1、第六章發(fā) 酵 供 氧第一節(jié) 微生物的需氧和溶解氧的控制一、供氧與微生物呼吸代謝產(chǎn)物的關(guān)系呼吸強(qiáng)度：QO2（mmol O2/g干菌體h）耗氧速率：r （mmol O2/Lh）二、微生物的臨界氧濃度（C臨界） 菌體進(jìn)行某種生理活動(dòng)時(shí)，對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度的最低要求；不同菌種、同種菌在不同生理期具有不同的C臨界值； 三、發(fā)酵過程溶解氧的變化 四、溶解氧控制的意義第二節(jié)傳質(zhì)理論一、氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力分為供氧和耗氧供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。耗氧：氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)1.傳遞途徑O2氣膜氣液界面細(xì)胞膜菌絲團(tuán)發(fā)酵液液膜O2O2細(xì)胞液

2、膜2.供氧方面的阻力氣膜；氣液界面；液膜；發(fā)酵液是該過程的主要阻力3.耗氧方面的阻力胞外液膜；菌絲叢；細(xì)胞膜；胞內(nèi)傳遞；是該過程的主要的耗氧阻力 二、氣體溶解過程：雙膜理論氣液界面氣膜動(dòng)力：P-Pi液膜動(dòng)力：Ci-CL阻力：1/kG阻力：1/kL氣體擴(kuò)散方向氣膜液膜CiCL空氣泡PO2PPi發(fā)酵液 NA：氧傳遞速率；p，pi氣相中和氣、液界面處氧的分壓；CL，Ci：液相中和氣、液界面處氧的濃度；kG：氣膜傳質(zhì)系數(shù)；kL：液膜傳質(zhì)系數(shù)；KG：以氧分壓差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；KL：以氧濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；p*：與液相中氧濃度c相平衡時(shí)的氧分壓； C*：與氣相中氧分壓p達(dá)平衡的氧的溶解度；上

3、式使用不便，改用總傳質(zhì)系數(shù)、總推動(dòng)力表示：根據(jù)亨氏定律，有：則NA的表達(dá)式可以寫為：對(duì)易溶氣體來講：對(duì)難溶氣體來講：同樣的方法可得出KL的表達(dá)式： 三、氧傳質(zhì)方程內(nèi)界面面積：a；單位：m2/m3Ka：體積溶氧系數(shù)，溶氧速率方程為：N：氧的傳遞速率kmol/（m3h）； KLa：以濃度差為動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)（h-1）； KGa：以分壓差為動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)kmol/（m3hM pa）；cL：發(fā)酵液中氧濃度（kmol/m3）； c*：與氣相中氧分壓p平衡的發(fā)酵液氧濃度（kmol/m3）； p：氣相中氧分壓（M Pa）； p*：與液相中氧濃度c平衡的氧分壓（M Pa）； H：亨利常數(shù)（m3M Pa/

4、kmol）供氧與耗氧至少必須平衡第三節(jié) 影響氧傳遞速率的因素一、攪拌目的：增加溶氧、促進(jìn)微生物懸浮混合（1）攪拌改善溶氧速率打碎氣泡，增加接觸面積液體做渦流運(yùn)動(dòng)，增加接觸時(shí)間發(fā)酵呈湍流，減少液膜阻力，KLa增加打散菌體，使推動(dòng)力均一（2）、攪拌器的形式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距、在罐內(nèi)的相對(duì)位置攪拌器形式：軸向式:漿式、錨式、框式、推進(jìn)式徑向式：渦輪式渦輪式的特點(diǎn)：直徑小，轉(zhuǎn)速快，攪拌效率高，功率消耗較低攪拌轉(zhuǎn)速P H攪 Q攪H攪 : 液流速度壓頭 Q攪 :攪拌循環(huán)量在湍流狀態(tài)下，PH攪 Q攪n3d5 而 Q攪nd3 H攪 n2d2攪拌組數(shù)對(duì)溶氧的影響二、空氣線速度KLa與空氣線速度V

5、s的關(guān)系KLa Vs在0.40.72之間三、空氣分布管空氣分布管的形式、噴口直徑、管口與罐底距離空氣分布裝置：單管、多孔環(huán)管、多孔分支環(huán)管d/D0.30.4時(shí)，管口距罐底2040mmd/D0.250.3時(shí)，管口距罐底4060mm四、氧分壓平衡狀態(tài)時(shí)液體中氧的溶解度五、發(fā)酵罐內(nèi)液體柱高度六、發(fā)酵罐體積發(fā)酵罐大罐氣液接觸時(shí)間長、氧的溶解度高，攪拌和通風(fēng)小些七、發(fā)酵液的物理性質(zhì)粘度、表面張力、離子濃度第四節(jié) 溶氧系數(shù)的測(cè)定一、亞硫酸鹽氧化法1.原理 利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時(shí)被氧迅速氧化的特性來估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效果。 當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.0180.47mol/L，溫度2045之間時(shí)，與氧

