供氧方面的阻力（）氧膜阻力 1/k1，为气体主流及气,38,耗氧方面的阻力,（）细胞周围液膜阻力,1/k,5,，细胞周围液膜阻力同样与发酵液的成分和浓度有关。,（）菌丝丛或团内的扩散阻力,1/k,6,，这种阻力与微生物的种类、生理特性有关。单细胞的细菌和酵母不存在这种阻力，对于菌丝这种阻力最为突出。,（）细胞膜的阻力,1/k,7,，细胞膜的阻力与微生物的生理特性有关。,（）细胞内反应阻力,1/k,8,，细胞内反应阻力是指氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力，与微生物的种类、生理特性有关。,耗氧方面的阻力（）细胞周围液膜阻力1/k5，细胞周围液,39,由于氧是难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个控制过程，即,1/k,3,是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生的湍动可以减少这方面的阻力。,在耗氧方面，液体主流和细胞壁上氧的浓度相差很小，也就是说氧通过细胞周围液膜的阻力很小，但此液膜阻力随细胞外径的增加而增大。在有搅拌的情况下，结团现象减少，液体和菌丝间的相对运动增加，因而减少了膜厚，也减少了阻力。,由于氧是难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个控制过程，即,40,通常耗氧方面阻力主要是,1/k,6,与,1/k,7,，即由菌丝丛内扩散阻力与细胞膜阻力所引起，但搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。,至于细胞内反应阻力,1/k,8,，可因下列情况而产生：,（）培养基成分与其相应的酶的作用失活；,（）一些生理条件如温度、值等不适于酶的反应；,（）一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去。,通常耗氧方面阻力主要是1/k6与 1/k7，即由菌丝丛内扩散,41,二、气体溶解过程的双膜理论,气体溶解于液体的假说。,氧首先由气相扩散到气液两相的接触界面，再进入液相，界面的一侧是气膜，另一侧是液膜，氧由气相扩散到液相必须穿过这两层膜。,二、气体溶解过程的双膜理论气体溶解于液体的假说。,42,传递的动力与阻力,氧从空气扩散到气液界面这一段的推动力是空气中氧的分压与界面处氧的分压之差，即 ,，,氧穿过界面溶于液体，继续扩散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧的浓度之差，即,。,与这两个推动力相对应的阻力是气膜阻力,1/k,G,和液膜阻力,1/k,L,。,传递的动力与阻力,43,单位接触界面氧的传递速率：,式中：,为单位接触界面的氧传递速率，,/,（,3,.,）；, 、,分别为气相中和气、液界面处氧分压，；,、,分别为液相中和气、液界面处氧的浓度，,/,3,；,为气膜传质系数，,/,（,2,.,.,）；,为液膜传质系数，,/,（,2.,.,/,3,）或,/,。,单位接触界面氧的传递速率：式中：,44,通常情况下，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，所以式（,-,）不能直接用于实际。,为计算方便，并不单独使用,或,，而改用总传质系数和总推动力，在稳定状态时, ,（ ,*,） ,（,*, ,）,（,-,）,为以氧分压差为总推动力的总传质系数，,/,（,2.,.,）；,为以氧浓度差为总推动力的总传质系数，,/,；,*,为与液相中氧浓度相平衡时氧的分压，；,*,为与气相中氧分压 达平衡时氧的溶解度，,/,3,。,通常情况下，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，所以式（-,45,亨利定律,根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即,式中，为亨利常数，它表示气体溶解于液体的难易程度。如在亚硫酸盐溶液中，当氧分压为、溶氧浓度为,/,时，其亨利常数 ,/c*,/0.2, （,m,.,/,） ,6,（,.,/,）,亨利定律式中，为亨利常数，它表示气体溶解于液体的难易程度。