氧的供需学习.pptx

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1、液体发酵类型：嫌气发酵：乙醇、乳酸、丙酮、丁醇C6H12O6+2ADP+2Pi 2C3H6O3+2ATP(同型乳酸发酵)好氧发酵：C6H12O6+ADP+Pi+3NAD(P)+3H+C5H9O4N+3ATP+3NAD(P)H(谷氨酸发酵)第1页/共105页第2页/共105页通气的重要性氧在纯水中的溶解度：0.25mol/m3(25,0.1MPa)8ppm每立方米培养液单位时间内的需氧量 （假设菌体浓度1015/m m3 3）：菌体浓度单位菌体单位时间内的需氧量（生物量呼吸强度）=10=101515个菌体/m/m3 3(10(10-16-16m m3 3/个菌体)(1000kg/m(1000kg

2、/m3 3)(1-80%)kg)(1-80%)kg干菌体/kg/kg菌体 (2.6 102.6 10-3-3molOmolO2 2/kg/kg干菌体.s.s)=0.052molO=0.052molO2 2/(m/(m3 3.s).s)培养液中的氧维持菌体正常生存的时间不超过：0.25/0.052=4.81s第3页/共105页一、细胞对氧的需求二、培养过程中的氧传递 三、影响供氧的因素四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法关系：耗氧供氧 检测第4页/共105页第一节 细胞对氧的需求1、比耗氧速率（呼吸强度）2、摄氧率3、临界氧浓度CCr4、溶解氧对细胞生长的影响5、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响个

3、体体系 菌体产物第5页/共105页1、比耗氧速率比耗氧速率（呼吸强度）：单位质量的细胞（干重）在单位时间内消耗氧的量。Qo2 mol O2 kg干细胞-1 s-1 ；mmol O2g菌-1h-1氧浓度和比耗氧速率的关系:氧为唯一的限制性基质(QO2)m：最大比耗氧速率K0：氧的米氏常数，最大比耗氧速率为半值时的氧浓度第6页/共105页一些微生物的K0值菌体对氧的亲和力第7页/共105页一些微生物的最大比耗氧速率 耗氧能力第8页/共105页 遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件影响QO2的因素第9页/共105页2、摄氧率摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。rmol

4、 O2 m-3 s-1；mmol O2L-1h-1r=Qo2 X细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，在分批培养过程中，摄氧率发生很大变化。对生生长前期，比耗氧速率摄氧率对生生长后期，比耗氧速率摄氧率第10页/共105页影响需氧的因素r=QO2.Xq 菌体浓度q QO2第11页/共105页碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。平衡方程式！C6H12O6+6O2 6CO2+6H2OCH3OH+3/2 O 2 CO2+2H2OCnH2n+2+(3n+1)/2O2 nCO2+(n+1)H2O结论？第12页/共105页当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧更多，例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培养微生物时，每消耗碳源

5、中一个碳原子所需要的氧分别为1.34、1.0和0.4分子。产黄青霉在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养基中，最大摄氧率分别为3.7210-3，1.9 10-3和1.4 10-3mol/(m3.s)。第13页/共105页培养条件（如pH、温度等）有害代谢产物HAc第14页/共105页3、溶解氧浓度对菌体生长的影响临界氧浓度：培养过程中，当不存在其它限制性基质时，比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升，当溶氧浓度高于临界值时，细胞的比耗氧速率不再上升并保持恒定，则此溶氧临界值为临界氧浓度。即不影响细胞呼吸所允许的最低溶氧浓度。第15页/共105页临界氧浓度CCr的测定第16页/共105页一些微生物的呼吸临界氧

6、浓度CCr第17页/共105页举例:Bacillus thuringiensis发酵过程临界氧浓度问题启示？时间时间（hrhr）临界氧浓临界氧浓度（度（%）时间时间（hrhr）临界氧浓临界氧浓度（度（%）434.3 207.2830.9 229.31029.7 2414.91213.4 3017.1148.33222.1186.6z不同培养时间的临界氧浓度第18页/共105页4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样 头孢菌素 卷须霉素生长期 5%(相对于饱和氧浓度）13%产物合成期 13%8%第19页/共105页溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响:溶解氧

