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1、第八章 传质与通气,引言 大多数发酵微生物是好气型的。 葡萄糖的氧化可表示为： C6H12O6 + 6O26H2O + 6CO2 + ATP 由于氧是难溶气体，一次供氧，难以满足菌体用于碳源完全呼吸所需的氧，所以需要不断通气。 通气和搅拌是工业发酵过程的重要内容。,11 传质与通气11-1 微生物的需氧和溶解氧控制一、细胞对氧的需求1、氧是细胞的成分。2、微生物只能利用溶解于基质中的氧。3、不同M有不同的氧需求。,二、呼吸强度(比耗氧速率)和耗氧速率(摄氧率) 是两种表示微生物吸氧量的方法。1、呼吸强度(QO2)：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量。（mg分子氧/g干菌体h） 体现微生物的相对
2、需氧量。,2、耗氧速率()：指单位体积培养液在单位时间内吸氧量。(mg分子氧/Lh) QO2X 对一定微生物来说，细胞浓度直接影响培养液的吸氧量。,三、影响微生物需氧量的因素1.碳源种类 碳源种类不同，利用速度不同。 C6H12O6+6O26H2O+6CO22.碳源浓度 与碳源浓度是否成为限制性有关。,3.培养条件(pH、T) pH、T 影响生长速率和产物生成速率。4.(有害)代谢产物 抑制细胞呼吸作用。5.培养时期的影响 不同时期微生物生命活动能力不同。注意：溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同。,四、微生物的临界氧浓度Cc 微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求临界氧浓度Cc。 当不
3、存在限制性基质时，耗氧速率因基质中氧浓度不同而异。若CCc，细胞比耗氧速率保持恒定；若CCc，细胞比耗氧速率会下降，并随C下降而下降。 常见微生物的临界氧浓度见下表。,五、溶解氧控制的意义 研究溶解氧控制的意义在于：1.满足生产需要；2.节能、降耗；,1.供氧：气体主流气膜气液界面液膜液体主流。,2.耗氧：液体主流细胞周围液膜菌丝体丛细胞膜细胞。,氧的传递途径,11-2 传质理论一、氧传递途径与传质阻力 两个过程，八种阻力，按不同情况，阻力重要性不同。(一)氧在发酵过程中的传递途径,(二)传质阻力1.气膜阻力1/k1：气体主流与气液界面间的阻力，与空气情况有关。2.气液界面阻力1/k2：氧穿过
4、气液界面的阻力，与空气情况和氧分子所具有的能量有关。3.液膜阻力1/k3：气液界面到液体主流间的阻力，与发酵液成分和浓度有关。4.液流阻力1/k4：液体流动对氧传递的阻力，与流动程度和流动形式有关。,2.耗氧方面(1)液膜阻力1/k5：与发酵液浓度、成分和细胞特性等有关。(2)扩散阻力1/k6：与微生物种类、生理特性有关。(3)胞膜阻力1/k7：与微生物生理特性有关，取决于细胞运载方式和能力。(4)反应阻力1/k8：氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力，与微生物种类、生理特性有关。,总结分析 在供氧方面，液膜阻力(1/k3)比较显著； 在耗氧方面，细胞膜阻力(1/k6)比较显著； 只要发酵条件合
5、适，微生物耗氧不是矛盾的主要方面。氧的溶解问题是影响微生物利用氧效率高低的最大因素。,二、气体溶解过程的双膜理论 1.气液两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一层有效膜，溶质(氧)以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。 2.在相界面处，气液两相达到平衡。 3.在气、液两相主体中，溶质(氧)浓度均匀。过程：氧 由气相气液界面液相,气膜,液膜,p,pi,p-pi,Ci-CL,气膜,液膜,气液界面,Ci,CL,氧溶解必需穿过两层膜： 气体主流气液界面，氧分压差(p-pi)； 气液界面液体主流，氧浓度差(Ci-CL)； 与推动力分压差和浓度差相对应的阻力分别是气膜阻力(1/kG)和液膜阻力(1/
