第六章-发酵过程中的供氧PPT课件.ppt

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1、第六章 发酵过程中的供氧,2,目前大多数发酵是好氧发酵。 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。,3,矛盾,葡萄糖在微生物内的有氧氧化,微生物只能利用溶解于水中的葡萄糖和氧,C6H12O6+6O26H2O+6CO2+能量,葡萄糖在水中的最大溶解度可达70%(W/V)左右。而氧难溶于水，在一个大气压和25的条件下，发酵液中氧的饱和溶解度约为0.2mmol/L (6.4mg/L)。如果发酵过程中微生物的需氧量按2050 mmol/(Lh)计算，培养液中的溶解氧只能维持

2、菌体正常生命活动2050s。,4,如果不连续向发酵液中供给氧气，菌体的呼吸就会受到强烈抑制。因此，在微生物的能量代谢活动中，氧的供给十分重要；不间断地补充发酵液中的溶解氧，保证菌体的正常代谢活动，是需氧发酵中要解决的重大课题。 在各种代谢产物的发酵过程中，随着生产能力的不断提高(新菌种选育和加富培养技术应用) ，微生物的需氧量不断增加，对发酵没备供氧能力的要求也愈来愈高。 溶解氧浓度已成为发酵生产中提高生产能力的限制因素。所以，处理好发酵过程中的供氧和需氧之间的关系，是研究最佳化发酵工艺条件的关键因素之一。,5,内容,6,第一节 发酵过程中氧的需求,7,一、微生物对氧的需求,不同种类微生物对氧

3、的需求不同,对于厌氧微生物而言，氧却是一种有害物质，即使短期接触空气，也会抑制其生长甚至致死。,兼性厌氧微生物如酵母、乳酸菌等在有氧或无氧条件下均能生长，但代谢产物不同；,好氧微生物只有在溶氧存在时，才能进行生长、繁殖等代谢活动；,8,氧在微生物发酵中的作用,氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的组分之一。 虽然培养基中大量存在的水及其他成分如糖可以提供氧元素，但许多微生物细胞必须利用分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，最后与氢离子结合生成水，同时在呼吸链的电子传递过程中可释放出大量能量，供细胞生长和代谢使用。 氧作为中间体直接参与一些生物合成反应。 乙醇在氧的作用下合成乙酸。,9,

4、微生物的耗氧量,摄氧率（r）,呼吸强度（QO2）,单位体积发酵液每小时消耗氧的量，单位为 mmol/(Lh),单位重量的干菌体每小时消耗氧的量，单位为mmol/(gh),微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动变化的影响，常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示:,10,呼吸强度可以表示微生物的相对耗氧量，但是，当培养液中有固定成分存在而测定QO2有困难时，可用摄氧速率表示。 r=QO2X， 其中X为发酵液中菌体浓度，单位为g/L。 r值的范围一般在 25100 mmol/Lh； QO2一般在1.515mmol /gh； 从上式可知，微生物在发酵过程中的摄氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌

5、体浓度，而菌体呼吸强度又受到菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合影响。,11,从上式可知，微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受到菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合影响。,12,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。,13,例2：维生素 薛氏丙酸菌发酵生产维生素B12中，维生素B12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B12

6、，因而采用厌氧和供氧相结合的方法有利于维生素B12的合成。 据实验研究，当溶氧下降到45%时，就从好气培养转为厌气培养，酶的活力可提高6倍，这说明控制溶氧的重要性。,14,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。,15,二、微生物的临界氧浓度,微生物的呼吸强度的大小受多种因素的影响，其中发酵液中的溶解氧浓度(CL)对呼吸强度(QO2)的影响如图所示。 当溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度的增加

