课件下载_百万课件网

生化工程2 氧的供需

声明:本课件在电脑上可正常浏览,在手机或平板电脑上只能浏览到简介。

生化工程2 氧的供需的内容简介:

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CCr
4、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 个体--体系菌体--产物 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。 Qo2molO2•kg干细胞-1•s-1;mmolO2·g菌-1·h-1 氧浓度和比耗氧速率的关系:一些微生物的最大比耗氧速率 影响QO2的因素: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 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。 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 碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。 平衡方程式! 结论: 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3.72*10-3,1.9*10-3和1.4*10-3mol/(m3.s)。 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。 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 溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响: 溶解氧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。 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

第二节培养过程中的氧传递
氧从气泡到细胞的传递过程示意图 氧传递的阻力 供氧方面的阻力: 1.从气相主体到气液界面的气膜传递阻力1/kG 2.气液界面的传递阻力1/kI 3.从气液界面通过液膜的传递阻力1/kL 4.液相主体的传递阻力kLB 耗氧方面的阻力: 5.细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 6.固液界面的传递阻力1/kIS 7.细胞团内的传递阻力1/kA 8.细胞壁的阻力1/kW 9.胞内反应阻力1/kR 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。 双膜理论 基本前提:
(1)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。
(2)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。 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: p-气相主体氧分压,Pa;pI-气液界面氧分压,Pa CI-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/(m2·s·Pa) KL-以氧浓度为推动力的总传递系数,m/s kG-气膜传递系数,mol/(m2•s•Pa); kL-液膜传递系数,m/s; 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 OTR=kLa(C*-CL)(4) OTR体积溶氧速率(kmol/(m3.h)或mol/(m3.s)),单位体积培养液中的氧传递速率 a比表面积(m2/m3),单位体积液体中气液两相的总界面积 kLa以C*-CL为推动力的体积溶氧系数,反映了发酵罐的传氧速率大小。
一、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氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上
二、供氧的调节 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。 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: 当微生物的摄氧率不变时(假定C*在一定条件下也不变),KLa越大,发酵液中溶解氧浓度CL也越大;所以可用KLa的大小来衡量发酵设备的通气效率。 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

第三节影响供氧速率的因素
气液传递速率方程:OTR=kLa(C*-CL) 1、影响推动力的因素C*
(1)纯氧在不同温度水中的溶解度(大气压强1.01*105Pa)
(2)与空气平衡的纯水中,氧的溶解度计算经验公式(在1.01*105Pa,4-33℃): C*w与空气平衡的水中氧浓度,mol/m3
(3)氧在电解质溶液中的溶解度 Sechenov公式 lg[C*w/C*e]=KCE C*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) 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: lg[C*w/C*e]=hiIi hi为第i种离子的常数; Ii为离子强度 Ii=½ZiCEi Zi第i种离子的价数 CEi第i种离子的浓度
(4)氧在非电解质溶液中的溶解度 lg[C*w/C*n]=KCn C*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
(5)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。
(6)氧载体
(7)罐压 国外0.6-1*105Pa(表压)
(8)空气中的氧含量
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/(dBVL) 气体的截留率H0=VG/VL(截留在液体中的气体体积与液体体积之比) a=6H0/dBdBH0 假定培养液高度为HL,气泡上升速度为B,通气的流量QG,气泡在液体中的平均滞留时间 正常通气产生气泡群 dm=mjdBj3/mjdBj2(气泡的平均直径) mj是直径为dBj的气泡个数。 则a=6H0/dm 通过对气泡所受力的分析可以得到 dc稳定气泡的最大直径,m; 界面张力,N/m; ρ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 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=-DLdC/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: kL=DL/L, 即液膜传递系数与扩散系数成正比。 (kL=DL/δ) 穿透理论 Higbie认为气体通过液膜的扩散是非稳态过程,通过推导得到: (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 Danckwerts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: kL=(DLs)1/2(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。
小结 1、影响推动力的因素 温度、电解质、非电解质、有机化合物、罐压、空气中的氧含量、氧载体 2、影响气液比表面积的因素 3、影响液膜传递系数kL的因素 扩散系数D;液膜厚度L 4、影响kLa的因素 (1)操作变量 ①通风与搅拌 g空气表观线速度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。 ②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。 压力:kLa随压力增加而增加 (2)发酵液的理化性质 (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绝对温度,K;M溶质分子量; x溶剂的缔合因子;μ液体的粘度,Pa.S; Vm溶质沸点下的分子体积,m3/mol。 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。 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积。 一些有机溶质如甲醇、乙醇和丙酮也有类似现象。 细胞 培养液中细胞浓度的增加,会使kLa变小。 细胞的形态对kLa的影响显著。 例如,Chain等测得球状菌悬液的kLa约是同浓度丝状菌悬液的两倍。 (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Qg和Pg/V不变,高径比由1增加至2,至3,kLa分别提高40%,48%。 指数α和β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α和β的影响:

第四节溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法
溶解氧CL的测定
1、化学法
2、溶氧电极 原电池型复膜氧电极反应: 阴极:O2+2H2O+4e4OH- 阳极:PbPb2++2e 极谱型电极由于其阴极面积很小,电流输出也相应小,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5~30μA(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。 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。 (2)稳态法(尾气分析仪) (变化)(进入)(排出)(呼吸) V液体体积QG气体流速Pi气体压力Ti气体温度 (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QGi=QG0=0, 式:VdCL/dt=QGiPi/(RTi)–QG0P0/(RT0)–QO2XV 简化为: dCL/dt=QO2X=r 用一支响应很快的溶氧电极测定培养液中溶氧变化,作图并计算摄氧率r。
3、kLa的测定 (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 因氧化反应速度很快,液相氧浓度CL=0,ΔO2/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。 耗氧速率的计算 亚硫酸钠氧化法的原理和实验程序 反应方程式: (催化剂CuSO4) 剩余的Na2SO3与过量的碘作用 剩余的I2用标定的Na2S2O3溶液滴定 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。 (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(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。 (3)动态法 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*。 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: 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。 (4)葡萄糖氧化法 C6H12O6+½O2C6H12O7(葡萄糖氧化酶) 单位溶解氧功耗:kLa值的大小是评价通风反应器的重要指标,但不是唯一的指标。 性能良好的反应器,应具有较高的kLa值,同时其溶解1mol氧所消耗的能量(Np)应该低。

课件下载:下载地址 页数:150页 [ 收藏 推荐 ]
课件大小:0.62 MB 上传时间:2013-02-26 11:45:30 下载次数: 所需金币:0个