7、浓度低于临界氧浓度时，谷氨酸和天门冬氨酸类氨基酸的产量下降；但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。第20页/共105页氨基酸氨基酸乙醛酸循环乙醛酸循环CO2固定固定NAD(P)H2(FADH2)ATPNAD(P)H2(FADH2)ATP谷氨酸谷氨酸16/3231谷氨酰胺谷氨酰胺64/330脯氨酸脯氨酸16/34/320精氨酸精氨酸14/3-2/32-3赖氨酸赖氨酸8/32/3-2-1苏氨酸苏氨酸40-4-4异亮氨酸异亮氨酸22/3-3-1缬氨酸缬氨酸02亮氨酸亮氨酸22苯丙氨酸苯丙氨酸0-7/5酪氨酸酪氨酸6/5-7/5色氨酸色氨酸11/8

8、-7/5氨基酸生物合成中每消耗1摩尔葡萄糖所生成的NAD(P)H2和ATP摩尔数第21页/共105页总 结细胞对氧的需求：表示方法：比耗氧速率：表示微生物的相对需氧量摄氧率：表示培养液的相对需氧量临界氧浓度：表示细胞正常生长的最低氧浓度溶解氧对细胞生长的影响溶解氧对发酵代谢产物生成的影响第22页/共105页第二节 培养过程中的氧传递第23页/共105页213456789气液界面气泡液膜液相主体固液界面细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图 一、发酵液中氧的传递方程第24页/共105页一、发酵液中氧的传递方程第25页/共105页氧传递的阻力供氧方面的阻力:1.从气相主体到气液

9、界面的气膜传递阻力1/kG2.气液界面的传递阻力1/kI3.从气液界面通过液膜的传递阻力1/kL4.液相主体的传递阻力kLB第26页/共105页耗氧方面的阻力:5.细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC6.固液界面的传递阻力1/kIS7.细胞团内的传递阻力1/kA8.细胞壁的阻力1/kW9.胞内反应阻力1/kR第27页/共105页氧的传递通量氧的传递通量(nO2)：通过单位面积的氧传递速率。nO2=推动力/阻力=pi/（1/ki）=Ci/（1/ki）nO2：氧的传递通量，mol/（m2 S）pi：各阶段的推动力（分压差），Pa1/ki：各阶段的传递阻力，N.s/mol ki：传递系数 mol/(

10、m2 s Pa)气体nO2=C C 1 C 2 C 8 K 1/k1 1/k2 1/k8第28页/共105页 1、气液相间的氧传递第29页/共105页双膜理论基本前提：（）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，氧分子以扩散方式，即籍浓度差推动穿过双膜进入液相主流。气泡内除开气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流，主流中的任一位点氧分子的浓度相等；液体主流中的氧也是如此。第30页/共105页（）传递阻力主要集中在界面两侧的层流膜上。（3）在双膜之间的两相界面上，氧的分压强与溶于

11、界面液膜中的氧浓度处于平衡关系。（4）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。第31页/共105页当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相等，即：等，即：nO2=ppI1/kGpp*1/KGCICL1/kLC*CL1/KLp 气相主体氧分压，Pa;pI 气液界面氧分压，PaCI 气液界面氧浓度，mol/m3;CL 液相主体氧浓度，mol/m3 p*与液相主流中溶氧浓度CL平衡的气相氧分压，Pa;C*与气相主流中氧的分压强p平衡的液相氧浓度，mol/m3 KG 以氧分压为推动力的总传递系数,mol/(m2sPa)

