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1、第七章发酵工业中氧的供需本章内容一、细胞对氧的需求(为什么要供氧？为什么要控制溶氧？）二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何控制溶氧？）三、影响氧传递的因素四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定3.氧传递方程在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数。在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为OTR—单位体积培养液中氧的传递速率，KLa—以浓度差为推动力的体积溶氧系数，h-1,s-1KGa—以分压差为推动力的体积溶氧系数,4.发酵过程耗氧与供氧的动态关系细胞呼吸的本征要求:氧传递特征（发酵罐传递性能）若需氧量＞
2、供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：传递消耗令则变换无因次数Da为Damköhler准数，物理意义是细胞的最大耗氧量与最大供氧量之比。当Da＜1时，细胞的耗氧量＜最大供氧量，存在耗氧限制，整个过程受呼吸速率控制；当Da＞1时，细胞的耗氧量＞最大供氧量，存在供氧限制，整个过程受氧传递速率控制。对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则,β为常数,则y亦x的函数,有形式对于一
3、个培养物来说，最低的通气条件可由式求得。kLa亦可称为“通气效率”,可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示:在稳态时,则，则由气液传递速率方程2.kLa的影响因素（一）影响氧传递的因素1.影响推动力C*-CL的因素影响比表面积a的因素影响液膜传递系数kL的因素可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：1)温度氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:t—温度,℃T↑，Cw
4、*↓，推动力↓2)溶质电解质1)对于单一电解质Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3Cw*—氧在纯水中的溶解度,mol/m3CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.2)溶质（续）2）对于几种电解质的混合溶液：式中hi—第i种离子的常数,m3/kmol离子强度,kmol/m3Zi—第i种离子的价数,—第i种离子的浓度,kmol/m32)溶质（续）B.非电解质式中Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度,mol/m3CN—非电解质或有机物浓度,kg/m3k—非电解质的Sechenov常数,m3/kg2
5、)溶质C.混合溶液(电解质+非电解质):叠加Cm*—氧在混合溶液中的溶解度,mol/m3溶质↑，Cm*↓3)溶剂通常溶剂为水;氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。4)氧分压提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。影响KLa的因素发酵罐的形状，结构（几何参数）搅拌器，空气分布器（几何参数）通气：表观线速度Ws②操作条件搅拌：转速N，搅拌功率PG发酵液体积V，液柱高度HL③发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量①
6、设备参数综合①②③三类影响因素，有其中d—搅拌器直径，m;Ν—搅拌器转速，s-1;ρ—液体密度，kg/m3;—液体粘度，Pa·s;DL—扩散系数,m2/s;σ—界面张力，N/m;Ws—表观线速度，m/s;g—重力加速度,9.81m/s2KLa的准数关联式写成准数式(无因次式)＝准数＝气流准数准数KLa影响因素的分析依据：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：合并化简得：＝0.06KLa=0.06问题：当设备一定，发酵液性质一定，即d；ρ、、σ、DL、g两类因素不变，可否建立KLa与操作条件间的独立关联式：如不行，实测后必须以进行分析。当通气是重要影响因素时，
7、建立小型罐成功发酵的关联式或建立放大的关联式要特别小心。①当其他条件一定，改变N、Ws测相应的KLa，不能根据实测数据建立方程KLa≠KNαWsβ②当规模扩大后，想建立等KLa放大的关联式更困难，只考虑N、Ws时，则KLa与相差甚远，关系复杂。实际工作中，通常以“单位体积搅拌功率”代替“N”建立KLa表达式，则实测时拟合得很好∵PG/V不仅包含了“N”的变化，也真实反映了流态的影响(即Ws、N与设备及发酵液特性共同作用).在PG的计算中要满足下列条件:①P的计算与Rem值有关:Rem﹤10x=-1层流Rem﹥104x=0湍流P：不通气搅拌功率PG:通气搅拌
8、功率PG计算与P和Na有关:Na﹤0.035时PG/P=1-12.
