第七章气液质量传递

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 七 章,气 液 质 量 传 递,微生物反应体系,中,中气液传质举例,需氧培养中的氧,传,传递,以气态烃为碳源,的,的微生物的培养,光合微生物培养,中,中O,2,和CO,2,的传递,氢利用菌中H,2,、O,2,、CO,2,的传递,固氮微生物对N,2,的利用,在好气性微生物,反,反应中，传质的,关,关键性问题是氧,的,的传递。,第一节 氧,的,的溶解和微生物,的,的耗氧,一、 氧在液体,中,中的溶解,1、溶解氧（DO; Dissolved Oxygen),作为环境因素对,微,微生物反应有直,接,接影响；,被好氧性微生物,吸,吸收消耗，并直,接,接参与生长代谢,过,过程，可视为一,种,种营养性底物。,难溶：25C、一个,大,大气压，空气中,的,的O,2,在纯水中的溶解,度,度仅0.25mol/m,3,。发酵液中含有,各,各种成分，其溶,解,解度更低。,对于菌体浓度为10,15,个/m,3,的发酵液，假定,每,每个菌体的体积,为,为10,-16,m,3,，细胞的呼吸,强,强度为2.6,10,-3,molO,2,/(kgs),，,，菌体密度为1000 kg/m,3,，含水量80%，则每立方,米,米培养液的需,氧,氧量为：,10,-16,10,15,10000.2 2.610,-3,=0.052molO,0.25 0.052= 4.8(s),培养液中的溶,解,解氧最多可用4.8秒，因,此,此必须连续通,气,气。,氧的饱和浓度,单,单位：mmol O,2,/L, mgO,2,/L, ppm 或大气压,气体和溶液接,触,触一定时间后,，,，气体分子在,气,气-液二相中,的,的浓度，就会,达,达到动态平衡,，,，此时溶解到,溶,溶液中的气体,分,分子数等于逸,出,出溶液的气体,分,分子数。若外,界,界条件不变，,气,气体在溶液中,的,的浓度就不再,随,随时间而变化,，,，此浓度为,饱和浓度,或,平衡浓度,2、饱和浓度,3、影响饱和,浓,浓度值的因素,1）,温,温度,随着,温,温度,升,升高,，,，气,体,体分,子,子运,动,动加,快,快，,使,使饱,和,和浓,度,度下,降,降。,在1,个,个大,气,气压,及,及不,同,同温,度,度,下纯,氧,氧在,水,水中,的,的溶,解,解度,（,（mmol/L),温度 （C） 溶解度,0 2.18,10 1.70,15 1.54,20 1.38,25 1.26,30 1.16,35 1.09,40 1.03,当纯,水,水与,一,一个,大,大气,压,压的,空,空气,相,相平,衡,衡时,，,，温,度,度对,氧,氧饱,和,和浓,度,度的,影,影响,也,也可,用,用下,列,列经,验,验公,式,式来,计,计算,（,（适,用,用浓,度,度为433,C),C,*=14.68/(31.6+t),C,*-与1个,大,大气,压,压空,气,气相,平,平衡,的,的水,中,中氧,的,的饱,和,和浓,度,度，mol/m,3,t-,溶,溶,液,液的,温,温度,，,，C,2）,溶,溶,液,液的,性,性质,溶质,种,种类,：,：气体,在,在不,同,同性,质,质的,溶,溶液,中,中的,溶,溶解,度,度是,不,不同,的,的。,溶质浓度：通常浓度越高，,溶,溶解度越低,溶液浓度mol/L 盐酸 硫酸 氯化钠,0 1.26 1.26 1.26,0.5 1.21 1.21 1.07,1.0 1.16 1.12 0.89,2.0 1.12 1.02 0.71,在25、一个,大,大气压下纯氧在,不,不同溶液中的溶,解,解度 (mmol/L),发酵液中的DO比纯水中的DO要小,在系统总分压小,于,于5个大气压的,情,情况下，氧的溶,解,解度与总压和其,他,他气体的分压无,关,关，只与氧分压,成,成直线相关，可,用,用Henry定,律,律表示：,C,* =,P,O2,/,H,3）氧分压,C,* 与气相,P,O2,达平衡时溶液中,的,的氧浓度，mmolO,2,/L,P,O2, 氧分压，Pa,H, Henry,常,常数（与溶液性,质,质、温度等有关,）,），PaL/mmolO,2,气相中氧浓度增,加,加，溶液中溶氧,浓,浓度亦随之增加,，,，必要时可向发,酵,酵液中通入纯氧,以,以提高溶氧。,二、微生物的摄,氧,氧率,摄氧率（OUR; Oxygen UtilizationRatio),-,单,单位时间内单位,体,体积培养液中微,生,生物摄取氧的量,。,。记作,r,O2,(mmol/L,h),r,O2,因微生物种类、,代,代谢途径、菌体,浓,浓度、温度、培,养,养液成分及浓度,的,的不同而异。