7、而增加，当溶氧浓度达某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度，以C临界表示。 好气性微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05 mmol/L。,C临界,16,影响微生物呼吸临界氧浓度的主要因素有以下几点。 (1)微生物的种类与培养温度：不同的微生物其呼吸临界氧浓度不同，同一种微生物在不同的培养温度下其呼吸临界氧浓度也不相同。 某些微生物的临界氧浓度,17,(2)微生物的生长阶段：次级代谢产物的发酵过程可分为菌体生长阶段和产物合成阶段，两个阶段的呼吸临界氧浓度分别以C长临和C合临表示，随菌种的生物学特性不同，两者表现出不同的关系： C长临和C合临大致相同

8、； C长临C合临，如卷曲霉素，C长临为1323%， 而C合临为8%以下； C长临C合临，如头孢菌素C，C长临为57%， 而C合临为10%20%。 已知多数品种的发酵中C长临C合临。,提示： 生长临界溶氧浓度不一定与产物合成临界溶氧浓度相同。 临界溶氧溶度并不等于其最适生长氧浓度。 在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。过高的溶氧对生长可能不利。 顶头孢霉生长的临界氧浓度在07%的氧饱和度间，但低于10-20%就抑制抗生素生物合成；因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值。 顶头孢霉产生卷曲霉素，临界氧浓度在1323 %，但高于8%就抑制抗生素生物合成；因此，在生产卷曲霉素时，则应使其溶

9、氧浓度低于临界值。,18,不同种类的微生物的需氧量不同 一般为mmol/（Lh）。 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。,19,举例： 青霉素产生菌培养80的耗氧速率为40mmol/（Lh）； 链霉素产生菌培养12的耗氧速率为5mmol/(Lh)； 黑曲霉生长的最大耗氧速率为50-55 mmol/(Lh) ，而产淀粉酶时的最大耗氧速率为20 mmol/(Lh) ； 谷氨酸生产菌在

10、种子培养7的耗氧速率为13 mmol/(Lh) ，发酵13的耗氧速率为50 mmol/(Lh) ，发酵的耗氧速率为51mmol/(Lh) 。,20,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mol/L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。,21,三、氧在液体中的溶解特性,氧溶解于水的过程是气体分子在水中的的扩散过程。空气与液体相接触，氧气分子就会溶解于液体之中，经过一定的接触时间，氧气分子在气液两相中的浓度就会达到动态平衡。 若外

11、界条件如温度、压力等不再变化，氧气在液体中的浓度就不再变化，此时的浓度即为该条件下在该溶液中的溶解氧的饱和浓度。用C*表示。 单位可用mmol/L、mg/L等表示。,22,影响氧饱和浓度的主要因素有三。 1、温度：随着温度升高，气体分子运动加快，使溶液中的溶解氧的饱和浓度下降。 0.1MPa下纯氧在水中的溶解度 当纯水与自然状态的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度的影响可用下列经验公式来计算（适用浓度为433C) C* = 14.68/ (31.6 + t) C*：自然状态下水中氧的饱和浓度，mol/m3 t：溶液的温度，C,23,25及0.1MPa下纯氧在不同溶液中的溶解度，mmol/L,2、溶

12、液的性质 溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度不同。 溶质含量：通常浓度越高，氧的溶解度越低。,空气中的氧，在0.1MPa空气压下，25时在 纯水中的饱和度C* = 0.26mmol/L； 发酵液中的饱和度C* =0.20mmol/L。 发酵液中的溶解度比纯水中的溶解度要小。,24,3、氧分压 在系统总压力小于0.5MPa 的情况下，氧的溶解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用Henry定律表示： 气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度随之增加，向溶液中通入纯氧时，溶液中的氧饱和浓度可达43mg/L。 总之，氧在液体中，温度越高溶解度越低，溶液越浓溶解度越低，氧分压越高溶解度

