发酵工程 第五章 氧的供需与传递.ppt

2. 空气线速度 线速度较小时，氧传递系数KLα随通气量的增加而增大。当增加通气量时，空气的线速度也相应增大，从而增加了溶氧，氧传递系数KLα也增大。 过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，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，“过载”现象。 当通风量较小（0.02-0.5 ml/s）时，气泡的直径与空气喷口直径成正比，即喷口的直径越小，气泡的直径也就越小，相应地溶氧系数就越大。 但是，一般发酵工业的通风量远远超过这个范围，此时，气泡的直径与通风量有关，与喷口的直径无关。 采用单管或环型管通风效应不受影响，环型管易堵塞，故发酵工业多采用单管空气分布器。 3. 空气分布管 4. 发酵液性质 发酵液的粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等会影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传递系数KLα带来很大的影响。 当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传递系数KLα就降低。发酵液粘度的改变还会影响到液体的湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传递系数KLα。 发酵液中泡沫的大量形成会使菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响氧传递系数。 5. 表面活性剂 培养液中消泡剂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力，使氧传递系数KL α发生变化。 6. 离子强度 在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件下，电解质溶液的氧传递系数KLα比水大，而且随电解质浓度的增加， KLα也有较大的增加。 在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。 7. 菌体浓度 培养液中的菌体浓度对KLα也有很大不利的影响。 黑曲霉菌体浓度与KLα的关系。 100 0 1.4 相对值（ KLα ） 菌体浓度对KLα的影响 菌体浓度（%W/V） 一、溶解氧连续检测的意义 发酵液中溶解氧的大小对菌体的代谢特性有直接影响，是发酵过程中控制的一个重要参数。 连续测定发酵液中的溶解氧浓度的变化，可随时掌握发酵过程的供氧、需氧情况，反映设备通气效果，以便有效控制发酵过程，为自动化控制创造条件; 可以考察工艺是否满足发酵要求; 随时发现异常情况（染菌、噬菌体、设备情况）. 第五节 发酵液中溶解氧的测定和控制 1. 化学法 在样品中加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，即有氢氧化锰生成，与样品中溶解氧反应生成锰酸。再在反应液中加入硫酸，使已化合的溶解氧与碘化钾反应，释放碘，滴定检测。 二、发酵液中溶解氧的测定方法 注意事项： 测定时前四步反应过程要与空气隔绝； 测定时样品不能含有氧化还原物质； 测定时样品不能有颜色。 2. 极谱法 极谱型(阴极)： O2+2H++2e→H2O2 原电池型(阴极)： O2+2H2O+4e→ 4OH- 原理：利用通过电流时发生的氧被还原成为双氧水，从而产生一个扩散电流，而扩散电流和溶解氧浓度成正比，测定扩散电流大小就可以测定发酵液中溶解氧浓度。 测定的结果一般是相对值。 3. 压力法 恒温密闭容器中，有体积为VL的液体，通入气体压力为P1，体积为VG的气体至平衡时为P2。 即有(P1-P2)VG=nRT n=SVL, S= (P1-P2)VG/RTVL, S: 氧的溶解度（mol/m3); R: 气体常数，T: 绝对温度 三、控制发酵液中溶解氧的工艺手段 影响供氧效果的主要因素有：空气流量、搅拌转速、气体组分中氧分压、罐压、温度和培养基物理性质； 影响需氧（耗氧）的因素有：菌体的生理特性、培养基丰富程度、温度等。 控制溶解氧的工艺手段 改变通气速率 改变搅拌速率 改变气体组成中的氧分压 改变罐压 改变发酵液的理化性质 加入氧载体 氧控制的一般策略 1. 改变通气速率 通过变化KLα来改变供氧能力。 低通气量下，增大通气量对提高溶氧浓度有十分显著效果；空气流速十分大的情况下，不改变搅拌转速则会导致溶解氧浓度下降，产生副作用。 2. 改变搅拌速率 通常改变搅拌速度的效果较好。 通气泡沫被充分破碎，增加有效气液接触面积； 液流湍流增加，气泡周围液膜厚度和菌丝表面液膜厚度减小，延长了气泡在液体中保留时间，提高供氧能力。 在转速较低时，增加转速可以提高溶解氧浓度，而转速较高时，提高转速则同样会带来副作用。 3. 改变气体组成中的氧分压 用通入纯氧的方法来改变空气中氧含量，因而提高了供氧能力，但是纯氧的成本相对较高。 4. 改变罐压 增加罐压实际上就是改变氧的分压，从而提高供氧能力，但是此法有缺点。 提高罐压就要增加空压机出口压力，增加动力消耗； 发酵罐强度也要相应增加； 提高罐压后，产生的CO2溶解量也增加，导致pH值发生变化。 5. 改变发酵液的理化性质 菌体的代谢会改变发酵液理化性质； 发酵液表面张力、黏度、离子强度等都会影响氧溶解度的大小； 可采用添