,r,O2,值的范围一般在25100mmol/L,h,比耗氧速率,-相对,于,于单位质量的干,菌,菌体在单位时间,内,内所消耗的氧量,。,。也称,呼吸强度,；用Q,O2,表示 (mmol O,2,/g h),因菌种和反应条,件,件而异，一般在1.515,mmol /g, h,在分批培养中，,r,O2,和,X,随时间而变化，Q,O2,也随时间变化。,在,在对数生长期的,后,后期，,r,O2,达到最大值,r,O2max,。由,r,O2max,和稳态下的,X,st,可求得Q,O2,max。,在恒化器连续培,养,养的定常态下，,r,O2,可表示为：,r,O2,=,Q,O2,X,由于,Q,O2,是,的函数，而,是底物（如O,2,)的函数，因此,微,微生物的,Q,O2,与培养液中的DO的函数关,系,系可表示为,Q,O2,=,Q,O2max, DO/(,K,o+DO),Q,O2,随DO的增,加,加而升高；当DO增加,到一定值时，Q,O2,不再增加,临界溶氧浓度,-当不,存,存在其他限制性,基,基质时，如果溶,氧,氧浓度高于某定,值,值，细胞的比耗,氧,氧速率保持恒定,；,；如果溶氧浓度,低,低于该值，细胞,的,的比耗氧速率就,会,会大大下降；则,该,该值即为临界溶,氧,氧浓度。DO,cri,在好氧微生物反,应,应中，一般取DO DO,cri,以保证反应的正,常,常进行。,微生物的临界氧,浓,浓度大约是饱和,浓,浓度的,1%25%,微生物 临界氧浓度 温度（）,固氮菌 1.8-4.910,-2,30,大肠杆菌 8.210,-3,37,粘质沙雷氏菌 1.510,-2,31,假单胞菌 910,-3,30,酵母 4.610,-3,34.5,产黄青霉 2.210,-2,24,米曲霉 2.010,-3,30,一些微生物的呼,吸,吸临界氧浓度,三、影响微生物,需,需氧量的因素,1、微生物种类,种类不同，其生,理,理特性不同，代,谢,谢活动中的需氧,量,量也不同,2、培养基的组,成,成与浓度,培养基的组成对,菌,菌种的需氧量有,显,显著的影响，碳,源,源的种类和浓度,影,影响尤为显著。,一般而说，碳源,浓,浓度在一定范围,内,内，需氧量随碳,源,源浓度的增加而,增,增加。,3、菌龄,不同菌种需氧量,情,情况各异；同一,菌,菌种不同菌龄，,其,其需氧程度也不,同,同；一般菌龄低,者,者，呼吸强度高,。,。,例如；菌龄为24小时的产黄青,霉,霉呼吸强度最高,4、培养条件,pH、温度等,一般温度愈高，,营,营养越丰富，临,界,界值也相应越高,5、有毒产物的,形,形成及积累,CO,2,是菌体代谢产生,的,的气态终产物，,它,它的生成与菌体,的,的呼吸作用密切,相,相关。,CO,2,在水中的溶解度,是,是氧的30倍，,因,因而发酵过程中,不,不及时将培养液,中,中的CO,2,排出，势必影响,菌,菌的呼吸，进而,影,影响菌的代谢。,第二节,培养液中氧的传,递,递,在好氧发酵中，,对,对微生物的供氧,过,过程，首先是气,相,相中的氧溶解在,发,发酵液中，然后,传,传递到细胞内的,呼,呼吸酶位置上而,被,被利用。,这是一系列的传,递,递过程，这些传,递,递过程又可分为,供,供氧及耗氧两个,方,方面。,一、氧传递的阻,力,力,氧传递的各种阻,力,力示意图,供氧阻力,耗氧阻力,氧传递过程中各,项,项阻力的示意图,供氧方面,包括通过气膜、,气,气-液界面、液,膜,膜及液体主流的,扩,扩散,耗氧方面,包括氧分子自液,体,体主流通过液膜,、,、菌丝丛、细胞,膜,膜及细胞内的扩,散,散。,氧传递可分供氧,和,和耗氧两个方面,：,：,氧分子在一系列,的,的扩散中，各步,均,均有一推动力（,氧,氧的分压或浓度,差,差）来克服各自,的,的阻力。,1、供氧方面的,阻,阻力,1）气膜阻力（1/,k,1,; 1/K,G,）：,为气体主流及气-液界面的气膜,阻,阻力，与空气情,况,况有关。,2）,气,气液界,面,面阻力,（,（1/,k,2,；,1/K,I,）：,与空气,情,情况有,关,关，只,有,有具备,高,高能量,的,的氧分,子,子才能,透,透到液,相,相中去,，,，而其,余,余的则,返,返回气,相,相。,3）液,膜,膜阻力,（,（1/,k,3,; 1/K,L,）：,为从气-液界,面,面至液,体,体主流,间,间的液,膜,膜阻力,，,，与发,酵,酵液的,成,成分和,浓,浓度有,关,关。,4）液,流,流阻力,（,（1/,k,4,;1/K,LB,）：,液体主,流,流中传,递,递的阻,力,力；也,与,与发酵,液,液的成,分,分和浓,度,度有关,。,。,2、耗,氧,氧方面,的,的阻力,1）细,胞,胞周围,液,液膜阻,力,力（1/,k,5,;1/K,LC,）,与发酵,液,液的成,分,分和浓,度,度有关,。