6、kL)。,单位接触面氧的传递速率NA为：,NA ：氧的传递速率(Kg分子O2/M2h)p,pi：气相和气液界面处氧分压(atm)Ci,CL：气液界面和液相中氧浓度(Kg分子O2/M3)kG：气膜传质系数(Kg分子O2/M2hatm)kL：液膜传质系数(M/h),氧分压pi和氧浓度Ci难测定，改用总传质系数KG或KL和总推动力。 则，在稳定传递状态时，,*：与液相氧浓度CL平衡的氧分压；C*：气相中氧分压P达平衡时的氧浓度；KG：以氧分压差为推动力总传质系数；KL：以氧浓度差为推动力总传质系数；,其中，kG或kL与KG或KL的关系，可根据亨利定律来求得，即：,根据式（51）有：,同样可以证明：,
7、由式(5-4)和(5-5)，有如下讨论：(1)易溶气体，H很小，则KGkG 。为气膜控制过程。(2)难溶气体。H很大，则KLkL 。为液膜控制过程。(3)氧为难溶气体，为液膜阻力(传质系数)控制，所以下面介绍氧传质方程。,三、氧传质方程式 采用体积溶氧系数或体积传质系数：KLa(或KGa)，据此氧传质(溶氧速率)方程可表示为：,发酵体系中，若供氧与好氧达到平衡，则有：,实际发酵体系中，这种平衡是暂时的。即体系中氧浓度是动态变化的，可表示：,KLa值高，表明罐的通气状况好（？） ，反之则差。,11-3 影响氧供给的因素 根据气液传质速率方程式：,可知：凡影响推动力(C*CL)或(pp* )、比表
8、面积a和传质系数KL的因素，都会影响氧传递速率。,一、影响推动力的因素1.温度 氧是气体，它在水中的溶解度随温度升高而降低。在常压、4-33内，纯水中氧的浓度CW*为：,2.电解质 盐析作用可降低氧的溶解。在电解质溶液中，有如下关系式：,：氧在水的溶解度；mol/M3 ：氧在电解质溶液中的溶解度; mol/M3 ：电解质溶液的浓度；kmol/M3K ：Sechenov常数；,存在几种电解质时，有：,3.非电解质 在非电解质溶氧中，氧的溶解度随溶质浓度增加而降低，其规律类似于电解质溶液：,：氧在非电解质溶液中的溶解度； ：非电解质中溶质的浓度或有机物浓度；,4.氧分压(1)增加罐压 提高罐压可提
9、高氧分压。(2)提高空气中氧的含量(富氧通气) a. 深冷分离 b. 吸附分离 c. 膜分离(3)提高H/D,二、影响KLa的因素 KLa是a与KL合并作为一个参数，实际中影响该参数的因素有：(一) 操作条件1.搅拌A.搅拌的作用：(1)打碎，防合并，增大气液接触面积；(2)产生涡流，螺旋，延长停留时间；(3)产生湍流，减厚度，降阻力；(4)均匀混合，利吸收和积累；主要形式有：,B.搅拌器(1)型式：旋桨式，轴向推动；涡轮式，径向推动，形成上下两个翻动；后者常被采用。多组时，上常为平桨式，下常为涡轮式；(2)转速n和直径d：影响溶氧水平和混合程度。PH搅Q搅n3d5，搅拌循环量Q搅nd3，H搅
10、n2d2；增加n对提高溶氧有利，增加d对均匀混合有利。,(3)间距(相对位置)：太大，产生搅拌死角；太小，相互干扰；因流体力学性质不同而有所差别，牛顿型:d=(3-4)D，非牛顿型:d 2D；(4)位置(距罐底的距离)：h太大，最底部液体难提升，造成局部缺氧。太小，造成功率损失。一般为：(0.8-1)d。(5)组数：确定与H/D有关，综合考虑溶氧和功率消耗等因素。,2.通气的影响,对特定发酵罐，、是定值。随 增加, 增加； 增加， 增加。影响、的因素可以影响KLa值，与罐的形状、结构有关，随罐径增加而降低。,通气表观线速度,(二)液体性质的影响(1)液体密度：(2)粘度：(3)表面张力：(4)
11、扩散系数DL： 综上所述，影响可归纳为：,(三)其它因素的影响(1)表面活性剂：定向排列；(2)离子强度：KLa比水大(见图1)；(3)细胞浓度：非牛顿型增加(见图2)；,溶质浓度(g/L),X,图1,图2,11-4 溶氧系数的测定,化学方法：亚硫酸盐氧化法,极谱法,电极法,取样,排气,一、亚硫酸盐氧化法1、作用原理： 利用SO32-在Cu2+或Mg2+催化下，能迅速被O2氧化为SO42-的特性来间接得到氧浓度的方法。其反应式：,A.氧化的特点：(1)反应恒定；(2)消耗溶解；,B.主要过程：(1)将配制好的Na2SO3和Cu2+离子置于发酵罐或三角瓶中;(2)通气、搅拌或摇瓶，2SO32-O