12、KL 以氧浓度为推动力的总传递系数，m/skG气膜传递系数,mol/(m2 s Pa);kL液膜传递系数,m/s;第32页/共105页气膜的氧传递通量：以氧分压为推动力的气-液相间的氧传递通量液膜的氧传递通量：以氧浓度为推动力的气-液相间的氧传递通量 下标 I和L K 和 k第33页/共105页根据n nO O2 2=(C=(C*-C-CL L)/(1/K)/(1/KL L)得：1/K1/KL L=(C=(C*-C-CL L)/n)/nO O2 2 =(C =(C*-C-Ci i)/n)/no o2 2+(C+(Ci i-C-CL L)/n)/nO O2 2 (1)(1)根据亨利定律 P=H

13、C(H P=H C(H 亨利常数）得：P=H C*P=H C*，P Pi i=H C=H Ci i代入（1 1）式，得 1/K1/KL L=(P-P=(P-Pi i)/(H n)/(H no o2 2)+(C)+(Ci i-C-CL L)/)/n nO O2 2 即1/K1/KL L=1/(H k=1/(H kG G)+1/k)+1/kL L (2)(2)对于难溶气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力相比可以忽略不计，即1/(Hk1/(HkG G)1/k1/kL L（H H值很大）因此k kL LKKL L。n nO2 O2=K=KL L(C(C*-C-CL L)=k=kL L(C(C*-C

14、-CL L)(3)(3)可以认为所有的传质阻力集中在液膜一侧,因此又称液膜控制.第34页/共105页OTR=kOTR=kL La(Ca(C*-C-CL L)（4 4）OTR OTR 体积溶氧速率（kmol/(mkmol/(m3 3.h).h)或mol/(mmol/(m3 3.s).s)，单位体积培养液中的氧传递速率 a a 比表面积（m m2 2/m/m3 3)，单位体积液体中气液 两相的总界面积 k kL La a 以C*-CC*-CL L为推动力的体积溶氧系数，反映了发酵罐的传氧速率大小。传氧速率Oxygen Transfer Rate(OTR)摄氧速率Oxygen Uptake Rate

15、(OUR)摄氧率 r第35页/共105页二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上OTR=kLa(C*-CL)第36页/共105页三、供氧的调节CL有一定的工艺要求，通过kLa和C*来调节其中C*P/HOTRHPkLaOTR=kLa(C*-CL)第37页/共105页调节kLa是最常用的方法，kLa反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。45升 1吨 10吨搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1第38页/共105页 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等于微生

16、物在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，则：对溶氧的需求速率，则：KLa(C*-CL)=QO2 X=rKLa =rC*-CL第39页/共105页 当微生物的摄氧率不变时（假定当微生物的摄氧率不变时（假定C C*在一定条件下也不变），在一定条件下也不变），K KLaLa 越大，发越大，发酵液中溶解氧浓度酵液中溶解氧浓度C CL L也越大；所以可用也越大；所以可用K KL La a的大小来衡量发酵设备的通气效的大小来衡量发酵设备的通气效率。率。KLa =rC*-CL第40页/共105页小结双膜理论氧传递通量nO2体积溶氧速率OTR体积溶氧系数kLa第41页/共

17、105页复 习比耗氧速率摄氧率临界氧浓度双膜理论氧传递通量nO2体积溶氧速率OTR体积溶氧系数kLa第42页/共105页Theratelimitingstepinthemovementofoxygenfromthegasphaseinabubbletothecellisthemovementofoxygenmoleculesthrougha.thegas-liquidinterface.b.thebubbleboundarylayer.c.thebulkliquid.d.thegasphase.第43页/共105页AfermentationsystemhasakLaof3s-1andaCo*o

18、f5ppmofO2.Ifthebulkliquidiscompletelydepletedofoxygen,thentheoxygentransferratewillequal:a.zerob.15mg.l-1.s-1c.10mg.l-1.s-1d.5mg.l-1.s-1第44页/共105页Amicrobialpopulationinasuspensionculturewillonlybelimitedbyoxygenavailabilityifa.thedissolvedoxygenconcentrationislessthanthecriticalconcentrationb.thedis