,。,2）菌,丝,丝丛或,团,团内的,扩,扩散阻,力,力（1/,k,6,;1/K,A,）,与微生,物,物的种,类,类、生,理,理特性,状,状态有,关,关，单,细,细胞的,细,细菌和,酵,酵母菌,不,不存在,这,这种阻,力,力；对,于,于菌丝,，,，这种,阻,阻力最,为,为突出,。,。,3）细,胞,胞膜的,阻,阻力（1/,k,7,;1/K,W,）：,与微生,物,物的生,理,理特性,有,有关。,4）细,胞,胞内反,应,应阻力,（,（1/,k,8,;1/K,R,）,氧分子,与,与细胞,内,内呼吸,酶,酶系反,应,应时,的,的阻力,；,；与微,生,生物的,种,种类、,生,生理特,性,性有关,。,。,1/,k,1,、1/,k,2,与空气,情,情况有,关,关,1/,k,3,、1/,k,4,、1/,k,5,与发酵,液,液成分,、,、浓度,有,有关,1/,k,6,、1/,k,7,、1/,k,8,与微生,物,物的种,类,类、特,性,性、生,理,理状态,有,有关,氧在传,递,递过程,中,中，需,损,损失推,动,动力以,克,克服上,述,述阻力,，,，过程,中,中需克,服,服的,总,总阻力,等,等于供,氧,氧阻力,和,和耗氧,阻,阻力之,和,和，即,：,：,R =1/,k,1,+1/,k,2,+1/,k,3,+-+1/,k,8,1/K,t,= 1/K,G,+ 1/K,I,+ 1/K,L,+ 1/K,LB,+ 1/K,LC,+ 1/K,IS,+ 1/KA+1/K,W,+ 1/K,R,供氧方,面,面,由于氧,很,很难溶,于,于水，,所,所以供,氧,氧方面,的,的,液膜阻,力,力,（1/,k,3,;1/K,L,）是氧,溶,溶于水,时,时的限,制,制因素,。,。,良好的,搅,搅拌使,气,气泡和,液,液体充,分,分混合,而,而产生,湍,湍流，,可,可减少1/,k,3,、1/,k,4,，加速,氧,氧的传,递,递。,耗氧方,面,面,实验和,计,计算证,实,实，细,胞,胞壁上,与,与液体,主,主流中,氧,氧的浓,度,度差很,小,小，即1/,k,5,很小；而,菌丝丛,（或菌,丝,丝团）,的,的阻力,（,（1/,k,6,）对菌,丝,丝体的,摄,摄氧能,力,力影响,显,显著。,在耗氧,方,方面的,主,主要阻,力,力是1/,k,6,、1/,k,7,、1/,k,8,。,在搅拌,和,和合理,的,的 工,艺,艺条件,下,下，结,团,团现象,减,减少，,因,因而能,降,降低1/,k,6,。,1/,k,8,与微生,物,物生长,及,及代谢,的,的条件,有,有关，,若,若生长,条,条件合,适,适，代,谢,谢产物,能,能及时,移,移去，,则,则1/,k,8,就会减,少,少，否,则,则就会,增,增大。,当氧的,传,传递达,到,到稳态,时,时，总,的,的传递,速,速率与,串,串联的,各,各步传,递,递速率,相,相等，,这,这时通,过,过单位,体,体积的,传,传递速,率,率为：,n,O2,=,推动力,阻力,P,i,1,/,K,i,n,O2, 氧,的,的传递,通,通量(传递,速,速率)，mol/(m,3,s),P,i, 各,阶,阶段的,推,推动力,（,（分压,差,差），Pa,1,/,K,i, 各,阶,阶段的,传,传递阻,力,力，N,s/mol,n,O2,= = = = =,C,C,1,C,2,C,8,K,1/,k,1,1/,k,2,1/,k,8,二、气,液,液相间,的,的氧传,递,递和氧,传,传质方,程,程式,氧传递,的,的主要,阻,阻力存,在,在于气,膜,膜和液,膜,膜中,气液界,面,面附近,的,的氧分,压,压或溶,解,解氧浓,度,度变化,当气液,传,传递过,程,程处于,稳,稳态时,，,，通过,液,液膜和,气,气膜的,传,传递速,率,率相等,，,，即：,n,O2,=,p,p,I,1/K,G,p,p,*,1/K,G,C,I,C,L,1/K,L,C,*,C,L,1/K,L,p, 气,体,体主体,氧,氧分压,，,，Pa;,p,I, 气,液,液界面,氧,氧分压,，,， Pa,C,I, 气,液,液界面,氧,氧浓度,，,， mol/m,3,;,C,L, 液,相,相主体,氧,氧浓度,，,， mol/m,3,p,* ,与,与,C,L,平衡的,气,气相氧,分,分压，Pa;,C,* 与,p,平衡的液相氧,浓,浓度， mol/m,3,K,G, 以氧分压,为,为推动力的总,传,传递系数,mol/(m,2,sPa),K,L, 以氧浓度,为,为推动力的总,传,传递系数，m/s,在稳定情况下,，,，氧分子从气,体,体主体扩散到,液,液体主体的传,递,递速率可表示,为,为：,OTR =,K,L,a ( C*,C,L,),OTR ,单,单位体积培,养,养液中的氧传,递,递速率， mol/(m,3,s),a 比,表,表面积， m,2,/m,3,K,L,以氧浓度为,推,推动力的传递,系,系数，,m/s,G,/,=,K,L,a ,V, (,C,* -,C,L,),G,-溶解于,液,液体中的氧量,，,，mmol,- 气-液接触时间,，,，h,V,- 培养,液,液的体积，L,C,L,- 液相,中,中氧的浓度，mmol/L,C,* -,与,与气相中氧分,压,压相平衡的液,相,相中的氧饱和,浓,浓度，mmol/L,K,L,- 以浓度,差,差表示推动力的,传,传质系数（氧传,质,质系数），m/h,a- 比表,面,面积（即单位体,积,积的液体中所含,的,的气-液接触面,积,积），m,2,/m,3,氧传质方程：,G,/,=,K,L,a ,V, (,C,* -,C,L,),OTR =,K,L,a ( C* ,C,L,),由于“a”不易,测,测得，因此常将,K,L,a作为一项来处,理,理，称为,体积氧传递系数,或,供氧系数,，单位为 h,-1,微生物对氧的需,求,求速率，也即使,氧,氧不成为发酵的,限,限制因素而必须,满,满足的供氧速率,：,：,G,/,=,Q,O2,X,V,=,r,V,OTR =,r,Q,O2 -,微生物的呼吸强,度,度，mmolO,2,/g(干菌体),h,X,- 菌体,浓,浓度，g/L,V,- 培养液,体,体积，L,r,- 培养物,的,的摄氧率，mmolO,2,/Lh,在发酵过程中，,当,当溶氧浓度不变,时,时，氧溶于液相,的,的速率等于微生,物,物对溶氧的需求,速,速率，则：,K,L,a (,C,* -,C,L,) =,Q,O2,X,=,r,K,L,a =,r,C,* -,C,L,若供氧速率大于,需,需氧速率，即,K,L,a (,C,* -,C,L,) ,r,，此时发酵液中,溶,溶解氧浓度,C,L,会不断增加，趋,近,近于,C,* 。,若需氧速率大于,供,供氧速率，则,C,L,逐渐下降而趋向,于,于零（尽管此时,通,通气和搅拌可能,仍,仍在进行）,由上式可看出，,当,当微生物的摄氧,率,率不变时（假定,C,* 在一定条件,下,下也不变），K,L,a 越大，发酵,液,液中溶解氧浓度,C,L,也越大；所以可,用,用,K,L,a的大小来衡量,发,发酵设备的通气,效,效率。,K,L,a =,r,C,* -,C,L,实验室用的摇瓶,和,和无搅拌的鼓泡,装,装置，其,K,L,a值约为1100 h,-1,；,带搅拌的发酵罐,，,，其,K,L,a值约为200,1000 h,-1,。,第三节,发,发酵液的流变特,性,性,微生物发酵液是,由,由三个体系组成,的,的，即液相、固,相,相和气相,液相中有可溶性,的,的营养物、可溶,性,性盐类和微生物,代,代谢产物；,固相包括单个菌,丝,丝体或菌丝团（,菌,菌丝丛）、不溶,性,性营养物和某些,特,特殊的微生物代,谢,谢物；,气相包括通入的,无,无菌空气（包括,未,未溶解的氧）、,微,微生物代谢产生,的,的CO,2,等气,体,体、,某,某些,低,低分,子,子量,易,易挥,发,发的,物,物质,等,等,由于,微,微生,物,物的,代,代谢,作,作用,，,，发,酵,酵液,中,中各,种,种物,质,质的,组,组成,不,不断,变,变化,，,，表,现,现为,发,发酵,液,液的,理,理化,性,性质,的,的不,断,断变,化,化，,如,如固,形,形物,质,质的,含,含量,、,、发,酵,酵液,的,的黏,度,度、,表,表面,张,张力,、,、离,子,子强,度,度等,。,。,这些,变,变化,对,对三,相,相体,系,系之,间,间的,混,混合,、氧,的,的溶,解,解速,度,度、,营,营养,物,物质,的,的转,移,移等,均,均产,生,生影,响,响。,一、,流,流体,类,类型,在切,向,向力,作,作用,下,下平,行,行板,内,内液,体,体速,度,度分,布,布,在两,块,块相,互,互靠,近,近的,平,平行,板,板之,间,间充,满,满液,体,体，,下,下板,固,固定,不,不动,，,，给,上,上板,施,施加,一,一作,用,用力F，,使,使上,板,板以,一,一定,的,的速,度,度,运,动,动。,其中,与,与上,板,板接,触,触的,流,流体,层,层以,与,与上,板,板相,同,同的,速,速度,一,一起,运,运动,，,，与,下,下板,接,接触,的,的流,体,体则,保,保持,静,静止,，,，中,间,间各,层,层因,流,流体,的,的内,摩,摩擦,产,产生,速,速度,不,不等,的,的平,行,行运,动,动，,在,在流,体,体层,中,中产,生,生速,度,度,梯,梯度,。,。