Chapter4通氣與攪拌（aerationandagitation）本章內容:攪拌器與攪拌功率通氣發酵罐中溶氧

速率與通氣攪拌的關系一、學習目的與要求要求學生了解液體通氣攪拌反應器的攪拌槳葉類型，掌握攪拌器軸功率計算方法（包括通氣狀態和不通氣狀態），以及熟悉非牛頓流體的攪拌器軸功率的計算。二、考核知識點與考核目標1、重點（1）概念：軸功率、功率準數Np、通氣準數Na（識記）（2）攪拌器軸功率計算（應用）2、次重點非牛頓流體的攪拌器軸功率的計算（理解）3、一般：通氣攪拌反應器的攪拌槳葉類型（識記）第一節攪拌器與攪拌功率一、攪拌器的型式及流型二、攪拌器軸功率計算三、非牛頓流體特性四十年代中期，青霉素的工業化生產，或深層通風培養技術的出現，標志近代通風發酵工業的開始。在深層通風培養技術中，發酵罐是關鍵設備。在發酵罐中，微生物在適當的環境中進行生長、新陳代謝和形成發酵產物。發酵罐內部視圖機械攪拌通風在生物工程工廠中得到廣泛使用，無論是用微生物作為生物催化劑，還是有酶或動植物細胞(或組織)作生物催化劑的生物工程工廠都有。據不完全統計，它占了發酵總數的70％-80％，故又常稱之為通用式發酵。一、攪拌器的型式及流型

攪拌器的主要作用是混合和傳質，即使通入的空氣分散成氣泡并與發酵液充分混合，氣泡細碎以增大氣—液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細胞懸浮分散于發酵體系中，以維持適當的氣—液—固(細胞)三相的混合與質量傳遞，同時強化傳熱過程。為實現這些目的，攪拌器的設計應使發酵液有足夠的徑向流動和適度的軸向運動。

Question:

1、下列哪個氣泡的單位體積表面積最大（）A．直徑1mm的氣泡B．直徑2mm的氣泡C．直徑3mm的氣泡D．直徑4mm的氣泡2.下列氣泡的單位體積表面積最小的是（）

A．直徑1mm的氣泡B．直徑2mm的氣泡C．直徑3mm的氣泡D．直徑4mm的氣泡1、攪拌器的型式徑向軸向（1）徑向流型攪拌器

蝸輪式：蝸輪式攪拌器具有結構簡單、傳遞能量高、溶氧速率高等優點，但其不足之處是軸向混合較差，且其攪拌強度隨著與攪拌軸距離增大而減弱，故當培養液較黏稠時則攪拌與混合效果大大下降。

圓盤蝸輪攪拌器從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小？平葉渦輪彎葉渦輪箭葉渦輪①平直葉型:徑向流強烈、循環輸送量大、輸出功率大、剪切速率大、混合較好②彎葉型：輸出功率較低、剪切速率較低、徑向流較強烈③箭葉型：輸出功率和剪切速率更低，具有一定的軸向流④新型凹葉型：液-氣體系中氣體分散能力高，輸出功率最低帶圓盤的渦輪式攪拌器與不帶圓盤的渦輪式攪拌器相比，有什么優點？

圓盤可以使上升的氣泡受到阻礙，只能從圓盤中央流至其邊緣，從而被圓盤周邊的攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數。葉片數：Howmany?3—8個，一般為6個。（2）軸向流型攪拌器

螺旋槳式攪拌器（推進式攪拌器）軸向流型攪拌器可增強罐內物料循環、增加罐內的溶解氧、縮短發酵周期、提高產能以及降低能耗。產生的剪率較低，對氣泡的分散效果不好葉片一般3片，V﹤25m/s軸向流型攪拌器推進式攪拌器軸向流型攪拌器將罐內液體向前或向后推進（或向下或向上推進），使流體形成螺旋狀運動的圓柱流，它的混合效果較好，對液體的切剪作用較小。

徑向流型攪拌器和軸向流型攪拌器的結合國外實踐結果表明，在保持單罐產量一定的條件下，以三層攪拌器為例，最下層仍采用徑向型的渦輪攪拌器，其余兩層改用軸向流型攪拌器時，與三層均采用徑向流別攪拌器相比，功率消耗可降低15—30％。國內醫藥行業在50m3發酵罐內，上兩檔改裝軸流向型攪拌器，作土霉素發酵試驗表明，不但消耗功率下降，發酵指數也提高了近15％。

2、擋板

擋板的作用是：①防止液面中央產生漩渦；

②促使液體激烈翻動，增加溶解；

③改變液流的方向，由徑向流改為軸向流通常擋板寬度取（0.1-0.12）D，裝設4~6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。——是指罐內加了擋板使旋渦基本消失，或指達到消除液面旋渦的最低擋板條件。全擋板條件

必須滿足條件：D——罐的直徑（mm）n——擋板數b——擋板寬度（mm）還有哪些也可以起擋板作用?發酵罐熱交換用的豎立的列管、排管或蛇管也可起相應的擋板作用

1、全擋板條件：指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。or消除漩渦所需的最少擋板數.2.在標準的攪拌槽反應器中，擋板的直徑是（）

