第七章-发酵工程原理.doc

第七章氧的供需学时安排: 4 学时教学目的与要求:(1 )了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念; (2) 掌握发酵过程中氧的传递方程及其参数的测定;(3) 深入理解 KLa 的意义, 掌握影响氧传递的因素;(4 )了解溶解氧相关参数的测定,掌握 KLa 的测定。重点及难点: 发酵过程中氧的传递方程及影响供氧和耗氧的因素; KLa 的意义及其测定一细胞对氧的需求二氧的供给(一)供氧的实现形式需氧量小:摇瓶水平:摇床转速慢,装量多; 发酵罐水平:搅拌缓和,通气缓和;表面通气,膜透析(扩散)。需氧量大:摇瓶水平:转速快,装量少; 发酵罐水平:通无菌空气并搅拌;气升式。(二)传质理论 1. 氧的传递途径与传质阻力 1 )气膜传递阻力 1/k G2 )气液界面传递阻力 1/k I3) 液膜传递阻力 1/ kL4) 细胞或细胞团表面的液膜阻力 1/k LC5 )固液界面传递阻力 1/k IS6 )细胞团内的传递阻力 1/ kA7 )细胞膜、细胞壁阻力 1/ kW8 )反应阻力 1/ kR 气体溶解过程的双膜理论供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力;耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力。(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。三影响供氧的因素及传氧效率 2 影响 KLa 的因素 的准数关联式气液比表面积 a 的测定比较困难, 一般将它与液膜传递系数 kL 合并, 作为一个参数处理,即 KLa 。影响 KLa 的因素较复杂,总的来讲, KLa 与以下因素有关: ①设备参数: 发酵罐的形状结构、搅拌器、挡板、空气分布器等参数, 通常以搅拌器直径d 作为基本参数。②操作条件:通气表观线速度 Ws 、搅拌转速 N 、搅拌功率 Pw 、发酵体积 V 、液柱高度 HL ,通常以 Ws 、N 作为基本参数。 Cooper 等在小型通气搅拌罐( 液量 3~ 65L )中, 采用亚硫酸盐氧化法测定 KLa , 研究通气和搅拌的影响, 得出α= ,β= , 这说明通气和搅拌对 KLa 的影响中, 搅拌功率的影响更明显。①搅拌对 KLa 的影响对于带有机械搅拌的通气发酵罐,搅拌有以下几方面的作用: a. 将通入培养液的空气分散成细小的气泡,防止小气泡的凝并,从而增大气液相的接触面积; b. 搅拌使培养液产生涡流,延长气泡在液体中的停留时间; c. 搅拌造成培养液的湍流,减小气泡外滞流液膜的厚度,从而减小传递过程的阻力; d. 搅拌使培养液中的成份均匀分布,使细胞均匀地悬浮在培养液中,有利于营养物质的吸收和代谢物的分散。对于没有机械搅拌的鼓泡培养设备及气升式培养设备, 则利用气泡在液体中的上升带动液体运动, 产生搅拌作用。但是, 搅拌转速并非越大越好, 过度强烈的搅拌, 产生的剪切作用大, 对细胞造成损伤, 特别对丝状菌的发酵类型, 更应考虑到剪切力对菌体细胞的损伤。同时, 激烈的搅拌还会产生大量搅拌热, 加重传热的负荷。此外, 搅拌器的型式、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。②通气对 KLa 的影响当通气量较低时, 随着通气量的增加, 空气表观线速度增加, KLa 值增加。但是, 通气量的增加是有一定限度的,并非通气量越大 KLa 就一定越大。当通气量超过一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去,而在大量气泡中空转,发生所谓“过载”的现象,此时搅拌功率会大大下降, KLa 也会下降(见图 7-6 )。(2 )发酵液性质的影响在发酵过程中, 由于微生物的生长繁殖和代谢活动, 必然会引起发酵液的理化性质发生改变,特别是粘度、 pH 、极性、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效率。此外, 发酵液粘度的改变还会通过影响液体的湍动性以及界面或液膜阻力来影响氧的传递效率。有些影响发酵液性质的因素如表面活性剂、离子强度、菌体浓度等亦会影响 KLa 值。①表面活性剂由于消泡用的油脂是具有亲水端和疏水端的表面活性物质, 加入发酵液后,分布在气液界面,会增大传递阻力,使 kL 下降。图 7-7 表明在水中加入表面活性剂月桂基磺酸钠后对 KLa 、 kL 和 dB ( 气泡的平均直径) 的影响。在水中加入少量月桂基磺酸钠后, KLa 和 kL 均急剧下降。虽然气泡直径也有相当的减小,造成比表面积增加,但 kL 下降的影响超过 a 增大的作用