,剪应,力,力(shearstress),单,单位,流,流体,面,面积,上,上的,切,切向,力,力；F/A,当剪,应,应力,与,与速,度,度梯,度,度成,正,正比,时,时，,可,可用,牛,牛顿,黏,黏性,定,定律,来,来表,示,示：,剪,剪应,力,力，N/m,2,或Pa,d,/d,x=,速,速度,梯,梯度,或,或切变,率,率(shearrate)，s,1,液,液体,黏,黏度,，,，(kg,s)/m,2,=,（d,/d,x,）=, , =,/,牛顿,型,型与,非,非牛,顿,顿型,流,流体,剪,剪应,力,力与,切,切变,率,率的,关,关系,1-,牛,牛,顿,顿型,流,流体,2-,平,平汉,塑,塑性,流,流体,3-,拟,拟塑,性,性流,体,体,4-,涨,涨塑,性,性流,体,体,5-,凯,凯松,流,流体,牛顿,型,型流,体,体,非牛,顿,顿型,流,流体,平汉塑性流体,拟塑性流体,涨塑性流体,凯松流体,一）,牛,牛,顿,顿型(Newtonian)流体,1）,服,服从,牛,牛顿,黏,黏性,定,定律,；,；,2,）,）,剪,剪,应,应,力,力,与,与,剪,剪,切,切,速,速,率,率,之,之,间,间,呈,呈,直,直,线,线,关,关,系,系,；,；,直,直,线,线,的,的,斜,斜,率,率,即,即,为,为,黏,黏,度,度,；,3,）,）,黏,黏,度,度,只,是,是,温,温,度,度,的,的,函,函,数,数,，,，,与,与,流,流,变,变,状,状,态,态,无,无,关,关,，,，,因,因,此,此,是,是,一,一,常,常,数,数,。,。,也,即,即,意,意,味,味,着,着,发,发,酵,酵,罐,罐,中,中,搅,搅,拌,拌,转,转,速,速,的,的,快,快,慢,慢,对,对,黏,黏,度,度,没,没,有,有,影,影,响,响,，,，,且,且,在,在,发,发,酵,酵,罐,罐,的,的,全,全,培,培,养,养,液,液,中,中,的,的,任,任,何,何,局,局,部,部,的,的,黏,黏,度,度,相,相,同,同,。,。,二）非,牛,牛顿型,流,流体,1）不,服,服从牛,顿,顿黏性,定,定律,2）其,黏,黏度,不是常,数,数，它,不,不仅是,温,温度的,函,函数，,而,而且随,流,流动状,态,态而异,，,，因此,没,没有固,定,定的黏,度,度值。,平汉塑,性,性流体,拟塑性,流,流体,涨塑性,流,流体,凯松流,体,体,3）根,据,据剪应,力,力与切,变,变率间,的,的关系,，,，分为,：,：,1、拟,塑,塑性（pseudoplastic）流,体,体,主要特,征,征是黏,度,度随着,剪,剪应速,率,率的增,高,高而降,低,低。,流体的,剪,剪应力,与,与剪切,速,速率间,不,不呈直,线,线关系,，,，而呈凸形曲,线,线关系，,表,表明剪,切,切速率,的,的增加,，,，剪应,力,力的增,加,加随之,减,减小，,即,即增加,流,流速会,降,降低流,体,体的粘,性,性阻力,。,。,K, 均,匀,匀度常,数,数（稠,度,度系数,）,），Pas,n, 流,态,态指数,流态指,数,数,n,表示,非牛顿,流,流体性,质,质的显,著,著程度,，,，,n,= 1,为,为牛顿,型,型流体,；,；,n,值偏离1愈远,，,，非牛,顿,顿型流,体,体性质,愈,愈显著,。,。,=,K,n,其流变特性可表示为：,0,n,1,拟塑性,流,流体，,在,在不同,搅,搅拌转,速,速下，,所,所显示,出,出的黏,度,度不同,；,；在同,一,一搅拌,转,转速下,，,，培养,液,液中的,剪,剪应速,率,率随着,离,离开搅,拌,拌涡轮,的,的径向,距,距离，,按,按指数,倍,倍数降,低,低，故,离,离开涡,轮,轮的径,向,向距离,越,越远，,黏,黏度越,高,高。,许多高分子,化,化合物如黄,原,原胶、聚丙,烯,烯酸钠、羧,甲,甲基纤维素,等,等的水溶液,，,，许多丝状,菌,菌如青霉、,曲,曲霉、链霉,菌,菌等的培养,液,液都表现出,拟,拟塑性。,2、涨塑性,（,（dilatant）,流,流体,主要特征是,黏,黏度随着剪,应,应速率的增,加,加而增高。,流体的剪应,力,力与剪切速,率,率间不呈直,线,线关系，而,呈,呈凹形曲线关系，表明,剪,剪切速率的,增,增加，剪应,力,力也随之增,加,加，流体的,流,流动阻力随,之,之加大。,=,K,n,其流变特性可表示为：,n,1,值越大，非,牛,牛顿特性就,越,越显著。,链霉素、四,环,环素、庆大,霉,霉素的前期,发,发酵液，很,稀,稀的酵母悬,浮,浮液呈涨塑,性,性。,3、平汉（bingham）塑性,流,流体,主要特征是,当,当剪应力小,于,于屈服应力,时,时，液体不,发,发生流动，,只,只有当剪应,力,力超过屈服,应,应力时才发,生,生流动。,它的流态曲,线,线也呈直线，但不通过原点。