A．罐直徑的1/10一1/12B．罐直徑的1/3一1/4C.罐直徑的1/10一1/40D．只要小于槽直徑的1/2就可以3、在標準的攪拌槽反應器中，攪拌漿的直徑是（）A罐直徑的1/10—1/12B罐直徑的1/2—1/3C罐直徑的1/5—1/6D只要小于罐直徑就可以4.渦輪式攪拌器為什么中間安裝一圓盤？圓盤可以使上升的氣泡受到阻礙，只能從圓盤中央流至其邊緣，從而被圓盤周邊的攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數。虛擬發酵罐攪拌流型的仿真模擬實驗

觀察各種攪拌器的流型

3、攪拌器的流型流型

攪拌器在發酵罐中造成的流型，對氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有密切關系。攪拌器造成的流體流動型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內的附件及其安裝位置的影響。（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型罐中心垂直安裝的螺旋槳，在無擋板的情況下，在軸中心形成凹陷的旋渦。如在同一罐內安裝4~6塊擋板，液體的螺旋狀流受擋板折流，被迫向軸心方向流動，使旋渦消失。（2）渦輪式攪拌器的流型三種渦輪攪拌器的攪拌流型基本上相同，各在渦輪平面的上下兩側形成向上和向下的兩個翻騰。如不滿足全擋板條件，軸中心位置也有凹陷的旋渦。適當的安排冷卻排管，也可基本消除軸中心凹陷的旋渦。（3）裝有套筒時的攪拌器攪拌流型在罐內與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，可以大大加強循環輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，抽吸到液體之中，具有自消泡能力。伍氏發酵罐就是具有這種中心套筒的機械攪拌罐。二、攪拌器軸功率的計算攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉時，用以克服介質的阻力所需的功率，簡稱軸功率。它不包括機械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機的軸功率或耗用功率。發酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關系。牛頓型流體：發酵液的黏度只是液體溫度的函數。非牛頓型流體：發酵液的黏度不僅是溫度的函數，還取決于攪拌槳轉動時在被攪拌液體中產生的剪切速率。1.牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函數？（

）A.液體密度B.溫度C.pHD.剪應速率2.牛頓流體特性是（）

A．粘度不隨功率輸入改變B.粘度隨功率輸人增大而變大

C．粘度隨功率輸入增大而變小

D.根據牛頓流體的類型，粘度隨功率物人增大而變大或變小1、單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算一個具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素：葉輪和罐的相對尺寸攪拌器的轉速流體的性質擋板的尺寸和數目通過因次分析，全擋板條件下，得：

式中P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（W）

ρ：液體的密度（kg/m3）

μ：液體的粘度（N.s/m2）

D：渦輪直徑（m）

N：渦輪轉數（r/s）

K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態

是一個無因次數，可定義為功率準數NP。該準數表征著機械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。式中ω：渦輪線速度

a：加速度

V：液體體積

m：液體質量攪拌功率準數NP的求解

攪拌功率準數NP是攪拌雷諾數ReM的函數ReM＞104，達到充分湍流之后，ReM增加，攪拌功率P0雖然將隨之增大，但NP保持不變，即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數，此時

P0=NPD5N3ρ

1.對于圓盤六箭葉渦輪，培養對象為牛頓型流體，攪拌功率計算的功率準數Np等于3.7的條件為（

）A．全擋板條件B．ReM≥104

C．ReM≤104D．液體湍流E．液體滯留湍流和滯留湍流：也稱紊流，其特征是流體在流動時，流體的質點有劇烈的騷擾渦動，一層滑過一層的粘性流動情況基本消失，只是靠近管壁處還保留滯留的形態。湍流時，靠近管壁一定距離的流體流速逐步增大，接近管中央相當范圍內的流體流速接近最大流速；管內流體的平均流速為管中央最大流速的0.8左右。滯留：也稱層流，其特征是當流體在圓管中作滯留流動時，流體的質點作一層滑過一層的位移，層與層之間沒有明顯的干擾。各層間分子只因擴散而移動。流體的流速沿斷面按拋物線分布；緊靠管壁的流體流速等于零，管中央的流速最大，管中流體的平均流速為最大流速的1/2。2、多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算相同轉速下，多只渦輪比單只渦輪輸出更多功率：渦輪只數+渦輪間距：兩只渦輪形成的液流互不干擾，P=2P0兩只渦輪形成的液流重疊：P﹤2P0使用多個渦輪時，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D；對牛頓型流體可取2.5~3.0D；靜液面至上渦輪的距離可取0.5~2D；下渦輪至罐底的距離C可取0.5~1.0D。符合上述條件的發酵罐，用經驗公式計算或實測結果都表明，多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功率乘以渦輪的個數。3、通氣液體機械攪拌功率的計算同一攪拌器在相等的轉速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。功率的降低，不僅與液體平均重度的降低有關，而且主要取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，在雙對數坐標上將Pg標繪成渦輪直徑D，轉速，空氣流量Q和P0的函數，得出以下關系式：福田秀雄在100升至42000升的系列設備里，對邁凱爾關系式進行了校正，得