13、越高。,C* ：与气相PO2达平衡时溶液中的氧浓度，mmol/L PO2 ：氧分压， MPa H ： Henry常数（与溶液性质、温度等有关），MPaL/mmol,25,四、影响微生物需氧量的因素,影响微生物需氧量的因素很多，主要有： 菌种的生理特性； 培养基组成； 溶解浓度； 发酵工艺条件等。,26,(一)微生物种类和生长阶段,微生物种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同；同样是需氧菌，细菌、放线菌和真菌的需氧量也不同。 某些微生物的呼吸强度QO2mmol/gh 黑曲霉 3.0 灰色链霉菌 3.0 产黄青霉 3.9 产气克雷伯菌 4.0 啤酒酵母 8.0 大肠埃希菌 10.8 一

14、般来说，微生物的细胞结构越简单，其生长速度就越快，单位时间内消耗的氧就越多。,27,从菌体的生理阶段看：同一种微生物的不同生长阶段，其需氧量也不同。 在延迟期，由于菌体代谢不活跃，需氧量较低； 进入对数生长期，菌体代谢旺盛，呼吸强度高，需氧量随之增加； 到了稳定期，需氧量不再增加。 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。 从菌体的生长阶段看：菌体生长期的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。因此认为培养液的摄氧率达最高值时，培养液中菌体浓度也达到了最大值。,28,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

15、，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。,29,(二)培养基的组成,微生物对不同营养物质的利用情况不同，因而培养基的组成对生产菌种的代谢及需氧量有显著的影响。碳源的种类和浓度对微生物的需氧量的影响尤为显著； 原理：碳源物质分解利用与氧化过程密切相关。碳源物质经过有氧氧化最后被氧化成CO2、水并放出能量。,各种碳源

16、对点青霉摄氧率的影响,30,在补料分批发酵过程中，微生物的需氧量随补入的碳源浓度而变化，一般补料后，摄氧率均有不同程度的增大。 容易被微生物分解利用的碳源，消耗的氧就比较多； 不容易被微生物分解利用的碳源消耗的氧就少(取决于微生物体内分解该物质的酶活力的大小。 除了碳源物质直接影响摄氧率外，其他培养基成分，如磷酸盐、氮源对微生物的摄氧率也有一定的影响。,31,(三)培养液中溶解氧浓度CL的影响,在发酵过程中，培养液中的 溶解氧浓度CL菌体的C长临时， 菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰； 如果培养液中的CL低于C长临或C合临时， 多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制

17、菌体生长和产物合成的现象。,32,(四) 培养条件,微生物呼吸强度的临界值除受到培养基组成的影响外，还与培养液的pH、温度等培养条件相关。 温度愈适合生长，营养成分愈丰富，其呼吸强度的临界值也相应地增长。最适pH值亦然。,33,(五) CO2的影响,在发酵过程中，微生物在吸收氧气的同时，也呼出CO2废气，如不及时从发酵液中除去，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。 在相同压力下，CO2在水中的溶解度是O2溶解度的30倍，由于O2和CO2的运输都是靠胞内外浓度差进行的被动扩散，发酵培养基中积累的CO2如果不能及时地被排出，就会影响菌体内CO2的排出；再则CO2的溶解也会改变发酵液的pH值

18、。 另外，排除有毒代谢产物如挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。,34,第二节 氧在溶液中的传递,35,一、氧传递的阻力,在需氧发酵过程中，气态氧必须先溶解于发酵液中，然后才可能传递至细胞表面，再经过扩散作用进入细胞内，参与菌体内的生物化学反应。 氧的这一系列传递过程需要克服供氧方面和需氧方面的各种阻力才能完成。,O2,气膜,发酵液,36,1、供氧方面的阻力 1)气膜阻力（ 1/K1 ;1/KG）： 气体穿越气-液界面的气膜阻力，与空气情况有关。 2)气液界面阻力（1/K2;1/KI）： 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。与空气情况有关。 3)液膜阻力