12、22SO42-。(3)某时刻，取样，+过量I2液。 2SO32-I22SO42-； 用标准Na2S2O3反滴定。记录体积数V1。 (2S2O32-I22S4O62-)，(4)间隔t后，重复测定，记录体积数V2。,两次测定，消耗的Na2S2O3体积差V=V2-V1，按一定关系体现为这段时间溶入的O2的量。 即有：,由此可得氧的平均溶解速率N ：,则溶氧系数Kd：,因为：溶液中氧浓度为零(一溶入即被消耗)。所以: p*=0,此法特点：(1)氧溶解速率与氧浓度无关，反应速度快，简单；(2)只能测定反应器中Na2SO3溶液的溶氧系数，不能真是反映发酵液状况；,二、极谱法,(一)取样极谱法 取出样品置入
13、极谱仪中，记下对应时刻的氧浓度CL。以CL对t作图，得如图所示的曲线。,时间(min),CL,C*,从图可以看出，曲线的斜率：,(此时只有耗氧，而无氧溶解),再根据体系处于平衡时来计算KLa：,取样极谱法的特点：(1)简单，快速；(2)在罐外测定，不是发酵状况，因而也存在一定误差；,(二)排气极谱法 也是一种非发酵状态下的测定方法。其方法是：(1)充氮气，赶出其中的氧；(2)通气和搅拌，测定溶氧浓度值。作图可得到下图：,时间t,CL,C*,在这种状态下有：,即：,积分后可得:,时间,斜率-KLa,此法特点： 省时，又能用于测定在非发酵状态下发酵设备的通气效率。工业测定需用大量的氮气，且难以代表
14、整个发酵液的特征。,三、复膜电极法 过程：发酵过程停止通气片刻，溶解氧因被生产菌利用而浓度降低。人为地制造一个不稳定的状态(溶氧和耗氧速率不平衡)，来求KLa。,不稳定状态时，发酵液中某时间间隔的溶氧量为：,CL,t,C1,C2,C,t1,t2,t3,A,B,其测定步骤为：停止对发酵罐供气，此时由于菌体的呼吸作用而使溶氧浓度直线下降。图中的直线AB的斜率即为所测的菌体呼吸率。该过程可用下式表达：,在B点重新开始供气使溶氧浓度开始增加，直至达到浓度为C。在这段时间中所观察到的溶氧浓度的增值BC，即为氧传递至溶液和被菌体呼吸后的差值，该过程可用下式表达：,经过几次同样的操作，得到几组不同的dC/d
15、t, 值，CL值。再以CL对 作图，得直线，其斜率为（1/KLa），外推得C*。,四、氧平衡法 在一定的时间间隔内直接测定传递至溶液中氧的量。此方法涉及到下列一些参数的测定：(1)发酵罐中发酵液体积的测定，L(V )；(2)进口和出口的空气体积流量的测定L/min (Qi和Q0)；(3)发酵器进出口的气体温度，K（Ti和T0）；(4)发酵器进出口氧的分压(pi和p0)。 然后，氧传递速率可由下式决定：,全部发酵中，单位时间的溶氧量是进出口气体中含氧量之差，即：,：进出口压力平均值,P气体的平均总压力，发酵罐平均高度处的压力。,参考书目(1)生物工艺学（上、下）俞俊棠，华东理工大学出版社，199
16、2.5(2)生化生产工艺学梅乐和等，科学出版社，1999.8,THE END,2008-4-22,宜宾学院生命科学与食品工程系,第九章 发酵产物的提取及精制概论,发酵产物的提取及精制概述发酵醪的预处理,2008-4-22,一、下游加工技术的重要性 1.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。 2.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占60%）。 3.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。,2008-4-22,几种产品在发酵液中的浓度 产品 典型浓度（g/L） 抗生素 25 氨基酸 100 酒精 100 有机酸 100 酶 20 蛋白质 10,2008-4-22,二、下游加工技术的特点 1. 发酵