19、solvedoxygenconcentrationisgreaterthanthecriticalconcentrationc.dissolvedoxygenlevelsaregreaterthanthesaturationconcentrationofoxygend.always.第45页/共105页Ifoxygenistheratelimitingsubstrateinabioreactor,thenifataparticulartimetheoxygentransferrateis23kg.h-1,thentheoxygenuptakewillbea.23kg.h-1b.lessthan

20、23kg.h-1c.greaterthan23kg.h-1d.cannotbedetermined第46页/共105页Henryslawrelatesa.thepartialpressureofoxygenandthesaturationconcentrationofoxygenintheliquid.b.theoxygentransferrateandthebubblesizec.theoxygentransferrateandthetemperatured.theoxygentransferratetothepartialpressureofoxygenintheliquid第47页/共1

21、05页第三节 影响供氧速率的因素气液传递速率方程：OTR=kLa(C*-CL)1 1、影响推动力的因素 C C*（）纯氧在不同温度水中的溶解度（大气压强1.01105Pa）温度（温度（）溶解度溶解度（mol/m3)温度（温度（）溶解度溶解度（mol/m3)02.18251.26101.70301.16151.54351.09201.38401.03第48页/共105页 (2)(2)与空气平衡的纯水中，氧的溶解度计算经验公式(在1.01101.01105 5Pa,4-33)Pa,4-33)：C*C*w w=14.6/(t+31.6)=14.6/(t+31.6)C*C*w w 与空气平衡的水中氧浓

22、度，mol/mmol/m3 3第49页/共105页(3)氧在电解质溶液中的溶解度Sechenov公式lgC*w/C*e=KCEC*e氧在电解质溶液中的溶解度CE电解质溶液的浓度KSechenov常数（随气体种类、电解质种类和温度变化）第50页/共105页如果是几种电解质的混合溶液，则可根据溶液的离子强度计算：lgC*w/C*e=hiIi hi为第i种离子的常数；Ii为离子强度 Ii=ZiCEiZi第i种离子的价数CEi第i种离子的浓度第51页/共105页（）氧在非电解质溶液中的溶解度lgC*w/C*n=KCnC*n氧在非电解质溶液中的溶解度Cn非电解质或有机物的浓度第52页/共105页液体液体

23、溶解度溶解度（103kg/m3）温度（温度（）乙醇乙醇61.016.0正己烷正己烷90.016.0豆油豆油62.116.0蒸馏水蒸馏水10.115.0（）氧在有机化合物中的溶解度 氧在某些有机液体中的溶解度高于水中的。第53页/共105页（6 6）氧载体（7）罐压国外0.6-1105Pa（表压）（8）空气中的氧含量第54页/共105页、影响气液比表面积的因素 a假定在体积为VL的液体中所截留的气体体积为 VG，气泡直径为dB，则比表面积 a=SB n/VL SB单个气泡表面积 n气泡个数 =4 (dB/2)2 VG/(4/3 (dB/2)3)/VL =6VG/(dB VL)气体的截留率 H0=

24、VG/VL（截留在液体中的气体体积与液体体积之比）a=6H0/dB dB H0第55页/共105页假定培养液高度为HL，气泡上升速度为B，通气的流量G G，气泡在液体中的平均滞留时间 t t H HL L/B B V VG G/Q/QG G H H0 0VL/G G 即 H H0 0 H HL LG G/(/(VL B B)代入式a=6H0/dB，得到：a a 6 H6 HL LG G/(V/(VL L B B d dB B)第56页/共105页正常通气产生气泡群 d dm m=m=mj jd dBjBj3 3/m/mj jd dBjBj2 2 (气泡的平均直径)m mj j是直径为d dBj