,46,根据式（,-,），有,N,A,/(,*,),对于易溶气体，如氨溶于水，值甚小，式（,-,）右边第二项可忽略，则,，说明该溶解过程的主要阻力是气膜阻力。,对于难溶气体，如氧溶于水，值甚大，式（,-,）右边第二项可以略去，则,，说明这一过程液膜阻力是主要因素。,根据式（-），有 NA/(*),47,双膜理论的局限性,由于传质理论随着生产实践的发展而不断发展，目前双膜理论不足以完全说明气液间传质的现象。,例如，膜的存在是以分子扩散为依据，但实际是否存在双膜还有疑问，传质不仅仅是分子扩散，还包括各种因素。所以说双膜理论尚不完善，以后又提出过许多理论，如渗透理论、表面更新理论等，但同样尚待完善,.,双膜理论的局限性,48,三、氧传质方程式,要保持发酵液一定的溶氧速率，正是为满足微生物的呼吸代谢活动的耗氧速率。,如果溶氧速率小于微生物的耗氧速率，则发酵液中氧逐渐耗尽，当溶液中氧浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物生成。,因此，供氧与耗氧至少必须平衡。,三、氧传质方程式 要保持发酵液一定的溶氧速率，,49,式中，, ,为微生物的呼吸强度，即单位菌体细胞（干重）单位时间内的需氧量，,/,（,.,）或,/,（,.,）；（）为菌体细胞的质量浓度，,/,。,供氧与耗氧平衡时：,式中， 为微生物的呼吸强度，即单位菌体细胞（干重）,50,但是，在实际发酵过程中，这种平衡的建立往往是暂时的，因发酵过程中培养物生化、物理等性质随时变化，相应氧传递情况也不断变化，平衡不断地被打破，又重新建立。,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余，低值表示通气条件贫乏。,但是，在实际发酵过程中，这种平衡的建立往往是暂时的，因发酵过,51,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：,52,第三节影响氧传递速率的主要因素,根据气液传质方程式（,-7,），可以看出影响氧传递速率的因素有溶氧系数,值和推动力,*,。,此外，发酵罐中液体的体积与高度及发酵液的物理性质等也和供氧有关，而与溶氧系数,有关的则有搅拌、空气线速度、空气分布器的形式、发酵液的粘度等，与推动力,*,有关的则有发酵液的深度、氧分压、发酵液性质等。,第三节影响氧传递速率的主要因素根据气液传质方程式（-7）,53,一、搅拌,好气性发酵罐通常设有通风搅拌装置。,通风是为了供给需氧或兼性需氧微生物适量的空气，以满足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要。,搅拌的作用是把气泡打碎，强化流体的湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地接触，一方面增加溶氧速率，另一方面使微生物悬浮混合一致，促进产物代谢。,一、搅拌好气性发酵罐通常设有通风搅拌装置。,54,（）机械搅拌是提高溶氧系数行之有效的普遍采用的方法，这是因为搅拌可从下列几个方面改善溶氧速率,：, 搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，且小气泡的上升速度要比大气泡慢，因此接触时间增加。, 搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是做螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间。,（）机械搅拌是提高溶氧系数行之有效的普遍采用的方法，这是因,55, 搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，减少了液膜阻力，因而,值增大。, 搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，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。,然而，过度强烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细胞造成损伤，特别对不同发酵类型的丝状菌，更应考虑剪切力对菌体细胞的损伤。