19、（1/K3; 1/KL）： 从气-液界面至液体液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。 4)液流阻力（1/K4; 1/KLB）： 液体主流中传递的阻力；与发酵液的成分和浓度有关。,气膜,37,2、耗氧方面的阻力 1）菌丝团周围液膜阻力（1/K5; 1/KLC）：与发酵液的成分和浓度有关。,2）菌丝丛或菌丝团内的扩散阻力（1/K6；1/KA）：与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。,38,3）细胞膜的阻力（1/K7;1/KW）：与微生物的生理特性有关。 4）细胞呼吸酶与氧反应阻力（1/K8;1/KR）：氧分子与细胞内呼吸酶系反 应时的阻力；

20、与微生物的种类、生理特性有关。,39,影响阻力的因素： 空气：1/K1 、1/K2； 发酵液成分、浓度：1/K3 、1/K4 、1/K5； 微生物种类、生理状态：1/K6 、1/K7 、1/K8。 影响阻力的限制因素： 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/K3 ）是氧溶于水时的限制因素。 良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少1/K3、1/K4，加速氧的传递。,40,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/k3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

21、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。,41,通常耗氧方面阻力主要是1/k6与 1/k7，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/k8，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、pH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。,42,氧在传递过程中，需克服的总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即： R = 1/K1 +1/K2 +1/K3 +1/K8

22、 当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时氧的传递速率为：,C 为克服总阻力的动力，是氧在发酵液中的浓度和细胞内之差。 C n为各步传递阶段的氧浓度之差。,43,二、氧的传递方程式,氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障，在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。,P -PI,CI -CL,气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化,从空气主流扩散到气-液界面的推动力是空气中氧的分压与界面处氧分压之差，即P -PI ，氧穿过界面溶于液体，继续扩

23、散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之差，即CI -CL 。,44,在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率可表示为： N 单位体积培养液中的氧传递速率， mmol/Lh； C*溶液中溶氧饱和浓度，mmol/L； CL液相中溶氧浓度，mmol/L； a 比表面积（即单位体积的液体中所含的气-液接触面积）， m2/m3； KL以氧浓度差为推动力的氧传递系数，m/h； 由于“a”不易测得，因此常将 KLa作为一项来处理，称为体积氧传递系数或供氧系数，单位为 1/h。,N = KL a ( C* CL ),对于难溶性气体，如氧气从气相主体扩散到液相主体，气膜传递阻力远小于液

24、膜传递阻力，可忽略不计，因此，氧的传递速率也就只与液相中溶氧浓度有关。,45,当发酵液中的溶解氧浓度不是菌体生长和产物合成的限制因素时，则此状态下的总需氧速率为： N = QO2 X = r N：需氧速率，mmol /Lh； QO2：氧比消耗速率(呼吸强度)，mmol /gh； X ：菌体浓度，g/L； r ：培养物的摄氧率，mmol/Lh。,46,发酵过程中，当发酵液中的溶氧浓度不随时间而变化时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，即该发酵系统的供氧能力与耗氧量达到了平衡状态，亦即： KLa (C* - CL) = QO2 X = r 据上式可知：当微生物的摄氧率不变，同时在此条件下

25、C*也不改变，KLa越大，发酵液中的CL越高，所以可用KLa的变化来衡量发酵罐的通气效率，高，表示通气富裕，低则表示贫乏。,若供氧速率摄氧速率，即KLa (C* - CL) ，则发酵液溶氧浓度CL会不断增加，趋近于C* ； 若供氧速率摄氧速率，即KLa (C* - CL) ，则发酵液溶氧浓度CL会逐渐下降，趋近于0 。,47,实验用的摇瓶，其KLa值约为10100 h-1， 带搅拌装置的发酵罐，其KLa值为2001000 h-1。 特殊设计的发酵罐的KLa值可达3000 h-1以上，但因泡沫太多而无实用价值。 以上数据是在非生产状态下用亚硫酸钠法测定的，在实际生产中，吸收系数只有上述数值的1/

26、51/3。,48,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.,49,第三节 影响供氧的因素,50,从氧传递方程 N = KL a ( C* CL ) 可以看出，影响发酵过程中供氧的主要因素有 氧传递的推动力(C*CL) 溶液中饱和溶氧浓度和液相中溶氧浓度之差。 液相体积氧传递系数KLa。 所以，凡是影响以上两者的因素，便是影响供氧的因素。,51