25、Bj的气泡个数。则a=6Ha=6H0 0/d/dm m通过对气泡所受力的分析可以得到 dc=K dc=K 0.60.6/0.20.2L L(P PG G/V/VL L)0.40.4 dc 稳定气泡的最大直径，m；界面张力，N/m；液体的密度kg/m3；K 常数；VL体积，m3；PG通气状态下搅拌功率，W第57页/共105页3、影响液膜传递系数的因素 kL氧在液膜中稳态扩散，可由Fick第一定律求出 扩散通量：nO2=-DL dC/dx=DL(CI-CL)/L DL：扩散系数；dC/dx：溶质在扩散方向的浓度梯度；L：液膜有效厚度 双膜理论：no2=(CI-CL)/(1/kL)kL=DL/L，即

26、液膜传递系数与扩散系数成正比。(kL=DL/)第58页/共105页穿透理论 HigbieHigbie认为气体通过液膜的扩散是非稳态过程，通过推导得到：k kL L=2D=2DL L/()/()1/2 1/2 （时间间隔单位)即液膜传递系数与扩散系数的平方根成正比。表面更新理论 DanckwertsDanckwerts认为，在气泡上升过程中，气液界面在不断发生新老交替，表面的年龄是有一定分布的，通过推导得到：k kL L=(D=(DL Ls)s)1/2 1/2 (s(s 常数，表面更新速率）即液膜传递系数与扩散系数的平方根成正比。第59页/共105页小结1 1、影响推动力的因素 温度、电解质、非

27、电解质、有机化合物、罐压、空气中的氧含量、氧载体、影响气液比表面积的因素 a=6 HLG/(VL Bdm)HL/VL；G；B；dm dc=K 0.6/0.2L(PG/VL)0.4 ；PG/VL；3、影响液膜传递系数kL的因素 扩散系数D；液膜厚度L第60页/共105页4、影响k kL La a的因素（1）操作变量通风与搅拌 k kL La=K(Pa=K(PG G/V/VL L)g g (11)g g 空气表观线速度 g g=QG/(D2/4)搅拌：打碎气泡，增大气液相的接触面积；使 培养液产生涡流，延长气泡在液体中的停留时 间，增大H0；减小气泡外滞流液膜的厚度，从 而减小传递过程中的阻力。第

28、61页/共105页例 某一产品的发酵 d N p0/v DO 产量 450 180 1.62 20%4978 450 280 2.12 40%5564 550 180 2.61 60%8455例 黑曲霉生产糖化酶 N 230 230 270 通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量 1812 2416 2846提高d、N显著提高DO，提高了产量提高N,比提高Q有效第62页/共105页温度与压力温度：液体物性常数黏度，扩散系数常温下活性污泥处理废水，提高温度可增加kLa。kLa（T/L)1/2压力：kLa随压力增加而增加第63页/共105页（2）发酵液的理化性质 kLa=f(D,N,g,

29、DL,g)Wilke-Chang关联式：D DL L=7.3810=7.3810-15-15T(x M)T(x M)1/21/2/(Vm/(Vm0.60.6)（小分子的溶质在低分子液体中的扩散系数与粘度的关系）T T 绝对温度，K K；M M 溶质分子量；x x 溶剂的缔合因子；液体的粘度，Pa.SPa.S；Vm Vm 溶质沸点下的分子体积，m m3 3/mol/mol。第64页/共105页表面活性剂：减小气泡直径，增加气泡比表面积；增大传递阻力，降低kL。表面活性剂月桂基磺酸钠浓度对dB、KL、KLa的影响第65页/共105页离子强度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

30、积。一些有机溶质如甲醇、乙醇和丙酮也有类似现象。电解质溶液浓度对KLa的影响第66页/共105页细胞 培养液中细胞浓度的增加，会使k kL La a变小。细胞的形态对k kL La a的影响显著。例如，ChainChain等测得球状菌悬液的k kL La a约是同浓度丝状菌悬液的两倍。第67页/共105页（3）反应器结构因素搅拌器组数和间距挡板和冷却盘管高径比，当QgQg和Pg/VPg/V不变，高径比由1 1增加至2 2，至3 3，k kL La a分别提高40%40%，48%48%。第68页/共105页0.5780.755六箭叶涡轮0.7131.00六弯叶涡轮0.4880.938六平叶涡轮搅