, 搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，,56,（）搅拌器的形式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响,。, 搅拌器形式,按液流形式可分为,轴向式,和,径向式,两种。,浆式、锚式、框式和推进式,的搅拌器均属于轴向式,涡轮式,搅拌器则属于径向式。,（）搅拌器的形式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐,57,涡轮式搅拌器,对于气,-,液混合系统，采用,圆盘涡轮式搅拌器,较好，因而发酵罐的搅拌器一般采用,涡轮式,;,涡轮式,的特点是直径小，转速快，搅拌效率高，功率消耗较低，主要产生径向液流，在搅拌器的上下两面形成两个循环的翻腾，可以延长空气在发酵罐中的停留时间，有利于氧在醪液中溶解。,根据搅拌器的主要作用，打碎气泡主要靠下组搅拌，上组主要起混合作用，因此，下组宜采用,圆盘涡轮式搅拌器,，上组采用,平桨式搅拌器,。,涡轮式搅拌器,58,圆盘涡轮搅拌器,的情况可用发酵罐搅拌液体翻动流型图来说明，如图,-,所示。,圆盘涡轮搅拌器的情况可用发酵罐搅拌液体翻动流型图来说明，如图,59,挡板作用：,不带挡板的搅拌流型，,在中部液面下陷，形成一个很深的漩涡，搅拌功率降低，大部分功率消耗在漩涡部分，靠近罐壁处流体速度很低，气液混合不均匀。,带挡板的搅拌流型，,流体从搅拌器径向甩出去后，遇到挡板的阻碍，形成向上、向下两部分垂直方向的流动，向上部分经过液面后，流经轴向而转下，不发生中央下陷的漩涡，液体表面外观是旋转起伏的波动。,挡板作用：,60,两个搅拌器之间：,液体发生向上、向下的垂直流动，流近搅拌器圆盘外随着搅拌器叶轮向外甩出，经罐壁遇到挡板的阻碍，迫使液体又发生垂直运动，这样在两只搅拌器的上、下方各自形成了自中间轴到罐壁的循环流动。,下组搅拌器下方：,罐底中间部分液体被迫向上，然后顺着搅拌器径向甩出，形成循环。,两个搅拌器之间：液体发生向上、向下的垂直流动，流近搅拌器圆盘,61,搅拌器的相对位置对搅拌效果影响很大：,如下组搅拌器距罐底太远，则罐底部分液体不能全部被提升，造成局部缺氧，距罐底一般以（,0.8,1,）为好。,两组搅拌器之间距离若太大，会使其中间部分搅拌不到，搅拌效果差；若距离太小，将会发生流体的互相干扰，功率降低，混合效果不好。,一般对非牛顿型发酵液，粘度大，菌体易结团，搅拌器间距宜小些，在以下，对于牛顿型发酵液以（）为好。,搅拌器的相对位置对搅拌效果影响很大：,62,搅拌转速和叶径对溶氧水平和混合程度有很大影响。,当功率不变时，即,3,5,常数，低转速、大叶径或高转速、小叶径都能达到同样的功率，然而、对溶氧有不同程度的影响。消耗于搅拌的功率与搅拌循环量,搅,和液流速度压头,搅,的乘积成正比，即, ,搅,搅,（,-,）,在湍流状态下，,搅,，,搅,，而, 搅 ,（,-,）, 搅 ,（,-,）,搅拌转速和叶径对溶氧水平和混合程度有很大影响。,63,从两式可看出， 搅 与的一次方、的三次方成正比， 搅 与、的二次方成正比。,增大对增加循环量,搅,、液体混合均匀有利；增大对提高液流速度压头、加强湍流程度、提高溶氧水平有利。,两者必须兼顾，既要求有一定的液体速度压头，以提高溶氧水平，又要有一定的搅拌循环量，使混合均匀，避免局部缺氧现象。,因此，要根据具体情况决定和。,从两式可看出， 搅 与的一次方、的三次方成正比， 搅,64,和的选定：,空气流量较小、动力消耗较小时，以小叶径、高转速为好；,空气流量较小、动力消耗较大时，的大小对通气效果的影响不太大；,空气流量大、功率消耗小时，以大叶径、低转速为好；,空气流量和动力消耗都较大时，以小叶径、高转速为好；,粘度大、菌丝易结团的非牛顿型发酵液，以大叶径、低转速、多组搅拌器较好；,粘度小、菌体易分散均匀的牛顿型发酵液，以小叶径、高转速较好。,和的选定：,65,搅拌组数对溶氧的影响。,搅拌组数对溶氧也有较大影响，确定装设几组搅拌器既要考虑到有利于提高溶氧水平，又要保证混合均匀。,例如：,在,/,2.4,的发酵罐中，当培养物为牛顿型醪液时，在功率相同的条件下，两组搅拌器的亚硫酸盐法测定的溶氧值,比三组搅拌器的,值高。但，对粘度较高的丝状发酵液，当粘度,.,时，三组搅拌器的,值比两组搅拌器的,值高；而当,.,时，三组和两组搅拌的,值基本相等。,搅拌组数对溶氧的影响。