將多組實驗數據分別標出，與實測的對應的Pg在雙對數坐標上標繪。

圖中的直線斜率為0.39，截距為2.4×10-3由此得出邁凱爾的修正關系式

計算舉例某細菌醪發酵罐罐直徑T＝1.8(米)圓盤六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內裝四塊標準擋板攪拌器轉速N＝168轉／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內狀態的流量)罐壓P＝1.5絕對大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求計算Pg(1)計算ReMReM=ρD2N/μ=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)計算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)計算Pg１、軸功率是指攪拌器以既定的速度旋轉時，用以克服介質的阻力所需的功率。2、發酵罐通氣條件下的攪拌功率與不通氣條件下的攪拌功率的關系通常是（）A小于B大于C等于D無關３.某細菌醪發酵罐：罐直徑1.8m，液位高度1.8m，裝配單只圓盤六彎葉渦輪，直徑0.60m，罐內裝四塊擋板，攪拌器轉速１８０r/min，VVM為1.0（已換算為罐內狀態的流量），發酵罐的裝填系數為０．７，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ＝1020kg/m3。請根據Michel修正式計算Pg。六計算題1.某細菌醪發酵罐：罐直徑D=1.8m，圓盤六彎葉渦輪直徑d=0.60m，液位高度HL=1.8m，一只渦輪，罐內裝四塊擋板，攪拌器轉速168r/min，VVM為1.0（已換算為罐內狀態的流量），醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3，請根據Michel修正式計算Pg2.今有一發酵罐，內徑2m，裝液高度3m，安裝一六彎葉渦論式攪拌器，攪拌器直徑0.7m，轉數為150r/min，設發酵液密度為1050kg/m3，粘度為1N·S/m2，試求攪拌器所需功率大小。3.與上題相同條件下，若在發酵罐中通入空氣量為6m3/min，（操作狀態下），試求通氣時所需攪拌功率。

解：（1）已知此細菌醪為牛頓型流體。對于六彎葉渦輪漿，Np=4.7(2分)（2）P0=NpD5N3ρ（1分）

P0=4.7×0.65×（168/60）3×1020（2分）

=8183（W）=8.183kW(1分)（3）發酵液體積VL=3.14/4×1.82×1.8=4.58(m3),通氣比VVM為1.0，所以Qg=4.58m3/min(2分)(2分)

Pg=2.25×10-3×(8.1832×168×603÷45800000.08)0.39=6.38kW(2分)某細菌醪發酵罐：罐直徑D=1.8m，圓盤六彎葉渦輪直徑d＝0.60m，液位高度HL=1.8m，一只渦輪，罐內裝四塊擋板，攪拌器轉速168r/min，VVM為1.0（已換算為罐內狀態的流量），醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ＝1020kg/m3。請根據Michel修正式計算Pg。

3、非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響牛頓型流體的主要特征就是其粘度μ只是溫度的函數，與流動狀態無關。非牛頓型流體的粘度μ不僅是溫度的函數，而且隨流動狀態而異。一般，用水解糖液、糖蜜等原料做成的培養基的屬于牛頓型流體。直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度的細菌或酵母菌醪液接近于牛頓型流體。霉菌及放線菌醪液均屬于非牛頓型流體。牛頓型流體：服從牛頓粘性定律的流體。非牛頓型流體：不遵循牛頓粘性定律的流體。1為牛頓流體，黏度為常數，不隨剪切速率的改變而改變2、3、4為非牛頓流體，黏度隨流體的流動狀態改變而改變，其中2為擬塑性流體，黏度隨剪切速率的增大而減小，4為膨脹性流體，黏度隨剪切速率增大而增大，3為彬漢塑性流體，τ小于τy時流體不流動，大于τy時為牛頓流體對于牛頓流體，剪切應力與剪切速率之比為常數，稱為牛頓粘度，對于非牛頓流體，剪切應力與剪切速率之比隨剪切應力而變化，所得的粘度稱在相應剪切應力下的“表觀粘度”。塑料屬于后一種情況。

幾種典型的非牛頓流體比較擬塑性流體：主要流變特征是其黏度隨dω/dγ(剪應速率)的升高而降低；彬漢塑性流體：主要流變特征是τ≤τy,

液層間的dω/dγ=0，τ＞τy，黏度與dω/dγ無關；膨脹性流體：主要流變特征是其黏度隨dω/dγ的增大而升高。四種流體可用下面公式統一表示：牛頓流體：n=1，K=μ為常數彬漢塑性：n=1，K=μp為常數擬塑性流體：n<1,n愈小，擬塑性愈強；膨脹性流體：n>1，n愈大，膨脹性愈強在攪拌罐中用同一攪拌速度攪拌液體時，剪應速率的分布是不同的。所謂某一攪拌速率時的剪應速率指的是剪應速率的平均值。非牛頓型流體攪拌軸功率的計算與牛頓型流體攪拌軸功率的計算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關系，然后才能計算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據實驗繪出其NP~ReM曲線。根據米茲納大量實驗數據的證明，牛頓型流體與非牛頓型液體的NP~ReM曲線的差別僅存在于ReM

＝10~300區間之內。如果為了近似的計算，不要求較高的準確度，那么的非牛頓型液體的NP~ReM曲線也可以不要實際標繪。可以用牛頓型流體的NP~ReM曲線代替非牛頓型液體的NP~ReM曲線。非牛頓流體攪拌軸功率的計算：A：確定發酵罐的幾何尺寸和攪拌轉數N。B：用（dw/dr）平均=KN計算（dw/dr）平均。C：測定一定溫度下，菌體生長最旺盛時的液體流變性特征曲線，查即定轉數時的顯示粘度。D：取小罐實驗數據繪制Np~Rem曲線。E：對與小罐幾何相似的大罐，按牛頓流體方法計算Po，再計算Pg。只要避開Rem=10~300區間，可以用牛頓流體的Np~Rem曲線代替擬塑性流體的Np~Rem曲線。1、非牛頓性流體的黏度性質（）Ａ黏度不隨流體狀態改變Ｂ黏度隨流體狀態改變Ｃ和理想氣體相似Ｄ和水的相似2.牛頓流體特性是（）