31、拌桨形式kLa=K(PG/V)g 指数和随发酵罐的形状、结构、搅拌桨叶形式以及体积等而变化。表：带有两层搅拌器的小型发酵罐,其搅拌桨形式对指数和的影响:第69页/共105页搅拌罐中的体积溶氧关联式kLa关联式关联式搅拌器形式搅拌器形式kLa(P(PG G/V/VL L)0.950.95g g 0.670.67翼碟式搅拌器翼碟式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.940.94g g 0.50.5涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.550.55g g 0.50.5空心涡轮型自吸式搅拌器空心涡轮型自吸式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.70.7g g

32、 0.30.3六叶涡轮式搅拌器六叶涡轮式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.670.67g g 0.670.67涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.40.4g g 0.50.5六叶涡轮式搅拌器六叶涡轮式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.330.33g g 0.560.56涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.530.53g g 0.670.67桨式搅拌器桨式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.720.72g g 0.110.11伍式搅拌器伍式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.560.56g g 0

33、.70.7N N0.70.7涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器kLa(P(PG G/V/VL L)0.40.4g g 0.50.5N N0.50.5翼碟、平桨和涡轮式搅拌器翼碟、平桨和涡轮式搅拌器第70页/共105页反应器规模对指数和的影响反应器尺寸反应器尺寸/L/L5 50.950.950.670.675005000.60.60.70.70.670.6750 00050 0000.4 0.4 0.50.50.50.5第71页/共105页Whichofthefollowingismostlikelytocauseanincreaseintherateofoxygentransferintoapartic

34、ularaeratedfermentationsystem?a.Theadditionofantifoamsb.Aincreaseintemperaturec.Anincreaseinstirrerspeedd.Bothbandc第72页/共105页Whichofthefollowingwillhavethelargestinterfacialareaperunitvolume?a.abubblewithadiameterof1mmb.abubblewithadiameterof2mmc.abubblewithadiameterof3mmd.abubblewithadiameterof4mm第

35、73页/共105页Highertemperaturesaffectoxygentransferratesbya.increasingkLabutloweringC*ob.loweringkLabutincreasingC*oc.increasingkLaandincreasingC*od.loweringkLabutloweringC*o第74页/共105页Increasingthestirrerspeedinanaeratedbioreactorwillincreasetheoxygentransferratebya.increasingshearlevelstodecreasethebub

36、blesizeb.decreasingthesizeoftheboundarylayersurroundingabubblec.increasingtherateofmovementofoxygenmoleculesthroughthebulkliquidd.Alloftheabovearecorrect第75页/共105页Increasingtheheightofanaeratedbioreactorwillincreasetheoxygentransferratebya.increasingthepartialpressureofoxygenatthebaseofthereactorb.d

37、ecreasingthesaturationconcentrationoxygeninthereactorc.decreasingthegas-holdupd.Alloftheabovearecorrect第76页/共105页Theuseofpureoxygeninsteadofairwillincreaseoxygentransferratesbecausea.thesaturationconcentrationofoxygenishigherb.thebubblesizeissmallerc.theoxygentransfercoefficientislargerd.thepartialp

38、ressureofoxygeninthegasphaseislower第77页/共105页Ahigherliquidheightwillleadtoahighergasholdup.Asaresult,theoxygentransferratewilla.behigherthroughoutthereactorb.belowerthroughoutthereactorc.behigheratthebaseofthereactor.Howeverthebubblescanbecomerichincarbondioxideastheyproceedthroughthereactor.Thiscan

39、leadtoreducedoxygentransferratesasthebubblesmoveupthroughthereactor.d.beloweratthebaseofthereactor.Howeverthebubbleswillbecomerichinoxygenintheupperregionsofthereactorleadingtohigheroxygentransferratesnearthesurface.第78页/共105页Duringaeration,acylindricalreactorhadaheightof10m.Withoutaeration,theheigh