27、,一、影响氧传递推动力(C*CL)的因素,要提高推动力，只要能提高C*或减少CL就可以 。 1、提高饱和溶氧浓度C*的方法 首先看：影响氧在溶液中饱和浓度的因素： 温度：随温度升高溶液中的溶解氧的饱和浓度降低。 这是因为温度升高，气体分子运动加快所致。 溶液的组成：随溶质浓度增加氧饱和浓度下降。 氧分压：气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度随之增加。 罐压：罐压增加，溶解氧浓度增加。,52,因此，要提高C*，可 降低发酵培养温度； 降低培养基中营养物质的浓度和黏度； 提高氧分压： 但这几方面实施起来局限性都很大： 通过降低发酵的培养温度，可以提高C* 。但一般情况下，对于一定发酵产物的工业化发酵生

28、产过程，发酵温度是依微生物生理特征已经确定，再降低温度的可能性很小。,提高发酵罐罐压； 通人纯氧气：,53, 提高罐压会减小气泡体积，减少了气-液接触面积，影响氧的传递速率，降低氧的溶解度，影响菌体的呼吸强度，同时增加设备的耐压负担； 还有，提高罐压，但同时CO2的溶解浓度也会增加且更高，因CO2的溶解度比O2高30倍，这会影响pH和菌的生理代谢。 通入纯氧能显著提高C* ，但此种方法既不经济又不安全，同时易出现微生物的氧中毒现象。 发酵培养基的组成是依据生产菌种的生理特性和生物合成代谢产物的需要确定的，一般不能随意改动，但在发酵的中后期，由于发酵液黏度太大，显著影响氧气的传递时，可通过补水降

29、低发酵液的黏度，改善供氧效率，促进代谢产物的合成。,54,2、降低发酵液中的溶氧浓度 CL 减少通气量； 降低搅拌转速。 但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的生长和代谢产物积累。 在实际发酵生产中，为了增加发酵的产量，增加菌体浓度是普遍采用的方式。在高菌浓的情况下，由于摄氧率高，发酵液黏度大，实际的溶解氧已经接近C临界，如果再降低CL ，则会影响菌体的正常呼吸，造成菌体的缺氧，给生产造成不利的影响。因此在实际生产中，降低发酵液中的CL在一般情况下是不可取的。,55,二、影响液相体积氧传递系数KLa的因素,影响发酵设备的KLa的主要因素有搅拌功率、空气流速、发酵液的

30、理化性质、泡沫状态、空气分布器形状和发酵罐的结构等。可用经验式表示：,KLa=K(P/V) (Vs) (app)- ,P/V：通气条件下单位体积发酵液实际消耗的功率，kW/m3 ； VS ：空气的直线速度，m/h；截面积一定，反映的空气的体积流量,m3/h app ：发酵液的粘度， PaS ； / ：指数，与搅拌器和空气分布器的形式有关，通过实验测定； K：经验常数，与设备的形状、几何比例尺寸、通风装置的型式等有关。,56,1、搅拌功率对KLa的影响,从上表可见，搅拌转速对KL的影响很大，(搅拌比通气速度对KL的影响更明显)，对微生物的摄氧率也有影响，但对饱和溶氧浓度C*无影响。,几种微生物在

31、不同搅拌转速下发酵时的KLa、和C*值,微生物 搅拌器转速 空气流速 KLa C* r/min L/Lmin 1/h mg/Lh mg/L 卵状假单胞菌 300 1.0 95 288 5.9 1486 500 1.0 153 360 5.9 700 1.0 216 432 5.9 啤酒酵母 300 1.0 90 576 6.7 500 1.0 169 720 6.7 700 1.0 219 864 6.7 黑曲霉A588 300 1.0 90 288 5.0 500 1.0 126 360 5.0 700 1.0 206 576 5.0,KLa=K(P/V) (Vs) (app)- ,57,(