A.粘度不隨功率輸入改變

B.粘度隨功率輸入增大而變大

C.粘度隨功率輸入增大而變小

D.根據牛頓流體的類型，粘度隨功率的增大而變大或變小3.攪拌轉速升高，流體的粘度變大。則該流體為（）

A．牛頓流體B．擬塑性流休

C．膨脹性流體D．彬漢塑性流體4.對于擬塑性流體，下列說法正確的是（）

A．n<1，n越小，擬塑性越強

B．n<1，n越小，擬塑性越弱

C．n>1，n越大，擬塑性越強

D．n>1，n越大，擬塑性越弱5、牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函數？（）

A液體密度B溫度

CpHD剪應速率6、對于膨脹性流體，下列說法正確的是（）An﹤1，n越大，膨脹性越強Bn﹤1，n越大，膨脹性越弱Cn﹥1，n越大，膨脹性越強Dn﹥1，n越大，膨脹性越弱7、什么是非牛頓性流體？幾種典型的非牛頓流體的流變學特性是什么？表觀粘度如何定義？答：牛頓流體是指在任意小的外力作用下即能流動的流體，并且流動的速度梯度(D)與所加的切應力(τ)的大小成正比，這種流體就叫做牛頓流體。牛頓流體的流變方程是：τ＝ηD

符合牛頓流體定律的流體稱為牛頓型流體，不符合牛頓流體定律的流體稱為非牛頓流體

8、當發酵液為非牛頓性流體時，說明發酵罐攪拌功率的計算方法。（15’模擬題）A：確定發酵罐的幾何尺寸和攪拌轉數N。B：用（dw/dr）平均=KN計算（dw/dr）平均。C：測定一定溫度下，菌體生長最旺盛時的液體流變性特征曲線，查即定轉數時的顯示粘度。D：取小罐實驗數據繪制Np~Rem曲線。E：對與小罐幾何相似的大罐，按牛頓流體方法計算Po，再計算Pg。只要避開Rem=10~300區間，可以用牛頓流體的Np~Rem曲線代替擬塑性流體的Np~Rem曲線。8、非牛頓型流體的攪拌功率如何計算？

非牛頓型流體攪拌軸功率的計算與牛頓型流體攪拌軸功率的計算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關系，然后才能計算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據實驗繪出其NP~ReM曲線。1.牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函數？（

）A.液體密度B.溫度C.pHD.剪應速率2.提高轉速可提高（）A.C*B.速度C.培養基黏度D.軸功率3.發酵罐通氣條件下的攪拌功率與不通氣條件下的攪拌功率的關系通常是（

）A小于B大于C等于D無關4.牛頓流體特性是（

）A．粘度不隨功率輸入改變B.粘度隨功率輸人增大而變大C．粘度隨功率輸入增大而變小D.根據牛頓流體的類型，粘度隨功率物人增大而變大或變小5.攪拌轉速升高，流體的粘度變大。則該流體為（）

A．牛頓流體B．擬塑性流休C．膨脹性流體D．彬漢塑性流體6.對于擬塑性流體，下列說法正確的是（）A．n<1，n越小，擬塑性越強B．n<1，n越小，擬塑性越弱C．n>1，n越大，擬塑性越強D．n>1，n越大，擬塑性越弱7.在標準的攪拌槽反應器中，擋板的直徑是（

）A．罐直徑的1/10一1/12B．罐直徑的1/3一1/4C．罐直徑的1/10一1/40D．只要小于槽直徑的1/2就可以8.非牛頓流體的粘度性質是（

）

A．粘度不隨流體狀態改變B.粘度隨流體狀態改變C．和理想氣體的相似D.和水的相似9.攪拌轉速升高，流體的粘度降低。則該流體為（

）

A．牛頓流體B．擬塑性流休

C．膨脹性流體D．彬漢塑性流體10.在標準的攪拌槽反應器中，攪拌漿的直徑是（

）A.罐直徑的1/10—1/12B.罐直徑的1/2—1/3C.罐直徑的1/5—1/6D.大于槽直徑的一半11.進行好氧微生物培養的過程中，反應器首選的混合模式是（

）

A．層流B．瞬變流C．湍流D．平流12.攪拌轉速增大，流體的粘度變小，則該流體為（）

A.牛頓流體B.擬塑性流體

C.膨脹性流體C.彬漢塑性流體13.對于擬塑性流體，下列說法正確的是（）

A．n<1，n越小，擬塑性越強

B．n<1，n越小，擬塑性越弱C．n>1，n越大，擬塑性越強D．n>1，n越大，擬塑性越弱14、攪拌反應器中擋板的功能是（）A.擋板防止湍流在攪拌反應器中出現B.擋板在低攪拌轉速下出現湍流C.擋板可以使在裝有徑向攪拌器的反應器中產生軸向流D.擋板在高攪拌轉速下出現湍流15.Pg的含義（）A.無通氣時發酵罐表壓B.通氣時發酵罐表壓C.無通氣時攪拌軸功率C.通氣時攪拌軸功率16.某發酵液的流變特征符合模型，數據分析表明K為0.031—0.174，n為0.8015—0.9653，此發酵液屬于（）A.牛頓流體B.擬塑性流體C.漲塑性流體D.彬漢塑性流體17.能夠產生徑向流的攪拌槳有（）A.翼型槳B.三葉式螺旋槳C.圓盤平直葉窩輪槳D.圓盤彎葉窩輪槳E.圓盤箭葉窩輪槳第二節通氣發酵罐中溶氧