17、液的复杂性造成分离上的困难性。 2. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。 3. 多为分批操作，各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定弹性。,2008-4-22,1 概述一、发酵产物的分类 从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致可分为三类 ：1、菌体：2、酶：3、代谢产物,2008-4-22,二、发酵产物提炼的步骤和方法影响提炼方法的因素1.产物类型不同，提取、精制的方法不同。 如：分离菌体胞内酶与代谢产物的方法明显不同；2.产物类型相同，但结构不同，提取精制方法不同。3.产物酸碱性、水溶性等不同，方法不同。,2008-4-22,如何着手对一种未知的发酵产品进行提取。(1)产品的类型，
18、性质的研究。可大致确定它是属于哪一类型；可了解它是一种成分还是几种成分的混合物。(2)稳定性研究。确定在哪一种条件下进行提取和精制不受破坏，即确定提取条件。,2008-4-22,发酵产物的提取和精制浓缩纯化，三个步骤：(1)预处理：改变发酵液物理性质。(2)提取：分离出目的物及其性质相似物。(3)精制：除去相似物，精炼目的。(4)后加工：使用要求决定。,2008-4-22,(1)常用提取方法：离子交换树脂法膜分离法凝胶层离法沉淀法吸附法溶媒萃取法(2)常用精制方法： 除了上述几种外，还含浓缩、结晶、干燥、蒸馏等。其方法的选择：取决于醪特性、菌种、产物性质。,2008-4-22,三提取精制过程中
19、要注意的问题：防变性和降解；防辅基流失；防醪中所需产物被分解或挥发；,2008-4-22,2发酵醪的预处理一、发酵醪的一般特征(1)水量大；(2)产物浓度低；(3)悬浮物以胶体状物(菌体，蛋白)为主；不利：a 不利于过滤。b 增加了提取精制等后工序的提取难度。,2008-4-22,(4)含有无机盐类、非蛋白质大分子杂质及其降解产物等。 (5)存在少量发酵副产物。(6)含其它有机杂质。,2008-4-22,二、醪预处理要求(1)菌体的分离 过滤或离心。 要求：控制周期；过滤时间。(2)固性物的去除 通过过滤处理，将固形杂质去除。,2008-4-22,(3)蛋白质的去除： 等电、变性凝固等(4)重
20、金属离子的除去： (5)其它有机杂质的去除：(6)改变醪的性质：(7)调节适当温度：,2008-4-22,三菌体的分离：(一)菌体与发酵醪的分离方法1.细菌和酵母,采用高速离心。(1)细菌(2)酵母：2.霉菌和放线菌，采用过滤,2008-4-22,(二)离心分离 原理：根据发酵液中的物质比重不同，在离心力场的作用下，将悬浮液中的固相和液相加以分离。(1)沉降式：管式蝶式离心机 (2)过滤式：多种形式分批、自动间隙或连续式,2008-4-22,1）碟式高速离心机结构与工作原理： 结构 倒锥形多孔碟片金属转鼓。工作原理： 中心进料，因固液比重不同，在碟片空间内由于离心力的作用，把醪分成固液两相。,
21、2008-4-22,2008-4-22,2）管式高速离心机工作原理： 下部进料，经档板分散于转筒底部，受离心力作用而上旋，轻液位于筒的中央螺旋向上移动，菌体则靠近筒壁，经分离盘时，轻液沿轻液孔进入集液槽。菌体位于转筒壁，停机的时候取出。,2008-4-22,管式分离机主要分为澄清型和分离型两种。澄清型： 难分离悬浮液的液固分离。分离型： 难分离的乳浊液(液液二相分离、液液固三相分离)。,2008-4-22,2008-4-22,(三)过滤1）影响过滤速度的因素（胶体物存在情况）：(1)培养基组成及利用程度。(2)发酵终点的判定是否正确。(3)菌种。,2008-4-22,2）提高过滤设备处理能力的
22、途径：（1）扩大设备尺寸，增加过滤面积。 增大设备规模（2）提高过滤速度（强化设备处理能力）,2008-4-22,提高过滤设备处理能力途径,提高过滤速度,物化方法,工艺措施,结构措施,悬浮液制备过程中,悬浮液制备后,造成大颗粒固形物,固形物颗粒凝固,减少固定膜厚度,添加助滤剂,保持适当的滤饼厚度,采取最大的允许过滤压力,控制适当的悬浮液浓度,固形物颗粒分级过滤,反向过滤,动态过滤,挤动过滤,电场与磁性过滤,自动化,扩大设备尺寸，增加过滤面积,2008-4-22,3）改善滤饼结构的物理化学方法具体措施：在制备悬浮液过程中或之后，造成大颗粒,2008-4-22,(1)酸化凝结法： 胶体体系的稳定性