,66,挡板：,目前国内大发酵罐均用排管代替挡板，但一般不如挡板效果好。,挡板宽度一般为罐径的,1/12,1/10,，与罐壁垂直，与罐壁留有空隙，挡板略高于液面，下端接罐底。,一般发酵罐可装置个挡板，多装则通气效率增加不明显。,挡板能使液体形成轴向运动，因而提高了混合效果，改善了氧的传递条件，特别是在低搅拌转速时更为显著。,挡板：,67,二、空气线速度,溶氧系统,与空气线速度,有以下关系：, ,式中，,是溶解氧系数；,为空气线速度（,/,）；,为指数，在,0.4,0.72,之间，随搅拌形式而异。,这个关系说明通气效率或,是随空气量增多而增大的。当增加通风量时，,相应增加，从而增大溶氧；,但是，只增加风量而转速不变时，功率会降低，又会使溶氧系数降低。,二、空气线速度溶氧系统与空气线速度 有以下关系：,68,过载现象,空气线速度过大时，会发生“过载”现象，这时，桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。,开放式涡轮（无圆盘的）或桨叶搅拌器易发生,过载,，即气体可不经分散而沿搅拌叶的缓慢运动的中心迅速上升。在空气流速只有,21,/,时，平浆式搅拌器就会发生过载。一般来说，用一个搅拌叶的过载空气流速为,90m/,，用两个搅拌叶的过载空气流速可增至,150,/,。,过载现象,69,三、空气分布管,空气分布管的形式、喷口直径及管口与罐底距离的相对位置对氧溶解速率有较大的影响，在发酵罐中采用的空气分布装置有单管、多孔环管及多孔分支环管等几种。,三、空气分布管空气分布管的形式、喷口直径及管口与罐底距离的相,70,空气分布器的类型选择,当通风量小（,/,）时，气泡的直径与空气喷口直径的,1/3,次方成正比，就是说，喷口直径越小，气泡的直径越小，溶氧系数就越大。,但是，一般发酵工业的通风量都远远超过这个范围。这时，气泡直径与通风量有关，而与喷口直径无关。即在通风量大时，采用单管或环形管，其通风效应不受影响。但是，环形管的小孔极易堵塞，因此，发酵工业大多采用单管空气分布器。,空气分布器的类型选择,71,空气分布器的位置,空气分布器在搅拌器下方的罐底中间位置，管口向上,(?),，使空气喷出后就被搅拌器打碎，从而提高了通气效率。管口与罐底距离根据发酵罐形式等具体确定。,根据经验数据，当,/,时，管口距罐底；当,/,时，管口距罐底。管径可按空气流速,/,左右计算，环形管的环径以等于为好，小孔直径为，小孔总面积大致与通风截面积相等。,空气分布器的位置,72,四、氧的分压,由氧传质方程式看出，增加推动力（,*,）或（ ,*,）可使氧的溶解度增加。,根据亨利定律：,平衡状态时液体中氧的溶解度,/,式中为亨利常数，与温度及液体中固形物质的浓度有关；,为氧的分压。,从上式可知，增加空气中氧的分压可使氧的溶解度增大，增加空气压力，即增大罐压，或用含氧较多的空气或纯氧都能增加氧的分压。,四、氧的分压由氧传质方程式看出，增加推动力（* ）,73,提高罐压的问题：,一般微生物在个大气压以下的压力下不会受到损害，因此适当提高空气压力（即提高罐压）对提高通风效果是有好处的。,但是，过分增加罐中空气压力是不值得提倡的，因为罐压增大，空气压力增大，整个设备耐压性就要提高，从而使设备费用投资大大增加。,同时，氧的分压过高也会影响菌的生理代谢。据报道，氧分压过高会造成微生物暂时的中毒现象，中毒容易与否取决于微生物的种类和培养条件，而纯氧成本高。,提高罐压的问题：,74,五、发酵罐内液柱高度,一般在不增加功率消耗和空气流量时，增加发酵液体积会使通风效率降低，特别是在通风量较小时更显著。,但是，在空气流量和单位发酵液体积消耗功率不变时，通风效率随,/,的增大而增加，看来以高些为好，,/,为罐的径高比。,五、发酵罐内液柱高度一般在不增加功率消耗和空气流量时，增加发,75,根据经验数据，当罐的径高比,/,从增加到时，,可增加左右；当罐的径高比,/,从增加到时，,增加。由此可见，罐的径高比,/,小则氧的利用率差，因而国外倾向于采用较高的,/,。,据报道，国外通常采用,/,，国内有些工厂采用,/,，使用效果良好。但,/,太大，溶氧系数反而增加不大；相反，由于罐身过高，罐内液柱过高，液柱压差增大，气泡体积缩小，有气液界面积小的缺点，且,/,太大，厂房要求也提高。,一般罐径高比,/,在之间为宜。