速率與通氣攪拌的關系——氧的供需一、學習目的與要求要求學生掌握細胞對氧的需求，培養過程中的氧傳遞，影響供氧的因素，溶解氧、攝氧率和kLa的測定方法。二、考核知識點與考核目標1、重點（1）概念：比耗氧速率，攝氧率，臨界氧濃度，氧的傳遞通量，雙膜理論，體積溶氧速率，體積溶氧系數（識記）（2）影響供氧的因素（理解）（3）攝氧率和kLa的測定（理解）

2、次重點培養過程中的氧傳遞（識記）

3、一般：（1）溶解氧對細胞生長的影響（識記）（2）溶解氧對發酵代謝產物生成的影響（識記）調節溶解氧的主要方法調節通氣量：調節氧氣分壓；調節氣液接觸時間：調節氣液接觸面積：改變培養基的性質：另外：發酵液中加入適量的“氧載體”——不溶于水，有很強的溶氧能力。“生物工程溶氧”IntroductionSupplyingoxygentoaerobiccellshasalwaysrepresentedasignificantchallengetofermentationtechnologists.Theproblemderivesfromthefactthatoxygenispoorlysolubleinwater.ThesolubilityofSucroseis600g.l-1.oxygenat4°Cinpurewaterisonly8mg.l-1.Satisfyingoxygendemandscanoftenconstitutealargeproportionoftheoperatingandcapitalofaindustrialscalefermentationsystem.一、雙膜理論（two-filmtheory）1.雙膜理論的基本前提：（1）氣泡和液體之間存在界面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處于層流狀態，氧分子只能借濃度差以擴散方式透過雙膜，氣體和液體主流空間中任一點的氧分子濃度相同。（2）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強與溶于液體中的氧的濃度處于平衡關系。（3）傳質過程處于穩定狀態，傳質途徑上各點的氧濃度不隨時間而變。pAcA

pA,i

cA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳質方向圖雙膜理論示意圖溶質A在氣相中的分壓溶質A在液相中的摩爾濃度2.傳氧速率方程

氣膜的傳氧推動力為（P-Pi），液膜推動力為（Ci-C），通過兩膜的氧傳遞速率N應相等

N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)

N---------傳氧速率（kmol/m2·h）

kG--------氣膜傳質系數（kmol/m2·h·atm)

kL--------液膜傳質系數（m/h）或（kmol/m2h)×(m3/kmol)

P--------氣相主流中氧的分壓(atm)

Pi-------氣液界面上的氧分壓(atm)

C--------液相主流中氧的濃度（kmol/m3）

Ci-------氣液界面上氧的平衡濃度（kmol/m3）亨利定律：與溶解濃度相平衡的理想氣體的分壓與該氣體所溶解的分子濃度成正比：P=HC*P*=HCH-----------亨利常數，它表示氣體溶解于液體的難易程度，H越大表征該氣體越難溶。氧是很難溶于水的氣體，所以H很大。因此KL≈kL。說明此過程液膜阻力是主要控制因素。N=KL(C*-C)≈kL(C*-C)在式子兩邊各乘以單位體積培養液中氣液兩相的總的接觸面積a(m2/m3)則得：Nv=KLa(C*-C)=kLa(C*-C)Nv---------體積溶氧速率（kmol/m3·h）KLa或kLa------以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數，簡稱體積溶氧系數（1/h）a---------單位體積培養液中氣液兩相的總接觸面積（m2/m3）由于Nv每立方米液體每小時的溶氧量，是可以實際測量的，加上(C*-C)也是可知的，故可算出kLa。3.影響傳氧速率的因素攪拌（比表面積、氣液接觸時間）空氣流速空氣分布管氧分壓（（C*-C）或（P-P*），）發酵罐內液柱的高度（H/D=2~3

）罐容（發酵罐體積大的氧利用率高）發酵液的性質（黏度、表面張力、離子濃度）溫度（溫度增高能提高kLa

）泡沫和消泡劑二.溶氧系數及其測定

1.溶氧系數常見的形式kLa-----以濃度差為推動力的體積溶氧系數(1/h)kGa-----以氧分壓差為推動力的溶氧系數（mol/ml·h·atm)kd------亞硫酸鹽氧化值（mol/ml·min·atm)Kv------與kd相同，但單位表示不同(kmol/m3·h·atm)上述四種表示形式中，除kLa是以濃度差為推動力外，其他三種表示形式都是以壓力差為推動力。2.體積氧傳遞系數KLa的測定

亞硫酸鹽氧化法動態法氧衡算法取樣極譜法排氣法2.1亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法的原理和實驗程序用Cu2+為催化劑，溶解在水中的O2能立即將水中的SO32-氧化成為SO42-，使溶液中溶氧的濃度為零，即C=0在亞硫酸鹽氧化法中規定C*=0.21mmol/L。（1）原理利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時被氧迅速氧化的特性來估計發酵設備的通氣效果。

當亞硫酸鹽濃度為0.018～0.47mol/L，溫度20～45℃之間時，與氧反應的速度幾乎不變，用碘量法測定未經氧化的亞硫酸鈉，便可根據亞硫酸鈉的氧化量來求得氧的溶解量。反應原理：剩余的亞硫酸根與過量的碘反應：再用Na2S2O3滴定剩余的碘：剩余的亞硫酸根與過量的碘反應（2）.操作