40、twas7.5m.Undertheseaerationandmixingconditions,thegasholdupinthereactorisa.100%b.75%c.50%d.25%第79页/共105页第四节 溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法一、溶解氧CL的测定1、化学法O2 2 Na2S2O3 第80页/共105页2、溶氧电极q 极谱型(阴极)：O2+2H+2e H2O2q 原电池型(阴极)：O2+2H2O+4e 4OH-第81页/共105页原电池型复膜氧电极反应：阴极：O2+2H2O+4e4OH-阳极：PbPb2+2e第82页/共105页 极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应

41、小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约530A(主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。q 膜：耐温、透气、不通水q 测定：一般是得到相对值第83页/共105页2 2 摄氧率的测定（1）瓦氏呼吸仪法瓦氏呼吸仪贮液器中的KOH吸收尾气CO2，从测压计读出的三角瓶压力变化速率就是氧的消耗速率。根据样品液体积算出摄氧率，如果已知细胞浓度，可求出呼吸强度。第84页/共105页（2）稳态法（尾气分析

42、仪）V VG G P Pi i/T Ti i=n R =n R n/t=V n/t=VG G P Pi i/(/(T Ti i R t)=Q R t)=QG G P Pi i/(/(T Ti i R)R)V dC V dCL L/dt=Q/dt=QGiGiP Pi i/(RT/(RTi i)Q)QG0G0P P0 0/(RT/(RT0 0)Q)QO2O2X VX V （变化）（进入）（排出）（呼吸）V V 液体体积 Q QG G 气体流速 P Pi i 气体压力 T Ti i 气体温度处于稳态时，dCdCL L/dt=0/dt=0，则 r=Qr=QO2O2X=QX=QGiGiP Pi i/(R

43、T/(RTi i)Q)QG0G0P P0 0/(RT/(RT0 0)/V/V第85页/共105页r=(Cor=(Co2i2i Q QGiGi Co Co2o2oQ QGoGo)f/V)f/V =(Co =(Co2i2i Q QGiGi Co Co2o2oQ QGi Gi C C惰i i/C/C惰o o)f/V)f/V Q QGo Go C C惰o o=Q=QGi Gi C C惰i i Q QGoGo=Q=QGi Gi C C惰i i/C/C惰o or=Qr=QGiGi Co Co2i 2i C C惰i i Co Co2o2o/(1-Co/(1-Co2o2o-Cco-Cco2o2o)f/V)f/

44、Vf=273/(273+tf=273/(273+ti i)P)Pi i 10 10-5-5/(1+h)/(1+h)P Pi i 进气的绝对压强（Pa)Pa)t ti i 进气温度h h 进气的相对湿度（%）第86页/共105页（3）动态法（氧电极）如果在某个时刻停止向培养液通气，而维持原 来的搅拌转速，由于Q QGiGi=Q=QG0G0=0=0，式:V dC:V dCL L/dt=Q/dt=QGiGiP Pi i/(RT/(RTi i)Q)QG0G0P P0 0/(RT/(RT0 0)Q QO2O2X VX V 简化为:dC dCL L/dt=Q/dt=QO2O2X Xr r 用一支响应很快的

45、溶氧电极测定培养液中溶氧变化，作图并计算摄氧率r r。第87页/共105页dCL=-r dt第88页/共105页3 3、k kL La a的测定（1 1）亚硫酸盐氧化法 冷模 非培养条件下测定反应器的体积溶氧系数!在反应器中加入含有Cu2+或Co2+催化剂的亚硫酸溶液，通气搅拌一定时间后，用碘量法测定亚硫酸钠被氧消耗的速率。耗氧速率的影响因素：氧传递速率，氧反应速率 OTR=O2/t 限制因子！第89页/共105页因氧化反应速度很快，液相氧浓度CL=0，O2/t=OTR=kLa(C*-CL)=kLaC*氧在亚硫酸钠溶液中的溶解度可用氧在同样浓度的硫酸钠溶液中的溶解度代替。第90页/共105页耗