6、反應(yīng)的速度幾乎不變，用碘量法測(cè)定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化量來求得氧的溶解量。2.操作反應(yīng)原理：剩余的亞硫酸根與過量的碘反應(yīng)：再用Na2S2O3滴定剩余的碘： 將一定溫度（2045）的自來水加入實(shí)驗(yàn)罐，加入化學(xué)純的Na2SO3晶體，使亞硫酸根約為1M，再加化學(xué)純的CuSO4晶體，使Cu2+濃度約為10-9 M，待完全溶解后，開閥通氣，空氣閥一開就接近預(yù)定流量。當(dāng)氣泡從噴管中冒出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí),氧化時(shí)間控制在520min.3.計(jì)算方法:N：體積溶氧系數(shù)S：取樣量C：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時(shí)間間隔P：發(fā)酵罐的罐壓實(shí)驗(yàn)前后各用移液管取10100mL樣液，立即移入新吸

7、取的過量標(biāo)準(zhǔn)碘液中，以淀粉為指示劑，用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：氧溶解和亞硫酸鹽濃度無關(guān)，反應(yīng)速度快，不需要特殊儀器缺點(diǎn)：影響因素多，工作容積只能在480L以內(nèi)測(cè)定才比較可靠二、取樣極譜法 原理：當(dāng)電壓為0.61.0V時(shí)，其擴(kuò)散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。操作：將從發(fā)酵罐中取出的樣品置入極譜儀的電池中，并記下隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中的氧濃度CL的數(shù)值KLa=Qo2X/ C*-CL =斜率/ C*-CLC* 驅(qū)出溶解氧，開始通氣后，在被測(cè)定的發(fā)酵罐中用氮?dú)舛〞r(shí)取樣，用極譜儀測(cè)出溶氧濃度dc/dt=KLa (C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa t+常數(shù)KLa2.303斜

8、率三、排氣法C*四、復(fù)膜電極測(cè)定 和 氧分析儀測(cè)定 原理：用能透過氧分子的薄膜將電極系統(tǒng)與被測(cè)定溶液分離開來，避免外界溶液的性質(zhì)及通風(fēng)攪拌所引起的湍動(dòng)對(duì)測(cè)定的影響測(cè)定發(fā)酵液中溶解氧濃度、菌的好氧率r及溶氧系數(shù)該式可寫成:測(cè)定和計(jì)算氣膜體積溶氧系數(shù) 五、溶氧系數(shù)的換算以氧濃度差作為動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)；以氧分壓差作為動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)；以大氣壓作為動(dòng)力來討論的傳質(zhì)系數(shù)；以壓力差作為動(dòng)力的溶氧系數(shù)；體積吸收系數(shù)1. KV與Kd的換算:2.KL a與KG a的換算:在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0.101M Pa，25）下飽和溶氧濃度為：0.2 mmol O2 /L，氧分壓為0.021M Pa 。3.kd與 KLa、KGa換算

9、：KGa：Kd是以大氣壓為動(dòng)力的溶氧系數(shù)。根據(jù)氣體分壓定律，其中對(duì)溶氧有貢獻(xiàn)的僅是氧分壓部分，即KLa：再根據(jù)其單位進(jìn)行換算：若直接以氧分壓為推動(dòng)力，在計(jì)算時(shí)就不要0.021 。第六節(jié) 空氣中的微生物與除菌方法 一、空氣中的微生物含量、種類隨空氣狀況而異；北方少，南方多，高空少，城市多，農(nóng)村少就種類而言，通常細(xì)菌芽孢、霉菌孢子居多；空氣中的微生物一般附著在塵埃、霧滴上；二、空氣除菌方法1.加熱滅菌：采用加熱手段（電、蒸汽、空壓機(jī)）將空氣加熱到滅菌溫度進(jìn)行滅菌。2.靜電電除塵：被電離的空氣離子在向電極快速移動(dòng)過程中撞擊上空氣中的塵埃、菌體后，使菌體、塵埃移向電極，最終沉降吸附在電極上，以達(dá)到除塵