,=,0,+,0,屈服应力(在纵轴上的截距) ，Pa, 刚性系数， Pa,s,其流变特性可用下式表示:,黑曲霉、产,黄,黄青霉、灰,色,色链霉菌等,丝,丝状菌的发,酵,酵液呈平汉,塑,塑性。,4、凯松(Casson)流体,其流变特性可表示为：,1/2,=,C,1/2,+,K,C,1/2,C,1/2, 屈服应,力,力，Pa,K,C, 凯松黏,度,度, Pa,1/2, s,1/2,有研究表明,青,青霉素发酵,液,液为凯松流,体,体,剪应力与剪,切,切速率的关,系,系表现为一不通过原点,的,的曲线。,非牛顿流体,没,没有确定的,黏,黏度值，通,常,常把一定切,变,变率下剪应,力,力与此切变,率,率之比称为,表观黏度,(,a,),。,a,=,/,平汉塑性流体、拟塑性流体和凯松流体的表观黏度随切变率的增大而减小；涨塑性流体的表观黏度则随切变率的增大而增大。,发酵罐中的,非,非牛顿流体,的,的平均切变,率,率与搅拌转,速,速成正比：,=,N, 平均切,变,变率，s,1,N, 搅拌器,转,转速，s,1, 无因次,常,常数,对于不同的,非,非牛顿流体,，,，采用不同,型,型式和大小,的,的搅拌器，,常,常数,值在10-13之间；,对于两层的,涡,涡轮浆式搅,拌,拌器,可取11.5。,产生菌 产物 流变学性质,产黄青霉 青霉素 拟塑性,盾壳霉 甾类羟化 平汉塑性,诺尔斯氏链霉菌 制霉菌素 牛顿型,雪白链霉菌 新生霉素 平汉塑性,灰色链霉菌 链霉素 平汉塑性,内孢霉 葡萄糖糖化酶 平汉塑性,部分丝状菌,发,发酵液的流,变,变学性质,二、发酵液,的,的流变学,不同的发酵,液,液可呈不同,的,的流体类型,发酵液，特,别,别是含有固,形,形物数量较,多,多的发酵液,，,，往往表现,为,为非牛顿流,体,体特性。,一般每升含,有,有20克或,更,更多的菌体,和,和固形物的,培,培养液，均,呈,呈现非牛顿,型,型流体中的,平,平汉塑性流,体,体性质。,放线菌摇瓶发酵菌丝球,霉菌、放线,菌,菌的菌丝体,在,在发酵中虽,不,不呈典型的,颗,颗粒状，但,错,错综复杂交,织,织的网状菌,丝,丝丛和松散,结,结构的菌丝,球,球状体可看,作,作是固形物,。,。,在发酵过程,中,中，培养液,流,流动模型参,数,数会随着细,胞,胞浓度、形,态,态的变化，,培,培养基物质,的,的消耗，代,谢,谢产物的积,累,累以及补料,等,等发生明显,的,的变化，表,现,现出时变性,。,。,发酵液的流,变,变类型也可,发,发生变化。,如有人测得,：,：,链霉素发酵,在,在24小时,为,为塑性流体,，,，发酵液黏,度,度达90Pas；在48小时和96小时为,牛,牛顿性流体,，,，其黏度为18Pas和38Pa,s。,第四节,影,影,响,响供氧的因,素,素,据,氧,氧,传,传,质,质,方,方,程,程,OTR=,K,L,a,(,C,*-,C,L,)或,G/,=K,L,a,V,(C*-C,L,),影,响,供,供,氧,氧,的,的,主,主,要,要,因,因,素,素,是,是,推,推,动,动,力,力(,C,*-,C,L,),和,和,体,体,积,积,氧,氧,传,传,递,递,系,系,数,数,K,L,a,。,。,一,、,、,影,影,响,响,氧,氧,传,传,递,递,推,推,动,动,力,力,的,的,因,因,素,素,要,提,提,高,高,推,推,动,动,力,力,，,，,只,只,能,能,设,设,法,法,提,提,高,高,C,*,或,或,减,减,少,少C,L,1,、,、,提,提,高,高,氧,氧,饱,饱,和,和,浓,浓,度,度,（,（,C,*,）,）,要,提,提,高,高,C,*,，,，,可,可,降,降,低,低,培,培,养,养,温,温,度,度,、,、,提,提,高,高,氧,氧,分,分,压,压,和,和,降,降,低,低,培,培,养,养,基,基,浓,浓,度,度,等,等,。,。,但,这,这,几,几,方,方,面,面,局,局,限,限,性,性,都,都,很,很,大,大,2,、,、,降,降,低,低,溶,溶,氧,氧,浓,浓,度,度,（,（,C,L,）,降,低,低,C,L,可,通,通,过,过,减,减,少,少,空,空,气,气,流,流,量,量,等,等,方,方,法,法,来,来,达,达,到,到,，,，,但,但,溶,溶,氧,氧,浓,浓,度,度,不,不,能,能,低,低,于,于,临,临,解,解,氧,氧,浓,浓,度,度,。,。,另,另,外,外,，,，,减,减,少,少,空,空,气,气,流,流,量,量,本,本,身,身,会,会,使,使,K,L,a,下,下,降,降,。,。