生化工程第四章通气与搅拌课件.ppt
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- 生化 工程 第四 通气 搅拌 课件
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1、生化工程第四章通气与搅拌(优选)生化工程第四章通气与搅拌H很大,则KLkL。(3)细胞浓度:非牛顿型增加(见图2);化学方法:亚硫酸盐氧化法不稳定状态时,发酵液中某时间间隔的溶氧量为:四、微生物的临界氧浓度Cc 4-3 影响氧供给的因素采用体积溶氧系数或体积传质系数:KLa(或KGa),据此氧传质(溶氧速率)方程可表示为:二、气体溶解过程的双膜理论pH、T 影响生长速率和产物生成速率。4-3 影响氧供给的因素体现微生物的相对需氧量。Ci,CL:气液界面和液相中氧浓度(Kg分子O2/M3)K:Sechenov常数;不稳定状态时,发酵液中某时间间隔的溶氧量为:p,pi:气相和气液界面处氧分压(at
2、m)4 通气与搅拌通气与搅拌 4-1 微生物的需氧和溶解氧控制微生物的需氧和溶解氧控制 一、细胞对氧的需求一、细胞对氧的需求 1、氧是细胞的成分。、氧是细胞的成分。2、微生物只能利用溶解于基质中的氧。、微生物只能利用溶解于基质中的氧。3、不同、不同M有不同的氧需求。有不同的氧需求。二、呼吸强度二、呼吸强度(比耗氧速率比耗氧速率)和耗氧速率和耗氧速率(摄氧率摄氧率)是两种表示微生物吸氧量的方法。是两种表示微生物吸氧量的方法。1、呼吸强度、呼吸强度(QO2):单位重量干菌体在单位时:单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量。(间内的吸氧量。(mg分子分子氧氧/g干菌体干菌体h)体现微生物的相对需氧量。体
3、现微生物的相对需氧量。2 2、耗氧速率、耗氧速率():指单位体积培养液在单位时指单位体积培养液在单位时间内吸氧量。间内吸氧量。(mg分子分子氧氧/Lh)QO2X 对一定微生物来说,细胞浓度直接影响培养对一定微生物来说,细胞浓度直接影响培养液的吸氧量。液的吸氧量。三、影响微生物需氧量的因素三、影响微生物需氧量的因素 1.1.碳源种类碳源种类 碳源种类不同,利用速度不同。碳源种类不同,利用速度不同。C6H12O6+6O26H2O+6CO2 2.2.碳源浓度碳源浓度 与碳源浓度是否成为限制性有关。与碳源浓度是否成为限制性有关。3.培养条件培养条件(pH、T)pH、T 影响生长速率和产物生成速率。影响
4、生长速率和产物生成速率。4.(有害有害)代谢产物代谢产物 抑制细胞呼吸作用。抑制细胞呼吸作用。5.培养时期的影响培养时期的影响 不同时期微生物生命活动能力不同。不同时期微生物生命活动能力不同。注意:溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影注意:溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同。响可能不同。四、微生物的临界氧浓度四、微生物的临界氧浓度Cc 微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求临界氧浓度临界氧浓度Cc。当不存在限制性基质时,耗氧速率因基质中当不存在限制性基质时,耗氧速率因基质中氧浓度不同而异。若氧浓度不同而异。若CCc,细胞比耗氧速率,细胞比耗氧速率保持恒
5、定;若保持恒定;若CCc,细胞比耗氧速率会下降,细胞比耗氧速率会下降,并随并随C下降而下降。下降而下降。常见微生物的临界氧浓度见下表。常见微生物的临界氧浓度见下表。五、溶解氧控制的意义五、溶解氧控制的意义 研究溶解氧控制的意义在于:研究溶解氧控制的意义在于:1.1.满足生产需要;满足生产需要;2.2.节能、降耗;节能、降耗;1.供氧:气体主流供氧:气体主流气膜气膜气液界面气液界面液液膜膜液体主流。液体主流。2.耗氧:液体主流耗氧:液体主流细胞周围液膜细胞周围液膜菌丝菌丝体丛体丛细胞膜细胞膜细胞。细胞。氧的传氧的传递途径递途径 4-2 传质理论传质理论 一、氧传递途径与传质阻力一、氧传递途径与传
6、质阻力 两个过程,八种阻力,按不同情况,阻力重两个过程,八种阻力,按不同情况,阻力重要性不同。要性不同。(一一)氧在发酵过程中的传递途径氧在发酵过程中的传递途径(二二)传质阻力传质阻力 1.气膜阻力气膜阻力1/k1:气体主流与气液界面间的阻:气体主流与气液界面间的阻力,与空气情况有关。力,与空气情况有关。2.气液界面阻力气液界面阻力1/k2:氧穿过气液界面的阻力,:氧穿过气液界面的阻力,与空气情况和氧分子所具有的能量有关。与空气情况和氧分子所具有的能量有关。3.液膜阻力液膜阻力1/k3:气液界面到液体主流间的阻:气液界面到液体主流间的阻力,与发酵液成分和浓度有关。力,与发酵液成分和浓度有关。4
7、.液流阻力液流阻力1/k4:液体流动对氧传递的阻力,:液体流动对氧传递的阻力,与流动程度和流动形式有关。与流动程度和流动形式有关。2.2.耗氧方面耗氧方面(1)(1)液膜阻力液膜阻力1/k1/k5 5:与发酵液浓度、成分和细:与发酵液浓度、成分和细胞特性等有关。胞特性等有关。(2)(2)扩散阻力扩散阻力1/k1/k6 6:与微生物种类、生理特性:与微生物种类、生理特性有关。有关。(3)(3)胞膜阻力胞膜阻力1/k1/k7 7:与微生物生理特性有关,:与微生物生理特性有关,取决于细胞运载方式和能力。取决于细胞运载方式和能力。(4)(4)反应阻力反应阻力1/k1/k8 8:氧分子与细胞内呼吸酶系:
8、氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力,与微生物种类、生理特性有关。反应时的阻力,与微生物种类、生理特性有关。总结分析总结分析 在供氧方面,液膜阻力在供氧方面,液膜阻力(1/k(1/k3 3)比较显著;比较显著;在耗氧方面,细胞膜阻力在耗氧方面,细胞膜阻力(1/k(1/k6 6)比较显著;比较显著;只要发酵条件合适,微生物耗氧不是矛盾的只要发酵条件合适,微生物耗氧不是矛盾的主要方面。氧的溶解问题是影响微生物利用氧主要方面。氧的溶解问题是影响微生物利用氧效率高低的最大因素。效率高低的最大因素。二、气体溶解过程的双膜理论二、气体溶解过程的双膜理论 1.1.气液两相间存在稳定的相界面,界面两侧气液两相间
9、存在稳定的相界面,界面两侧各有一层有效膜,溶质各有一层有效膜,溶质(氧氧)以分子扩散的传质以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。方式由气相主体进入液相主体。2.2.在相界面处,气液两相达到平衡。在相界面处,气液两相达到平衡。3.3.在气、液两相主体中,溶质在气、液两相主体中,溶质(氧氧)浓度均匀。浓度均匀。过程:氧过程:氧 由气相由气相气液界面气液界面液相液相气膜气膜液膜液膜常见微生物的临界氧浓度见下表。其测定步骤为:停止对发酵罐供气,此时由于菌体的呼吸作用而使溶氧浓度直线下降。两次测定,消耗的Na2S2O3体积差V=V2-V1,按一定关系体现为这段时间溶入的O2的量。从图可以看出,曲线
10、的斜率:与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别是气膜阻力(1/kG)和液膜阻力(1/kL)。在供氧方面,液膜阻力(1/k3)比较显著;实际发酵体系中,这种平衡是暂时的。微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求临界氧浓度Cc。H很大,则KLkL。氧是气体,它在水中的溶解度随温度升高而降低。(1)易溶气体,H很小,则KGkG。(4)反应阻力1/k8:氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力,与微生物种类、生理特性有关。涡轮式,径向推动,形成上下两个翻动;2、微生物只能利用溶解于基质中的氧。对一定微生物来说,细胞浓度直接影响培养液的吸氧量。可知:凡影响推动力(C*CL)或(pp*)、比表面积a和传质系数KL的
11、因素,都会影响氧传递速率。从图可以看出,曲线的斜率:二、呼吸强度(比耗氧速率)和耗氧速率(摄氧率)体现微生物的相对需氧量。(3)细胞浓度:非牛顿型增加(见图2);省时,又能用于测定在非发酵状态下发酵设备的通气效率。耗氧:液体主流细胞周围液膜菌丝体丛细胞膜细胞。实际发酵体系中,这种平衡是暂时的。:氧在电解质溶液中的溶解度;mol/M3pH、T 影响生长速率和产物生成速率。(mg分子氧/g干菌体h)氧分压pi和氧浓度Ci难测定,改用总传质系数KG或KL和总推动力。:非电解质中溶质的浓度或有机物浓度;化学方法:亚硫酸盐氧化法从图可以看出,曲线的斜率:p pp pi ip-pp-pi iC Ci i-
12、C-CL L气膜气膜液膜液膜气液气液界面界面C Ci iC CL L 氧溶解必需穿过两层膜:氧溶解必需穿过两层膜:气体主流气体主流气液界面,氧分压差气液界面,氧分压差(p-pp-pi i);气液界面气液界面液体主流,氧浓度差液体主流,氧浓度差(C Ci i-C CL L);与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别是气膜阻力是气膜阻力(1/(1/k kG G)和液膜阻力和液膜阻力(1/(1/k kL L)。单位接触面氧的传递速率单位接触面氧的传递速率N NA A为:为:)式(阻力推动力15)()(/1/1LiLiGLLiGiACCkppkkCCkppNN NA
13、 A:氧的传递速率:氧的传递速率(Kg(Kg分子分子O O2 2/M/M2 2h)h)p,pp,pi i:气相和气液界面处氧分压:气相和气液界面处氧分压(atm)(atm)C Ci i,C,CL L:气液界面和液相中氧浓度:气液界面和液相中氧浓度(Kg(Kg分子分子O O2 2/M/M3 3)k kG G:气膜传质系数:气膜传质系数(Kg(Kg分子分子O O2 2/M/M2 2h hatm)atm)k kL L:液膜传质系数:液膜传质系数(M/h)(M/h)氧分压氧分压pi和氧浓度和氧浓度Ci难测定,改用总传质系难测定,改用总传质系数数KG或或KL和总推动力。和总推动力。则,在稳定传递状态时,
14、则,在稳定传递状态时,)式(25)()(LLGACCKppKNp p*:与液相氧浓度:与液相氧浓度C CL L平衡的氧分压;平衡的氧分压;C C*:气相中氧分压:气相中氧分压P P 达平衡时的氧浓度;达平衡时的氧浓度;K KG G:以氧分压差为推动力总传质系数;:以氧分压差为推动力总传质系数;K KL L:以氧浓度差为推动力总传质系数;:以氧浓度差为推动力总传质系数;其中,其中,kG或或kL与与KG或或KL的关系,可根据亨利的关系,可根据亨利定律来求得,即:定律来求得,即:LiiHCpHCpHCp)式(35 根据式(根据式(5 51 1)有:)有:)式(所以有:;451111)(1LGGALi
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