①將一定溫度（20～45℃）的自來水加入實驗罐，加入化學純的Na2SO3晶體，使亞硫酸根約為1M，再加化學純的CuSO4晶體，使Cu2+濃度約為10-9M，待完全溶解后，開閥通氣，空氣閥一開就接近預定流量。當氣泡從噴管中冒出的同時，立即計時,氧化時間控制在5～20min.（3）計算方法:N：體積溶氧系數C：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時間間隔P：發酵罐的罐壓S：取樣量NV：體積溶氧速率N：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時間間隔P：發酵罐的罐壓（P=1atm）V：硫代硫酸鈉取樣量由：Nv=kLa(C*-C)所以:優點：氧溶解和亞硫酸鹽濃度無關，反應速度快，不需要特殊儀器缺點：影響因素多，工作容積只能在4～80L以內測定才比較可靠2

、動態法動態法測量KLa是利用溶氧電極進行的，測量的是真實發酵液的KLa值。原理：利用非穩態時，溶氧濃度的變化速率等于溶入的氧濃度和耗氧濃度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）-QO2X重排列上式：C=-1/KLa（dc/dt+QO2X）+C將非穩態時溶氧濃度C對（dc/dt+QO2X）作圖，可得一直線，此直線的斜率值即為-1/KLa。采用的方法是：A：停止通氣，使發酵罐中的溶氧濃度下降。B：恢復通氣（在溶氧濃度降到臨界溶氧濃度之前恢復通氣）。3、氧衡算法

原理：通過氧的衡算，直接測定溶氧速率。在培養過程中，供氧和耗氧速率平衡時，液相氧的濃度不變。OTR——氧的傳遞速率,mol/(m3.s)；Q1、Q0——分別為進、出空氣流量,m3/s；p1、p0——分別為進、出口空氣壓力,Pa；y1、y2——分別為進、出口空氣氧的分子分數；T1、T0——分別為進、出口空氣溫度,K；R——為通用氣體常數,8.314J/(mol.K)；V——為培養液體積，m3.4、取樣極譜法

原理：當電壓為0.6~1.0V時，其擴散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。操作：將從發酵罐中取出的樣品置入極譜儀的電池中，并記下隨時間而下降的發酵液中的氧濃度CL的數值KLa=Qo2X/C*-CL=斜率/C*-CLC*

驅出溶解氧，開始通氣后，在被測定的發酵罐中用氮氣定時取樣，用極譜儀測出溶氧濃度dc/dt=KLa(C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa×t+常數KLa＝－2.303×斜率5、排氣法C*建立KLa與設備參數及操作變數之間關系式的重要性在于生物反應器的比擬放大。三.kLa與設備參數及操作變數之間的關系影響生物反應器傳氧系數大小的因素有操作變數、培養液物性及反應器結構等三部分。其中操作變數包括溫度、壓力、通風量和攪拌功率等四個因素；培養液物性包括黏度、密度、表面張力、氧在液相中擴散系數和溶解度等五個因素，取決于培養基組成、培養液濃度、發酵類型和操作條件（即溫度、壓力）等因素。而反應器結構方面包括的因素更多，如生化反應器型式、機械攪拌型式或液體循環裝置型式、反應器各部分尺寸比例及空氣分布裝置等。Richard公式：kLa=k’(Pg/V)0.4·Vs0.5·n0.5Pg/V---------單位體積發酵液所輸入的攪拌功率（kw/m3）Vs-----------反應器內空截面空氣流速（m/h)n------------攪拌轉速（r/h）k’-----------設備的形狀系數從式中可知，增加攪拌器轉速n以提高輸入功率Pg，增加通氣量以提高Vs都可以增加kLa值。但當通氣量超出一定范圍時，Pg將隨之下降，甚至導致kLa下降。此時必須相應提高n才能維持kLa的上升趨勢。但隨n的增加，攪拌器槳葉尖端剪切速率相應增加，因而對培養物生理活性的危害也相應增加。此關系式只適用于牛頓型流體，不適用于非牛頓流體。1、機械攪拌罐KLa=f(d,n,ωg，DL，μL，ρL,σ,g)σ——液體表面張力，N/m；ωg——氣體流速，m/s。2、氣升環流式罐

工作原理：借空氣噴嘴的作用而使空氣氣泡分割細碎，與上升管的發酵液密切接觸。由于上升管內的發酵液輕，加上壓縮空氣的噴流動能，因此使上升管的液體上升，罐內液體下降而進入上升管，形成反復的循環，供給發酵液所耗的溶解氣量。KLa=f[(Ug)r,(UL)r,Dr,T,HL,μ，ρ,σ,d,g]

(Ug)r——升液管空截面氣流速度（m/s）；(UL)r——升液管空截面液流速度（m/s

）；Dr——升液管直徑（m）；T——反應器外直徑（m）；HL——反應器內液面高（m）；μ——液體黏度（N.s/m2）；ρ——液體密度(kg/m3)；σ——界面表面張力(N/m)；d——O2在液相中的擴散系數(m2/s)；g——重力加速度（m/s2）。氣液雙噴射氣升環流反應器