23、与其带电荷有关。在某pH下，净电荷为0，溶解度最小(pH=pI)。 常用酸试剂：草酸、盐酸、硫酸及磷酸。 Fe2+金霉素+草酸草酸铁金霉素; Ca2+草酸草酸钙;,2008-4-22,(2)热处理法：热凝固法 加热使蛋白质凝固， 不适宜用于热敏感的发酵产品的生产中。,2008-4-22,(3)添加絮凝剂 胶体粒子间电荷相同而互斥而不聚沉。 利用絮凝剂（分子活性基团多，多点结合、长链线性结构、高电荷密度）特点而使胶体粒子沉淀。 常用的絮凝剂：聚丙烯酰胺PAM、含40000个PAM单体。,2008-4-22,(4)添加助滤剂： 能形成一层不可压缩的滤层，截留了悬浮杂质，隔离了细小、易压缩杂质与过滤
24、介质接触，以形成疏松滤饼。,2008-4-22,注意： a方法：预涂层，或醪中直接加入，或两法兼用。 b助滤剂种类、用量要恰当，是取得良好过滤效果的关键。,2008-4-22,(5)添加反应剂 添加能相互反应、或能和某些溶解盐类反应生成不溶解的沉淀的物质。 3CaCl2+2Na3PO4Ca3(PO4)2+6NaCl 关键在选择合适的反应剂,2008-4-22,(6)添加酶制剂 当醪中有不溶解的多糖存在时，加入能使其转化为单糖的酶制剂，改善粘度，对提高过滤速滤有帮助。,2008-4-22,4）工艺措施A 保持适当的滤饼厚度B 采取最大的允许过滤压力C 控制适当的悬浮物的浓度D 固形颗粒分级过滤,
25、2008-4-22,5）结构措施A 反向过滤B 动态过滤(过滤速度高，过滤介质截留的固体粒子连续地被除去，不能形成较厚滤饼层)。C 电场、磁场过滤。（两性物质）D 自动过滤,2008-4-22,6）过滤介质： 过滤单元上使用的过滤介质种类很多，按材料大致可分几个方面：(1)天然纤维和合成纤维滤布 帆布 绸绢 涤纶 尼龙布 玻璃纤维 选择时主要注意：不同纤维的物理、化学性能不同纹路：平纹、链纹,2008-4-22,(2)天然毛毡和合成滤毡 三维均匀纤维团，无粘结剂。用途广，能使涂层和滤饼的形成迅速均匀。(3)微孔纤维薄膜和金属薄膜：A：主要是醋酸纤维素，聚碳酸脂类；B：惰性金属合金为主；,200
26、8-4-22,(4)多孔陶瓷，金属陶瓷与烧结树脂再生能力好。(5)连孔型泡沫塑料与泡沫金属三维空间网状，空隙占97%。,2008-4-22,7）过滤设备,压力,重力,真空,离心,过滤设备,2008-4-22,四、不过滤提取 避免过滤过程的损失，常采用不过滤提取方法。 其主要优点有：工艺简单、强度小、卫生、占地少。,2008-4-22,五、细胞破碎由于有许多生化物质存在于细胞内部，必须在纯化以前将细胞破碎，使胞内物质释放到液相中，然后方可进行提取,2008-4-22,细胞结构细胞壁：,G+：G：,2008-4-22,细胞膜：细胞内：,2008-4-22,细胞破碎的方法：机械破碎：高压匀浆法珠磨破
27、碎法撞击法超声波法：利用频率高、波长短的超声波进行细胞破碎，效率更高,2008-4-22,化学和生化法碱处理： 加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种反应，包括使磷脂皂化 反应激烈，不具选择性，便宜化学试剂处理： 表面活性剂增溶，将体积为细胞体积2倍的某浓度的表面活性剂溶液加入到细胞中去，细胞破碎，离心分离除去细胞碎片，再用吸附柱或萃取剂分离制得产品。,2008-4-22,酶法：破坏细胞膜系统： 特点迅速破坏细胞壁 条件温和 具有选择性，不破坏细胞内的其它物质 酶的消耗限制了在大规模生产中的使用脂溶：在细胞悬浮液中加入一定量的有机溶剂，细胞壁脂质层吸收后，导致胞壁膨胀裂开，释放出细胞质中的物质。,2008-4-22,物理法渗透冲击：细胞膜系统强度较差，易受渗透压冲击而破碎将一定体积的细胞液加到2倍体积的水中，细胞中溶质浓度高，水不断进入细胞，使细胞膨胀破裂。冻结融化法（亦称冻融法）其它破碎方法,2008-4-22,目标产物的选择性释放：存在位置不同 释放速率不同 处理方法不同： 定点破碎 选择溶解,2008-4-22,柠檬酸提纯工艺,2008-4-22,参考书：新型实用过滤技术丁启圣 等，冶金工业出版社，2000.1,2008-4-22,宜宾学院生命科学与食品工程系,End,
