072发酵工业中氧的供需精品PPT课件

20.10.2020
14
20.10.2020
15
各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即
20.10.2020 临界氧浓度C临是不同的。
16
在发酵生产中，为了不使微生物的 生长和代谢受到氧浓度的影响，保证发 酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维 持在微生物的临界氧浓度以上。
20.10.2020
17
2、比耗氧速率与氧浓度的关系
在好气性发酵中，当培养液中限制性生长底 物的浓度一定或过量，而溶解氧浓度较低时，氧 为微生物生长的主要限制性底物，微生物的比生 长速率与氧浓度的关系用Monod方程表示为：
20.10.2020
12
X 1•ddX t m•KO2 CC（6-1）
: 微 生 物 的 比 生 长 速 率 ( h -1 )
第四章 传氧与通气搅拌
20.10.2020
1
本章主要内容
一、概述 二、微生物有氧呼吸 三、传氧理论 四、影响传氧速率的因素 五、溶氧系数及其测定 六、溶氧控制工艺手段及异常分析
20.10.2020
2
一、 概述 1、生化反应器通气与搅拌有两个目的: ①使发酵液Baidu Nhomakorabea分混合，以便形成均匀的微生物悬 浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从 菌体内向发酵液的传递。 ②供给微生物生长和代谢所需的氧气。
溶解度比在水中更小，就必须采用强化供氧。
20.10.2020
9
近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步， 以至氧的需求超过现有的生物反应设备的氧传递 的能力，其后果是氧传递速率成为产量的限制因 素。氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补 的损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物 的产生。了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最 适需氧量，就可能分别地合理地供氧。
事实上并不需要发酵液中氧的浓度达到饱和 浓度，只要维持在氧的临界浓度以上即可。因此， 应尽可能了解发酵过程中菌的临界氧浓度和达到 最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵 产物形成过程中的最高需氧量，以便分别合理地 供给足够氧气。
20.10.2020
11
二、微生物的有氧呼吸
1、比生长速率和氧浓度的关系
20.10.2020
4
一般认为在通风发酵过程中，微生物利用 空气气泡中氧的过程可分为两个阶段进行:空 气中的氧首先溶解在液体中，这得阶段叫做 “供氧”，然后微生物才能利用液体中的溶解 氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作“耗氧”
20.10.2020
5
2、 微生物的临界氧浓度
微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种 微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求 这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度”。不同的微生 物的需氧量不同。同一种微生物的需氧量，随 菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代 谢产物的耗氧量也往往不同。
20.10.2020
7
20.10.2020
8
3、溶解氧控制的意义 在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态下的
氧（最近有报道在气-液界处的微生物也能直接利用气相 中的氧）。氧是很难溶解的气体，在25℃、100MPa下，空 气中的氧在水中的溶解度0.25mmol/L。由于微生物不断消 耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工 环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的
（6-6）
20.10.2020
23
3、比耗氧速率与溶氧浓度的关系
Q o2YX/O2YX1/O2•m•KO2 C C
Qo2 (Qo2)m•KO2CC （6-7）
20.10.2020
（一）耗氧速率
单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速 率，以r表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：
dc
r dt
Qo2 •X
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h) X ——菌体浓度（g/l)
20.10.2020
18
耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌 体浓度的不同而不同，其大致范围为：25100mmol/l.h，某些耗氧速率特别高的微生物， 则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物 形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵 中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因 为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化 作用，因此供氧对需氧微生物是必不可少的，在生物反应 过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积 累所需要的代谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于细 胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧 气。
X ： 菌 体 浓 度 (g/l) t： 时 间 （ h )
m : 最 大 比 生 长 素 率 （ h - 1）
C ： 溶 氧 浓 度 （ m m o l /l) K O 2 : 氧 饱 和 常 数 （ m m o l /l)
20.10.2020
13
按式（6-1），作μ-C关系曲线。在氧浓度 很低的情况下，微生物细胞的比生长速率μ随着 溶解氧浓度的升高正比的增长，随后增长速度逐 渐减慢，当氧浓度达到一定值（C临）时，比生长 速率不再增长，过高， μ反而下降。
20.10.2020
19
供氧、耗氧和产物形成的关系通常有三种类型： （1）产物形成期的氧消耗与菌体生长期的最大 需氧量一致；（2）产物形成期的最大需氧量超 过菌体生长期的最大需氧量；（3）产物形成期 的最大需氧量低于菌体生长期的最大需氧量。
所以，只有掌握不同种类的微生物在各阶段 的需氧情况，才能对发酵生产进行良好的控制。
20.10.2020
20
（二）比耗氧速率及其与比生长速率与溶氧浓 度的关系
1、比耗氧速率：单位菌体浓度的好氧速率，又 称呼吸强度 。
Qo2
r X
1•(dc) X dt
（6-3）
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h) X ——菌体浓度（g/l)
20.10.2020
21
20.10.2020
22
从（6-5）可知，在稳态情况下，微生物 的比好氧速率与比生长素率成正比，如图6-2 所示。此图是由恒流速培养所观察，若将直线 按外推法使之与纵轴相交有一截距，这截距就 是维持细胞生命所必需的比好氧速率，故式65实际上应为：
Qo2
YX/O2
(Qo2)0