多層空氣分布板的氣升環流發酵罐氣升環流式反應器具有外循環冷卻的氣升環流式發酵罐

1一發酵罐2一通氣管

3一發酵液進口

4一空氣分布器5一空氣進口6一循環泵

7一發酵液出口8一熱交換器9一噴嘴

10一發酵液出口12一排氣管實驗用氣升式玻璃發酵罐

BIOTECH實驗用氣升式發酵罐體積達3000m3，液柱高達55m，發酵液2100m3。英國伯明翰ICI公司的壓力循環發酵罐

典型的氣升環流發酵罐(一)有效體積高達8000—20000m3

廢水處理反應器

典型的氣升環流發酵罐(二)四.Kla和溶氧速率的調控

（1）增加攪拌器轉速N，以提高Pg，可以有效的提高KLa。（2）加大通氣量Q，以提高Vs。（3）為提高Nv，除了提高kLa之外，提高C*也是可行的方法之一。在空氣中通入純氧，或在可能時提高罐內操作壓力，均可使C*增高，從而提高了氧的傳遞推動力。（4）高徑比調節。（5）絲狀真菌的繁殖導致發酵液粘度的急劇上升和kLa的急劇下降。（6）向發酵液中添加少量的水不溶另一液相。傳氧效率單位溶解氧功耗kLa值的大小是評價生化反應器的重要指標，但不是唯一指標。一個性能良好的反應器不僅應具有較高的溶氧系數kLa值，而且其能量消耗是最低的。作為評價通氣生化反應器的另一個重要指標是單位溶解氧功耗，即溶解1kg或1kmolO2所需要的功率，它反映該反應器傳氧效率的高低。1、增加生物反應器的高度能加快氧傳遞速率是因為（B）A．減小了反應器中飽和氧濃度B．增加反應器中氧分壓C．減小氣體的停頓D．加快氣體傳輸2、較高的溫度如何影響氧的傳遞（A）A.增加kLa但是C0＊降低B.kLa降低但是C0＊增加C.kLa和C0＊增加D．kLa和C0＊降低3、可以增加通氣體系的氧傳遞速率的方式有（ＣＤＥ）Ａ增加營養物質Ｂ升高體系溫度Ｃ增加攪拌轉速Ｄ增加通氣量Ｅ對發酵液進行適當稀釋4、提高通氣量可提高（Ｄ）

AC*B軸功率C培養基黏度D溶氧濃度5、在什么情況下液體培養的好氧微生物生長只受到氧的影響（Ａ）A溶解氧小于臨界濃度B溶解氧濃度大于臨界濃度C溶解氧濃度大于氧的飽和濃度D溶解氧濃度處于臨界濃度和飽和濃度之間6、攝氧率：耗氧速率單位時間單位體積內的耗氧量(mmol/L.h)7、簡述雙膜理論的基本前提答：（1）氣泡和液體之間存在界面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處于層流狀態，氧分子只能借濃度差以擴散方式透過雙膜。（２）氣體和液體主流空間中任一點的氧分子濃度相同。（３）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強與溶于液體中的氧的濃度處于平衡關系。（４）傳質過程處于穩定狀態，傳質途徑上各點的氧濃度不隨時間而變。8、依據氣液傳遞速率方程，論述影響供氧的因素。答：Nv=kLa(C*-C)即影響KLa和(c*-c)的因素攪拌空氣流速空氣分布管氧分壓發酵罐內液柱的高度罐容發酵液的性質（黏度、表面張力、離子濃度）溫度（溫度增高能提高kLa

）泡沫和消泡劑9.體積溶氧傳遞系數：液膜傳質系數與單位體積培養液中氣液兩相的總的接觸面積a的乘積。或以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數。或ｋＬａ是發酵罐傳氧速率大小的表示。10.簡述攪拌對氣液傳遞速率的影響。答：形成小氣泡，增大比表面積液體渦流運動，增加氣液接觸時間料液湍流運動，促進傳質使菌體分散，避免結團11.試述用動態法測定發酵體系KLa的原理和方法答：動態法測量Kla是利用溶氧電極進行的，測量的是真實發酵液的Kla值。原理：利用非穩態時，溶氧濃度的變化速率等于溶入的氧濃度和耗氧濃度之差，即：dc/dt=Kla（C*-C）-QO2X重排列上式：C=-1/Kla（dc/dt+QO2X）+C將非穩態時溶氧濃度C對（dc/dt+QO2X）作圖，可得一直線，此直線的斜率值即為-1/Kla。采用的方法是：A：停止通氣，使發酵罐中的溶氧濃度下降。B：恢復通氣（在溶氧濃度降到臨界溶氧濃度之前恢復通氣）。12.概述亞硫酸鈉氧化法測定Kla的原理

13、提高發酵液中氧傳遞速率的主要途徑是什么？從提高Kla的角度可采用：A：增加攪拌轉數N，以提高Pg。B：增大通氣量Q，以提高空截面氣速Vs。C：N和Q同時增加。從提高傳質推動力角度可采用：E：提高罐壓F：通入純氧簡答、論述題1.概述亞硫酸鈉氧化法測定Kla的原理。2.簡述攪拌對氣液傳遞速率的影響。3.試述用動態法測定發酵體系KLa的原理和方法。4.雙膜理論的基本論點是什么？什么是液膜控制？什么是氣膜控制？5.氧衡算法測量Kla的原理。6.不通氣和通氣條件下發酵罐的攪拌器軸功率的計算方法。7.調節生物反應器氧傳遞速率及Kla的途徑有那些？8.非牛頓型流體的攪拌功率如何計算？9.什么是臨界溶氧濃度？如何測定？是否所有的好氧培養過程都必需控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以上？10.提高發酵液中氧傳遞速率的主要途徑是什么？11.主要有哪幾種測量Kla的方法，說明它們的適用場合。1、什么是溶解氧?溶解氧是指溶解在水里氧的量,通常記作DO,用每升水里氧氣的毫克數表示在培養基中培養的細胞一般只能利用溶解氧.2、為什么要在發酵的過程中不斷地提供溶解氧?①生成ATP,需要溶解氧②氧,是難溶于水的氣體,在通常的情況下,培養基中的氧并不多,很快用完.350C,溶解度為7.1mg/L,只能維持15—20秒，溶氧隨溫度升高而下降3、如何實現不斷供氧?