,二,、,、,影,影,响,响,体,体,积,积,吸,吸,收,收,系,系,数,数,K,L,a,的,的,因,因,素,素,1,、,、,搅,搅,拌,拌,作,用,用,：,：,1,）,）,把,把,从,从,空,空,气,气,管,管,中,中,引,引,入,入,发,发,酵,酵,罐,罐,的,的,空,空,气,气,打,打,成,成,碎,碎,泡,泡,，,，,增,增,加,加,气,气-,液,液,接,接,触,触,面,面,积,积,“,“a,”,”,亦,亦,即,即,增,增,加,加,氧,氧,的,的,传,传,递,递,面,面,积,积,。,。,2,）,）,使,使,液,液,体,体,形,形,成,成,涡,涡,流,流,，,，,从,从,而,而,延,延,长,长,气,气,泡,泡,在,在,液,液,体,体,中,中,的,的,停,停,留,留,时,时,间,间,。,。,3,）,）,增,增,加,加,液,液,体,体,的,的,湍,湍,流,流,程,程,度,度,，,，,降,降,低,低,气,气,泡,泡,周,周,围,围,的,的,液,液,膜,膜,阻,阻,力,力,和,和,液,液,体,体,主,主,流,流,中,中,的,的,流,流,体,体,阻,阻,力,力,，,，,从,从,而,而,增,增,大,大K,L,a,值,值,。,。,4),减,减,少,少,菌,菌,丝,丝,结,结,团,团,现,现,象,象,，,，,降,降,低,低,细,细,胞,胞,壁,壁,表,表,面,面,的,的,液,液,膜,膜,阻,阻,力,力,，,，,改,改,变,变,细,细,胞,胞,对,对,氧,氧,和,和,营,营,养,养,物,物,质,质,的,的,吸,吸,收,收,，,，,同,同,时,时,降,降,低,低,细,细,胞,胞,周,周,围,围,“,“,废,废,物,物,”,”,和,和,“,“,废,废,气,气,”,”,的,的,浓,浓,度,度,，,，,有,有,利,利,于,于,微,微,生,生,物,物,的,的,代,代,谢,谢,。,。,几,种,种,微,微,生,生,物,物,在,在,不,不,同,同,搅,搅,拌,拌,转,转,速,速,下,下,发,发,酵,酵,时,时,的,的,K,L,a,、,、,r,和,C,*,值,值,微,生,生,物,物,搅,拌,拌,器,器,转,转,速,速,空,空,气,气,流,流,速,速,K,L,a,rC,*,r/minL/L,min1/hmg/L,hmg/L,Ps.ovalis,3001.0952885.9,5001.01533605.9,7001.02164325.9,啤酒酵母3001.0905766.7,5001.01697206.7,7001.02198646.7,从上表可见，,搅,搅拌转速对,K,L,a的影响很大,，,，对微生物的,摄,摄氧率也有影,响,响，但对,C,*无影响。,但过高的搅拌,速,速度不但浪费,动,动力，还会损,伤,伤菌体，引起,菌,菌体自溶及减,产,产等。,搅拌与通气效,率,率之间的关系,可,可用经验式表,示,示：,K,L,a =,K,(,P,/,V,),(,V,s,),(,app,),-,K,-经验常,数,数，与设备的,形,形状、几何比,例,例尺寸、通风,装,装置的型式等,有,有关,P,/,V,- 单位,体,体积液体实际,消,消耗的功率（,指,指通气情况下,的,的功率），KW/m,3,V,s -,空,空气直线速,率,率， m/h,app,- 液,体,体的表观黏,度,度，Pa,S,、,为,为指数，与,搅,搅拌器和空,气,气分布器的,型,型式等有关,，,，一般通过,实,实验测得,2、空气流,速,速,K,L,a =,K,(,P,/,V,),(,V,s,),(,app,),-,从上式可见,，,，,K,L,a随空气速,度,度的增加而,增,增大,。,V,s为气流的,直,直线速度；,其,其指数,约为,0.40.72，随,搅,搅拌器型式,而,而异。,若空气速度,过,过大，将使,叶,叶轮发生“,过,过载”，即,叶,叶轮不能分,散,散空气，此,时,时气流形成,大,大气泡在轴,的,的周围逸出,。,。,当空气速度,超,超过“过载,”,”速度后，K,L,a 并不随,之,之而增加。,一般来说，,用,用一组搅拌,器,器时，过载,空,空气流速为90m/h,；,；用二组搅,拌,拌器时则可,增,增加到150m/h。,3、培养液,的,的物理性质,在发酵过程,中,中，菌本身,的,的繁殖及其,代,代谢可引起,发,发酵液物理,性,性质的不断,变,变化，如改,变,变培养液的,表,表面张力、,黏,黏度和离子,浓,浓度等；而,这,这些变化会,影,影响气体的,溶,溶解度、发,酵,酵液中气泡,的,的直径和稳,定,定性及其合,并,并为大气泡,的,的速度等。,发,发酵液的性,质,质还影响液,体,体的湍动以,及,及界面或液,膜,膜的阻力，,因,因而显著地,影,影响氧的传,递,递效率。,发酵过程中,添,添加糖、花,生,生饼粉等营,养,养物质、前,体,体或无菌水,、,、消泡剂等,均,均可改变培,养,养液的理化,性,性质；在生,产,产上也可利,用,用这些手段,来,来改善发酵,液,液的物理性,质,质。