32、1)搅拌的作用,使发酵罐内的温度和营养物质浓度达到均一，使组成发酵液的三相系统充分混合； 把引入发酵液中的空气分散成小气泡，增加了气-液间的传质面积“a” ，提高KLa 值； 增强发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和流体扩散阻力，从而提高氧的传递速率； 减少菌丝结团，降低菌丝丛内扩散阻力和菌丝丛周围的液膜阻力； 可延长空气气泡在发酵罐中的停留时间，增加氧的溶解量。 但是，如果搅拌速度过快，由于剪切力增大，会损伤菌丝体，影响菌丝体的正常代谢，同时还会浪费能源和促进泡沫形成。,KLa=K(P/V) (Vs) (app)- ,58,(2)影响搅拌功率的因素,当流体处于湍流状态时，单位体积发酵液

33、所消耗的搅拌功率才能作为衡量搅拌程度的可靠指标。实验测得 中的指数a的值为0.751.0。 在搅拌情况下，当发酵液达到完全湍流(即雷诺准数Re 105时)，此时的搅拌功率P为： P=K d 5n3 式中d：搅拌器直径(m)； N：搅拌器转速(r/min)； ：发酵液密度(kg/m3)； P：搅拌功率(kW)； K：经验常数，随搅拌器形式而改变，一般由实验测定。 这是在不通气和具有全挡板条件下的搅拌功率计算式，当发酵液通入空气后，由于气泡的作用降低了发酵液的密度和表观黏度，所以通气情况下的搅拌功率仅为不通气时所消耗功率的3060%。,KLa=K(P/V) (Vs) (app) - ,59,2、空

34、气流速对KLa的影响,Vs为气流的垂直方向直线速度，从上式可见， KLa随空气流速的增加而增大。其指数约为 0.4-0.72，随搅拌器型式而异。 当空气流速增加时，由于发酵液中的空气增多、相对密度下降，使搅拌功率也下降。当空气流速增加到某一值时，由于空气流量过大，通入的空气不经过搅拌叶的分散，而沿着搅拌轴形成空气通道，空气直接逸出发酵罐，此时搅拌功率不再下降，此时的空气流速称为“气泛点”。此时KLa也不再增加。,KLa=K(P/V) (Vs) (app)- ,60,搅拌器有三种基本形式，使培养基在罐中的流向不同，从而对KLa产生影响。,推进式搅拌器,蜗轮搅拌器,轴向流型搅拌器,61,带搅拌器的

35、发酵罐其气泛点主要与搅拌叶的形式、搅拌器的直径和转速、空气线速度等有关。 无圆盘的搅拌器或桨叶搅拌器容易产生气泛现象，平桨搅拌器在空气流速为21m/h时就会发生气泛现象。 用一层带圆盘的搅拌器时，气泛点可提高到90m/h； 用二层带圆盘的搅拌器时，其气泛点可提高到150m/h。 对一定没备而言，空气流速与空气流量成正比，空气流量的改变必然引起空气流速的变化。已知空气流速的变化会引起液相体积氧传递系数KLa的改变，当空气流速达气泛点时，KLa不再增加，如图所示。所以，在发酵过程中应控制空气流速(或流量)，使搅拌轴附近的液面没有大的气泡逸出。,62,虽然搅拌功率和空气流速都影响KLa，但实验测出搅

36、拌功率对发酵产量的影响远大于空气流速。从青霉素发酵中测得的结果看出，空气流速大(22m/h)而搅拌转速低(190r/min)时，青霉素的产率显著下降，而在搅拌转速较高(560r/min)时，即使空气流速降低(降至3.6m/h)，青霉素产率也无显著变化。 空气流速过大，不利于空气在罐内的分散与停留，同时导致发酵液浓缩，影响氧的传递。 高的搅拌转速，不仅使通入罐内的空气得以充分地分散，增加气-液接触面积，而且还可以延长空气在罐内的停留时间。但空气流速如果过低，因代谢产生的废气不能及时排出等原因，也会影响氧的传递。 因此，要提高发酵罐的供氧能力，采用提高搅拌功率，适当降低空气流速，是一种有效的方法。