,根据经验数据，当罐的径高比/从增加到时， 可增,76,六、发酵罐体积,通常，发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用率低。,在几何形状相似的条件下，发酵罐体积大的氧利用率可达，而体积小的氧利用率只有。,发酵罐大小不同，所需搅拌转数与通风量不同，大罐的转数较低，通风量较小。因为若溶氧系数,值保持一定，大罐气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌和通风均可小些。,六、发酵罐体积通常，发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用,77,表,-,为不同容积发酵罐所需搅拌与通风的关系。,表-为不同容积发酵罐所需搅拌与通风的关系。,78,保持溶氧系数相等，通风量随发酵罐容积的增大而相对减少，如表所示。,保持溶氧系数相等，通风量随发酵罐容积的增大而相对减少，如表,79,七、发酵液的物理性质,在发酵过程中，微生物分解并利用培养液中的基质，大量繁殖菌体、积累代谢产物等都引起培养液的物理性质的改变，特别是粘度、表面张力、离子浓度等，从而影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传递速率。,七、发酵液的物理性质在发酵过程中，微生物分解并利用培养液中的,80,粘度,粘度影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传递速率。,此外，发酵液粘度的改变还影响液体的湍动性、界面或液膜阻力，从而影响溶氧速率。特别是非牛顿型流体的霉菌的发酵液，其溶氧系数和培养基组成有关。,通常，当发酵液浓度增大、粘度增大时，,值降低。,粘度,81,泡沫,发酵过程中由于形成大量泡沫，菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响了氧的传递。,这种情况下可加入适量的消泡剂，消除泡沫对氧溶解的不利影响。,但是，消泡剂用量过多，消泡剂聚集在微生物细胞表面及形成气泡液膜，增加了传质阻力，大大降低了氧的传递速率。,泡沫,82,第四节溶氧系数的测定,溶氧系数的测定方法很多，最早采用化学法测定，即,亚硫酸盐氧化法,，继而是,极谱法,，直至目前的耐高压蒸汽灭菌、灵敏度较高的,复膜电极,的溶解氧测定仪，可以测定发酵过程中溶解氧浓度、菌的耗氧速率及溶氧系数,。,此外，还可根据发酵过程中基质消耗比速，间接计算出,。现分别叙述如下。,第四节溶氧系数的测定溶氧系数的测定方法很多，最早采用化学法,83,一、亚硫酸盐氧化法,作用原理,此法是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率的。,因为亚硫酸盐的氧化速率远较氧的溶解速率为大，所以氧一溶解于液体中就立即被耗尽，从而使溶液中氧浓度为零。,当亚硫酸盐浓度为,0.018,0.47mol/,，温度在,20,45,之间时，与氧反应的速率几乎不变，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。,一、亚硫酸盐氧化法作用原理,84,式中，为平均溶氧速率，,/,（,.min,）；为亚硫酸钠的浓度，,/,；,为取样量，；为两次取样的时间间隔，。,计算时，为方便起见，采用罐压作为推动力，同时溶液中的氧分压,*,等于零，此时的溶氧系数叫做,亚硫酸盐氧化值,，以,表示：,式中，为平均溶氧速率，/（.min）；为亚硫酸,85,亚硫酸盐氧化法的优缺点,优点：是氧溶解速度和亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需要特殊仪器；,缺点：是不及极谱法测定准确，因为测定的影响因素多，而且工作容积只能在以内测定才比较可靠。,亚硫酸盐氧化法的优缺点,86,二、取样极谱法,发酵液中的溶解氧可用极谱仪来测定，其原理是当电解电压为时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。,由于氧的分解电压最低，因此发酵液中其他物质对测定的影响甚微，且发酵液中含有氢氧化钠、磷酸盐等电解质，故可直接用来测定。,二、取样极谱法发酵液中的溶解氧可用极谱仪来测定，其原理是当电,87,测定方法：将发酵液置入极谱仪的电解池中，并记下随时间而下降的发酵液中氧的浓度,的数值。