46、氧速率的计算亚硫酸钠氧化法的原理和实验程序反应方程式：2Na2SO3+O22Na2SO4（催化剂CuSO4)剩余的Na2SO3与过量的碘作用 Na2SO3+I2+H2ONa2SO4+2HI剩余的I2用标定的Na2S2O3溶液滴定 2Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaI第91页/共105页与未通气的自来水空白对照相比，每消耗1mol溶氧可氧化2molNa2SO3，就剩余2molI2，也就额外多消耗4molNa2S2O3。因此，每额外多滴定消耗1molNa2S2O3，就必定通入 1/4mol溶氧。第92页/共105页OTR=VM/(41000mt)(mol.ml-1.min-1)或OTR=

47、VM60/(4mt)(mol.L-1.h-1)其中：V：通气样与空白样各加等量碘液后滴定Na2S2O3的体积之差（ml）M：Na2S2O3的摩尔浓度（M）m：样液的体积（ml）t：通气时间（min）第93页/共105页OTR=kLaC*=VM60/(4mt)例设：0.1MPa，25条件下，纯水中氧的饱和溶解度为C*=0.21mmol/L。则kLa=60/4/0.211000VM/(mt)=7.14104VM/(mt)(h-1)第94页/共105页kd及kd和kLa的换算kd：以氧分压差为推动力的体积溶氧系数即OTR=kd(P-P*)对于亚硫酸盐氧化法，因CL=0,与之平衡的气相氧分压P*=0。

48、即OTR=kdP根据亨利定律，OTR=kLaC*=kLaP/H所以kd kLa/H如果kLa的单位为h-1，kd为mol.ml-1.min-1.atm-1第95页/共105页C*=0.21mmol/L，p=0.21atm则OTR=kdP=kLaC*kLa=0.21atmkd/(0.21mmol/L)60min=60103103kdatm.min/(mol/ml)kLa=6107kd(p)=6107kd/0.21(P)第96页/共105页（2）稳态法dCL/dt=kLa(C*-CL)r处于稳态时，dCL/dt=0，则kLa=r/(C*-CL)在大型发酵罐中，一般采用平均推动力(C*-CL)m代替

49、(C*-CL)。(C*-CL)m (C*i-CL)-(C*0-CL)/ln(C*i-CL)/(C*0-CL)其中C*i和C*0分别代表与进气与排气氧分压平衡的液相氧浓度。第97页/共105页（3）动态法dCL/dt=kLa(C*-CL)rCL=(-1/kLa)(dCL/dt+r)+C*t第98页/共105页培养系统在某个时刻停止向培养液中通气，并维持搅拌，根据培养液中溶氧浓度的变化可以求出摄氧率。当液体的溶氧浓度下降到一定程度时（不低于临界氧浓度），恢复通气，则培养液中的溶氧浓度逐渐升高，最后恢复到原先水平。根据恢复通气后溶解氧变化曲线，用图解法求出与一定溶解氧浓度对应的dCL/dt（即曲线的

50、斜率），将CL对（dCL/dt r）作图可以得到一条直线，其斜率为-1/kLa，在CL轴上的截距为C*。第99页/共105页第100页/共105页非培养系统先用氮气赶去液体中的溶解氧，然后通入空气，记录溶解氧随时间的变化，因r=0，式dCL/dt=kLa(C*-CL)r简写为：dCL/dt=kLa(C*-CL)当t=0时，CL=0上式积分后得到:dCL/(C*-CL)=kLa dt ln(C*-CL)/C*=-kLa t将(C*-CL)/C*对时间t在半对数坐标中作图，可得到一条直线，斜率为-1/kLa。第101页/共105页（4）葡萄糖氧化法C6H12O6+O2C6H12O7(葡萄糖氧化酶）