,4、空气分,布,布器和发酵,液,液高度对通,气,气效率的影,响,响,生产实践证,明,明，多孔环,状,状鼓泡器的,效,效果并不比,单,单孔鼓泡器,好,好。且多孔,鼓,鼓泡器易堵,。,。,高位发酵罐,增加发酵罐,的,的高度(D:H=1:7) ；增,加,加了气-液,接,接触时间，,提,提高了氧的,利,利用率。,5、其它因,素,素,影响发酵罐,溶,溶氧的主要,因,因素是：单,位,位体积液体,的,的搅拌功率,P,/,V,，搅拌转数,和,和空气的截,面,面流速。,另有些因素,也,也在一定程,度,度上影响溶,氧,氧,1）搅拌器,组,组数和间距,对,对溶氧的影,响,响,据径高比和,发,发酵液的特,性,性决定,一般来说，,当,当H/D= 2.5 时，用,多,多组搅拌器,可,可提高溶氧,系,系数10%,，,， 当H/D = 4,并,并采用较大,的,的空气流速,和,和较大的功,率,率时，多组,搅,搅拌器可提,高,高溶氧系数25%。,若搅拌器之,间,间相互位置,不,不恰当，则,流,流型和空气,分,分布情况将,发,发生变化，,就,就会引起溶,氧,氧系数的大,幅,幅度降低。,2）功率、,转,转速、风量,之,之间的关系,对,对溶氧的影,响,响,增加搅拌功,率,率、搅拌转,速,速和风量，,对,对一定的设,备,备而言都会,增,增加溶氧。,但三者之间,存,存在着相互,关,关系，增加,风,风量虽然能,增,增加溶氧，,但,但在转数不,变,变的情况下,会,会降低搅拌,功,功率，溶氧,又,又会随之降,低,低。,3）有,机,机物质,和,和表面,活,活性剂,对,对,K,L,a 影,响,响,某些有,机,机物质,如,如蛋白,胨,胨，能,降,降低,K,L,a,如在水,中,中加入10000ppm的,蛋,蛋白胨,，,，则,K,L,a 值,降,降低到,未,未加时,的,的40%左右,。,。,但某些,少,少量的,醇,醇、酮,和,和酯反,而,而会使,K,L,a 值,提,提高,如将20 ppm的,这,这类物,质,质加入,水,水中，,能,能使K,L,a 值,增,增加50100%,。,。,4）压,力,力的影,响,响,第五节,体,体积氧,传,传递系,数,数的测,定,定,亚硫酸,盐,盐氧化,法,法,使用,复膜氧,电,电极,进行测,量,量的,动态法,在第十,章,章中介,绍,绍,1）Cu,2+,作催化,剂,剂，溶,解,解在水,中,中O,2,能立即,氧,氧化SO,3,-2,，使之,成,成为SO,4,-2,。（氧,分,分子一,经,经溶入,液,液相，,立,立即就,被,被还原,掉,掉）,原理：,C,U,SO,4,2Na,2,SO,3,+O,2,2Na,2,SO,4,2）剩,余,余的Na,2,SO,3,与过量,的,的碘作,用,用,H,2,O,Na,2,SO,3,+ I,2,Na,2,SO,4,+ 2HI,3）再,用,用标定,的,的Na,2,S,2,O,3,滴定剩,余,余的碘,2Na,2,S,2,O,3,+ I,2,Na,2,S,4,O,6,+ 2NaI,操作程,序,序：,将一定,温,温度的,自,自来水,加,加入试,验,验罐内,，,，开始,搅,搅拌，,加,加入亚,硫,硫酸钠,晶,晶体，,使,使SO,3,-2,浓度约0.5mol/L,左,左右；,再,再加入,硫,硫酸铜,晶,晶体，,使,使Cu,2+,浓度约,为,为10,-3,mol/L，,待,待完全,溶,溶解；,通,通空气,，,，一开,始,始就接,近,近预定,的,的流量,，,，尽快,调,调至所,需,需的空,气,气流量,；,；稳定,后,后立即,计,计时，,为,为氧化,作,作用开,始,始；氧,化,化时间,连,连续4,10min,，,，到时,停,停止通,气,气和搅,拌,拌，准,确,确记录,氧,氧化时,间,间。,试验前,后,后各用,吸,吸管取5100ml样液,，,，立即,移,移入新,吸,吸入的,过,过量的,标,标准碘,液,液中；,然,然后用,标,标准的,硫,硫代硫,酸,酸钠溶,液,液，以,淀,淀粉为,指,指示剂,滴,滴定至,终,终点。,计算：,设,V -,两,两次滴定所用Na,2,S,2,O,3,毫升数的差数,N -Na,2,S,2,O,3,的浓度，常用0.100mol/L,m -,样,样品的体积，ml,t- 两,次,次取样的间隔,时,时间，min,P -,罐,罐内绝对压强,，,，atm,若操作时罐压P = 1atm，则体积,溶,溶氧系数,K,L,a = VN60/m,t4C*,在25,1atm下,C*= 0.21(mmolO,2,/L),dissolved oxygen sensor,YSI,dissolved oxygen sensor,