,而发酵液中氧的饱和浓度,*,可以在标绘以上所得,的数据后，用外推曲线的方法求得（见图,-,），同时曲线斜率的负数即为微生物的耗氧速率。,测定方法：将发酵液置入极谱仪的电解池中，并记下随时间而下降的,88,式中，,为以浓度差为推动力的溶氧系数，,-1,或（,/,）,.,（,2,/,3,）；,为微生物的呼吸强度，,/,（,.,）；（）为菌体细胞的质量浓度，,g/,；,为溶液中氧的实际浓度，,/,3,;,*,为与气相中氧分压平衡的溶液中氧的浓度，,/,3,。,可将,*,、,及,（）值代入式（,-,）求得：,式中，为以浓度差为推动力的溶氧系数，-1 或（/,89,从图,-,可见，只要用极谱仪取样测定发酵液中氧浓度,，便可求得发酵液的饱和溶氧浓度,*,，同时曲线的斜率,/,（），则根据式（,-,），便可计算溶氧系数,。,从图-可见，只要用极谱仪取样测定发酵液中氧浓度 ，便,90,取样极谱法的缺点,:,样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的溶液已不准确，且在静止条件下所测得的,与在发酵罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。,取样极谱法的缺点:,91,三、排气法,这是一种在非发酵情况下进行的测定方法。,在被测定的发酵罐中充以事先用氮气驱出溶解氧的发酵液或,/,的溶液。,当开始通气及搅拌后，定时取出样品，用极谱仪或其他溶氧测定仪测出其溶解氧的浓度，将,作纵坐标，作横坐标，绘制曲线，求出溶液中饱和的溶氧浓度,*,，即将此曲线的最高点用虚线随横坐标平行推移至与纵坐标的交点便是溶液中饱和氧浓度,*,，见图,-,。,三、排气法这是一种在非发酵情况下进行的测定方法。,92,发酵工程-第九章发酵供氧课件,93,在不稳定情况下，发酵液中没有微生物细胞时，氧分子从气体主流扩散至液体主流的物质传递速率可由下式表示：,通气效率可用经过积分后的式（,-,）求出：,当以（,*,）对标绘时即可得出直线（图,-,）。根据这一直线的斜率便可计算出通气效率,，即, ,斜率,（,-,）,在不稳定情况下，发酵液中没有微生物细胞时，氧分子从气体主流扩,94,排气法的缺点是不能代表发酵过程的实际情况，也不能反映当时发酵液的特性，同时也没有考虑氧浓度差,对溶氧系数,的影响。,排气法的缺点是不能代表发酵过程的实际情况，也不能反映当时发酵,95,四、复膜电极测定 ,和氧分析仪测定 ,由于亚硫酸盐氧化法、取样法和排气法都不能反映发酵过程的实际情况，因而必须探索能直接测定发酵过程溶氧系数的有效方法。,目前国内外已有应用,复膜电极,直接测定发酵过程中溶氧系数的溶氧测定仪。,四、复膜电极测定 和氧分析仪测定 由于亚硫,96,原理,:,用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分隔开来，因而避免了外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响。,现已制成耐高温蒸汽灭菌、灵敏度较高的实用的聚全氟乙丙烯复膜银铅电极。,利用复膜电极测定发酵液中溶解氧浓度、菌的耗氧率及溶氧系数,，这样测出的及,可代表发酵过程的实际情况，是较理想的方法。,原理:,97,发酵过程中停止通气片刻，溶解氧浓度因菌的利用而立即迅速下降，人为地制造一个不稳定状态（即溶氧速率和耗氧速率不平衡）来求,。,不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为可改写成,发酵过程中停止通气片刻，溶解氧浓度因菌的利用而立即迅速下降，,98,当关闭空气进口阀门时，发酵液内的溶氧浓度由,降至,，经过,1,时间后再打开空气进口阀门，溶氧浓度由,升至,，其时间为,2,。这样，就可以求得菌的耗氧速率：,这里假定发酵液中溶氧浓度的变化并不影响微生物的呼吸速率。用此法不仅能求出菌的耗氧速率，还可由式（）求得溶氧系数,。,当关闭空气进口阀门时，发酵液内的溶氧浓度由 降至 ，,99,利用氧分析仪可测定和计算气膜体积溶氧系数,。用氧分析仪测定进口气体中氧的分压 ,和出口气体中氧的分压 ,，那么进、出口气体中单位时间的含氧量分别为：,式中，（, ,）,、（, ,）,为进、出口气体中单位时间的含氧量，；,、,为进、出口气体中氧的分压，；为通风量，,3,/,；,p,为气体的平均总压力，可取发酵液平均高度处的压力。