37、,63,通用式机械搅拌发酵罐中的无圆盘的开放式搅拌器易产生气泛现象，这就是为什么搅拌器要安一个圆盘的原因。 通用式机械搅拌发酵罐中的搅拌器如果没有圆盘，从搅拌轴下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低。而安装一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌叶打碎、分散，提高了溶氧系数。,64,3、发酵液理化性质对KLa的影响,从上式可以看出，KLa与发酵液的表观黏度app 成反比，说明发酵液的黏度是影响KLa的主要因素之一。 发酵液是由营养物质、生长的菌体细胞和代谢产物组成的。 由于微生物的

38、生长和多种代谢作用使发酵液的组成不断地发生变化，营养物质的消耗、菌体浓度、菌丝形态和某此代谢产物的合成都能引起发酵液黏度的变化。因而显著地影响氧的传递效率。,KLa=K(P/V) (Vs) (app)- ,65,发酵过程中菌体的浓度和形态对黏度有较大的影响，因而影响氧的传递。 细菌和酵母菌发酵时，发酵液黏度低，对氧传递的影响较小。 霉菌和放线菌发酵时，随着菌浓的增加发酵液的黏度也增加，对氧的传递有较大影响，见图。 丝状菌流动性差，稠度大，细胞浓度相同时，球状菌悬液的KL值是丝状菌悬液KL值的两倍，丝状菌使通气效率降低。,菌丝浓度,66,发酵液中添加糖、花生饼粉等有机物质，能降低KLa。但某些少

39、量的醇、酮和酯反而会使KLa 值提高。 加入电解质，KLa值提高，并随浓度增加而增大。 加入消沫剂，由于分布于气液界面，增大氧传递阻力，使KLa下降，但泡沫的减少又改善了通气状况，最终会有效的改善发酵液的通气效率。,67,4、泡沫对KLa的影响,在发酵过程中，由于通气和搅拌的作用引起发酵液出现泡沫。在黏稠的发酵液中形成的流态泡沫比较难以消除，影响气体的交换和传递。 如果搅拌叶轮处于泡沫的包围之中，也会影响气体与液体的充分混合，降低氧的传递速率。 消泡剂过多还会聚集在细胞周围，阻碍细胞对氧和营养物质的吸收。,68,5、 空气分布器形式和发酵罐结构对KLa的影响,发酵罐内空气分布器： 在需氧发酵中

40、，除了搅拌可以将空气分散成小气泡外，过去大多数采用多孔环型鼓泡分布器来分散空气，提高通气效率。 试验表明，在气流速度较低时，多孔分布器对空气起到了很好的分散作用。但随着气流速度的增加两者的差异逐渐减少。 当空气流量增加到一定值时，有无鼓泡器对空气的混合效果无明显的影响，且多孔鼓泡器易堵塞。 空气流量较大，单孔分布器加之有搅拌器造成发酵液的翻动和湍流，对空气起到了很好的分散作用。,KLa=K(P/V) (Vs) (app)- ,多孔环型鼓泡分布器 单孔分布器,69,此外，发酵罐的结构，特别是发酵罐的高与直径的比值，对氧的吸收和传递有较大的影响。高位发酵罐，即适当增加发酵罐的高度(D:H=1:7) ，以求增加气-液接触时间，提高氧的溶解度。 搅拌器组数和间距对溶氧的影响：一般来说，当H/D = 2. 5 时，用多组搅拌器可提高溶氧系数10%， 当H/D = 4并采用较大的空气流速和较大的功率时，多组搅拌器可提高溶氧系数25%。 若搅拌器之间相互位置不恰当，则流型和空气分布情况将发生变化，就会引起溶氧系数的大幅度降低。,Thank You !,