通無菌空氣(壓縮空氣)

從發酵罐的底部的通風管導入無菌空氣.4、什么是溶解氧控制,及如何控制?①什么是溶解氧控制?根據細胞對溶解氧的需要量,連續不斷地進行補充,使培養基中的溶解氧的量保持恒定.②耗氧速率:攝氧率γ（OUR;OxygenUtilizationRatio），單位時間單位體積內的耗氧量(mmol/L.h)γ=Qo2X

Qo2－呼吸強度（比耗氧速率）:單位細胞量（每個或每克干細胞）在單位時間內的耗氧量（mmol/h.g干細胞）

X－細胞濃度:單位體積中細胞的量（個／L或克干細胞／L）③什么是溶氧速率？定義：單位體積的發酵液在單位時間內所溶解的氧量（mmol/L.h)．用OTR表示．影響因素：通氣量，氧氣分壓，氣液接觸時間，氣液接觸面積，培養基的性質．如：在西藏，氧氣分壓低．培養基的性質，如黏度、氣泡、溫度。臨界溶氧濃度

滿足微生物呼吸的發酵液中最低溶氧濃度。或微生物的比耗氧速率隨溶氧濃度的增加而升高，當溶解氧增加到一定值時，比耗氧速率不再增加，這時的溶氧濃度稱為臨界溶氧濃度。

（在臨界溶氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降

）呼吸強度與溶解氧的關系測定方法將供氧充分的微生物培養體系停止通風，檢測培養系統的溶氧濃度變化情況，首先是溶氧濃度呈直線下降趨勢，下降到一定程度后，開始呈緩慢下降趨勢，溶氧濃度曲線拐點處的溶氧濃度值即為該微生物的臨界溶氧濃度。

某些微生物的臨界溶氧濃度

微生物名稱溫度/℃C臨界/(mol/L)大腸桿菌37.80.0082酵母菌34.80.0046米麴霉300.02橄欖型青霉菌300.009黏性賽氏桿菌310.015④如何進行溶解氧的控制？γ

＝OTR

，可滿足細胞生長和發酵。γ＜

OTR，浪費，有時還會抑制某些產物的生物合成．γ＞OTR，細胞所需的氧氣量不足，影響細胞生長繁殖、新陳代謝等．1、可以增加通氣體系的氧傳遞速率的方式有（ＣＤＥ）Ａ增加營養物質Ｂ升高體系溫度Ｃ增加攪拌轉速Ｄ增加通氣量Ｅ對發酵液進行適當稀釋2、攝氧率：耗氧速率單位時間單位體積內的耗氧量(mmol/L.h)3、在什么情況下液體培養的好氧微生物生長只受到氧的影響（Ａ）A溶解氧小于臨界濃度B溶解氧濃度大于臨界濃度C溶解氧濃度大于氧的飽和濃度D溶解氧濃度處于臨界濃度和飽和濃度之間2、溶氧的控制培養液中氧濃度的任何變化都是供需平衡的結果。調節發酵液中溶氧含量不外從供、需兩個方面去考慮。（1）供氧方程提高KLa(c*-cL)（2）需氧方程γ=Qo2X影響此方程的因素：養料的豐富程度溫度的影響（3）溶氧控制方法的比較習題：1、什么是細胞的比耗氧速率，什么是攝氧率，二者的關系如何？

答：耗氧速率:攝氧率γ（OUR;OxygenUtilizationRatio），單位時間單位體積內的耗氧量(mmol/L.h)γ=Qo2X

Qo2－呼吸強度（比耗氧速率）:單位細胞量（每個或每克干細胞）在單位時間內的耗氧量（mmol/h.g干細胞）

X－細胞濃度:單位體積中細胞的量（個／L或克干細胞／L）2、什么是臨界溶氧濃度？如何測定？是否所有的好氧培養過程都必需控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以上？答：微生物的比耗氧速率隨溶氧濃度的增加而升高，當溶解氧增加到一定值時，比耗氧速率不再增加，這時的溶氧濃度稱為臨界溶氧濃度。（3分）測法：將供氧充分的微生物培養體系停止通風，檢測培養系統的溶氧濃度變化情況，首先是溶氧濃度呈直線下降趨勢，下降到一定程度后，開始呈緩慢下降趨勢，溶氧濃度曲線拐點處的溶氧濃度值即為該微生物的臨界溶氧濃度。（3分）并非所有的好氧培養過程都需要控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以上，比如以丙酮酸為前體的苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸的發酵生產就應控制溶氧濃度在臨界溶氧濃度以下。

3、

什么是氧的滿足度4、雙膜理論的基本論點是什么？6、亞硫酸鹽氧化法測定Kla的原理。答：亞硫酸鈉氧化法測定Kla的原理為：利用亞硫酸根在銅或鎂離子等作為催化劑時被氧迅速氧化的特性，在非培養情況下測定發酵罐的氧傳遞系數，進而估計發酵設備的通氣效率。該法在發酵罐中加入含有銅離子或鎂離子作