10、除菌的目的。3.介質(zhì)過濾除塵、除菌 實(shí)際使用時(shí)根據(jù)具體發(fā)酵選用除菌方式，一般常用過濾除菌的方法。三、介質(zhì)過濾除菌按過濾機(jī)制不同可分為絕對(duì)過濾和深層過濾。絕對(duì)過濾：是利用微孔濾膜，其空隙小于0.5m，甚至小于0.1m深層過濾：以纖維（棉花、玻璃纖維、尼龍）、顆粒狀介質(zhì)（活性炭）為過濾層（介質(zhì)層厚），其空隙大于50m；以超細(xì)玻璃纖維、石棉板、燒結(jié)金屬板、聚四氟乙烯等作為過濾介質(zhì)（介質(zhì)層薄），其空隙大于0.5m；（一）、絕對(duì)過濾介質(zhì)之間的空隙小于被濾除的微生物，當(dāng)空氣流過介質(zhì)層后，空氣中的微生物被濾除。 介質(zhì)的空隙小于0.5m，（二）、介質(zhì)過濾1、介質(zhì)過濾機(jī)理1）慣性碰撞作用 當(dāng)微生物等顆粒隨空氣以

11、一定的速度流動(dòng)，在接近纖維時(shí)，氣流碰到纖維而受阻，空氣就改變運(yùn)動(dòng)方向繞過纖維繼續(xù)前進(jìn)。但微生物等顆粒由于具有一定的質(zhì)量，在以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)具有慣性，碰到纖維時(shí)，由于慣性作用而離開氣流碰在纖維表面上，由于摩擦、粘附作用，被滯留在纖維表面上，這叫做慣性滯留作用當(dāng)氣流達(dá)到一定速度時(shí)，它是介質(zhì)過濾除塵的主要作用。2）阻截作用 在氣流速度在臨界速度以下，由于速度很低時(shí)，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，在滯留區(qū)內(nèi)氣流速度更慢，在滯留區(qū)內(nèi)的顆粒緩慢接近纖維，并與之接觸，由于摩擦、粘著作用而被滯留，這種作用稱為阻截作用。3）布朗運(yùn)動(dòng) 很小的顆粒在流動(dòng)速度很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則直線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗運(yùn)動(dòng) 4）重

12、力沉降：當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就沉降。 5）靜電吸附：很多微生物都帶電荷（譬如枯草芽孢桿菌孢子中20帶正電荷，15帶負(fù)電荷）；誘導(dǎo)電荷的產(chǎn)生。 2、過濾效率： 過濾效率就是濾層所濾去的微粒數(shù)與原來微粒數(shù)的比值，它是衡量過濾設(shè)備過濾能力的指標(biāo)。穿透率（P）為：過濾效率：過濾前空氣中的微粒數(shù)；：過濾后空氣中的微粒數(shù)；：穿透率；：過濾前空氣中的微粒數(shù)；將上式變形后積分： 或 這就是對(duì)數(shù)穿透定律，表示進(jìn)入濾層的微粒數(shù)與穿透濾層的微粒數(shù)之比的對(duì)數(shù)是濾層厚度的函數(shù)，常數(shù)K的值與空氣流速、纖維充填密度和直徑、空氣中微粒大小等因素有關(guān)。3、影響介質(zhì)過濾效率的因素1）介質(zhì)的種類2）介質(zhì)的直

13、徑3）介質(zhì)密度；4）空氣流速；5）介質(zhì)厚度；6）空氣中微粒的大小四、空氣過濾器類型1、分類1）以纖維狀物（棉花、玻璃纖維、滌綸、微尼綸等）或顆粒狀物質(zhì)（如活性炭）為介質(zhì)所構(gòu)成的過濾器.特點(diǎn)：過濾層厚度大，體積大，壓力降大，操作麻煩2）以微孔濾紙、濾板、濾棒構(gòu)成的過濾器。特點(diǎn)：過濾層薄、體積小、壓降小，操作簡單，價(jià)格貴2、過濾器的結(jié)構(gòu)類型五、空氣過濾流程1、對(duì)空氣的要求無菌、干燥、有一定的溫度，一定的壓力 一般流程如下：高空采風(fēng)無油潤滑空氣壓縮貯罐冷卻一次過濾二次過濾進(jìn)入發(fā)酵罐2、典型的空氣除菌流程1）將空氣冷卻至露點(diǎn)以上的流程適用范圍：氣候干燥地區(qū)一次冷卻一次析水的空氣預(yù)處理流程適用范圍：空氣濕含量較大地區(qū)高空采風(fēng)