,利用氧分析仪可测定和计算气膜体积溶氧系数。用氧分析仪测,100,全部发酵中，单位时间的溶氧量是进、出口气体中含氧量之差，即,式中，为发酵液的体积。,全部发酵中，单位时间的溶氧量是进、出口气体中含氧量之差，即式,101,由上述两式可得,式中， 为空气主流中氧的分压，可近似取出口气体中氧分压的平均值，；,*,为液体中溶解氧的分压，可用溶氧测定仪测定，。,由上述两式可得式中， 为空气主流中氧的分压，可近似取出口气,102,五、溶氧系数的换算,溶氧系数常见的形式有,、,、,和,，它们之间的换算如下。,和,的换算,五、溶氧系数的换算溶氧系数常见的形式有、,103,与,的换算,用亚硫酸盐氧化法试验时，下，的饱和溶氧浓度为,/,，氧分压为，根据,与的换算,104,3.,与,、,的换算,是以大气压为推动力，而不是以氧分压为推动力，所以,3. 与、的换算,105,第五节溶解氧的测量和控制,第五节溶解氧的测量和控制,106,一、溶解氧连续检测的意义,在搅拌通风发酵中，微生物利用空气气泡中氧的过程可分成两个阶段进行，空气中的氧首先溶解在液体中，这个阶段叫做“供氧”；然后微生物才能利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动，这个阶段叫做“耗氧”。,微生物不断消耗发酵液中的溶解氧，同时通入的空气又不断地予以补充，使整个过程达到平衡。,一、溶解氧连续检测的意义在搅拌通风发酵中，微生物利用空气气泡,107,各种微生物的耗氧量与其本身的特性、生理状态有关，发酵设备的任务之一就是要供给足够的溶解氧以满足微生物的需要。,各种微生物的耗氧速率因种类不同而异。另外，微生物生长阶段和产物形成阶段的耗氧速率也不一样。,对于不同类型的微生物，要掌握其各个阶段的需氧情况，并在生产过程中加以控制，才能获得良好的发酵效果。,各种微生物的耗氧量与其本身的特性、生理状态有关，发酵设备的任,108,对溶解氧的检测目前采用装有聚四氟乙烯薄膜的测氧探头（即传感器），在发酵过程中进行连续不断的测定，同时这种复膜电极的探头，可以耐高温蒸汽灭菌。,目前国内外已制成多种型号的溶氧测定仪，可连续、准确、自动记录被测发酵液中溶解氧的变化。,常用复膜电极的测氧探头有：复膜,-,电极的测氧探头、复膜,-,电极的测氧探头和复膜,-,电极的测氧探头。,对溶解氧的检测目前采用装有聚四氟乙烯薄膜的测氧探头（即传感器,109,二、溶解氧连续测定在发酵控制上的应用,在任何需氧的分批发酵过程中，微生物的需氧程度是随着时间而变化的。如果能正确地连续不断地记录溶解氧的浓度，对发酵的控制有着现实的帮助，据此可以不断地调整搅拌转速和通气量，从而使氧溶解于发酵液中达到预定的浓度。,二、溶解氧连续测定在发酵控制上的应用在任何需氧的分批发酵过,110,转刷电极连续测量溶解氧,裘伦迪等设计了一种在发酵过程中连续测量溶解氧浓度的转刷电极。,这种电极的作用和作为极谱法测量的滴汞电极的原理一样，旋转的刷子使银汞合金电极的表面不断被刷净。,使用这种装置于青霉素和四环素发酵（容量的发酵罐），对每个发酵过程中溶解氧的测定是成功的。,转刷电极连续测量溶解氧,111,连续测量溶解氧以控制搅拌转速,图,-,是许氏等人采用改变搅拌器转速以控制微生物氧吸收率的流程图。,通气速率保持不变，在溢出气体中除去,和水分后，采用磁性气体分析仪（型）测量溢出气体中氧的浓度。,连续测量溶解氧以控制搅拌转速,112,发酵工程-第九章发酵供氧课件,113,在记录图上用银线划一根计划线，中间放着铜片接触装置的只有机玻璃接触盒（图右下角中的、和），以检查溢出气体中对所选定的氧浓度是否有偏差。图,-,表示这种控制的操作原理。如果接触盒的指示偏离了计划线，即表示氧的浓度偏低，继电器启动，通过定时器开关和置换电动机的作用降低搅拌器转速。当接触盒的指示表示溢出气体中氧的浓度太高时，置换电动机启动使搅拌器转速加快。当接触点在辅助线上，即说明氧的浓度偏差较大，此时，继电器启动使搅拌转速迅速下降，以调整对计划线的偏差。,在记录图上用银线划一根计划线，中间放着铜片接触装置的只有机,114,利用此方法，许氏等人首先在发酵罐中测定了,等发酵所溢出气体的氧浓度，然后将此结果作为预定线用于其他规模的发酵罐，结果表明其他发酵罐溢出气体的氧浓度与发酵罐的情况一样。,利用此方法，许氏等人首先在发酵罐中测定了,115,