传氧与通气搅拌.
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《通气与搅拌》课件
磁力搅拌
优点是适用范围广，对于磁性物料的 混合效果好；缺点是对于非磁性物料 的混合效果不佳。
04
通气与搅拌的协同作用
通气对搅拌的影响
提高混合效率
通气能够增加搅拌过程中的气体含量 ，有助于提高液体的流动性，从而提 高混合效率。
降低能耗
促进化学反应
通气可以提供足够的氧气或其它气体 ，促进化学反应的进行。
搅拌
搅拌的基本原理是利用机械或流体动力方式使液体产生流动。通过搅拌器的作用，可以产生各种流型和流速分布 ，使液体中的各组分混合均匀。同时，搅拌还可以促进液体中的传热和传质过程，提高生产效率和产品质量。
02
通气技术
通气技术的种类
01
02
03
机械通气
通过机械装置产生气流， 使患者气道通畅，改善呼 吸功能。
磁力搅拌
利用磁场作用使物料进行均匀 混合，适用于磁性物料的混合
。
搅拌技术的原理
机械搅拌
通过搅拌桨或搅拌器对物料进 行机械作用，使物料产生相对 运动，从而达到混合均匀的目
的。
气流搅拌
利用气体流动产生的动能，使 物料在容器内形成循环流动， 从而达到混合均匀的目的。
超声波搅拌
利用超声波的振动能量使物料 内部的分子产生振动，从而使 物料混合均匀。
搅拌
搅拌是指通过机械或流体动力方式，使液体内部产生流动，促进液体中各组分 混合均匀的操作。搅拌可以应用于各种工业生产过程中，如食品加工、制药、 化工等。
通气与搅拌在工业生产中的应用
通气
在发酵工业中，通气是实现微生物生长 和代谢的重要手段。通过向发酵液中通 入无菌空气，供给微生物所需的氧气， 促进微生物的生长和代谢，从而生产出 各种发酵产品。此外，在化学反应中， 通气操作可以促进反应物之间的混合和 传质，提高反应速率和产物收率。
第七章通气与搅拌
3、发酵液理化性质的影响 4、泡沫的影响 5、空气分布器形式 （多数采用多孔环形鼓泡器） 6、发酵罐结构的影响 （增加发酵罐的高度，提高氧的溶解度）
第四节 CL、r和Kla的测定
一、CL的测定 1、化学法
2、溶氧电极
极谱型(阴极)：
O2+2H++2e →H2O2
原电池型(阴极)：
O2+2H2O+4e → 4OH-
第一节 工业发酵过程中对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量 1、比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位 体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2· g菌-1· h-1 2、微生物摄氧率(r)：单位重量的干菌体每小时消耗的 氧量。mmol O2· L-1· h-1 。 r= QO2 .X
QO2
CCr
溶氧浓度。
CL
CCr（C临界）: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低
临界溶氧浓度
牛顿型培养液：如细菌和酵母菌C临界不受培养条 件的的影响 非牛顿型培养液C临界受培养条件的的影响
在次级代谢产物发酵过程中，C长临和C合临随 菌株的生理特性而变化情况的3种情况 1、C长临=C合临 2、C长临＞C合临 3、C长临＜C合临
第三节发酵液的流变学
一、微生物发酵的发酵液是由三个体系组成 第一体系液相 第二体系固相 第三体系气相
二、液流类型（粘度不同，流动速度不同）
牛顿型流体
按粘度大小分 非牛顿型流体
T剪应力：液体流动过程中两层薄层流体之 间滑动时，产生的剪切应力。
第四节、供氧的调节
Nv Kl a(c * c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和C*来调节 其中C*＝P/H
第四章、搅拌和溶氧
根据亨利定律：P＝HC* ;
在式中， (C*—C) 是可以测定的， C)是可以测定的 在式中 ， (C* C) 是可以测定的 ， 但是由于界面面 积不能测量， 积不能测量， 每单位界面上每小时的传氧量仍然不 能测量。 能测量。若在式两边各乘以单位体积培养液中气液 两相的总接触面积α则得： 两相的总接触面积α则得： Nv＝ (C*—C) Nv＝kLα(C* C) 式中，Nv一体积溶氧速率; kLα以(C*—C)为推动力 式中，Nv一体积溶氧速率; (C* C)为推动力 一体积溶氧速率 C) 的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数； 的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数；α一单位体 积培养液中气液两相的总接触面积。 积培养液中气液两相的总接触面积。
二、双膜理论与传氧方程式
（—）氧溶解过程的双膜理论 ） 双膜理论基本论点是： 双膜理论基本论点是： 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面， 1、 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面 ， 在界面的两旁具有两层稳定的薄膜， 在界面的两旁具有两层稳定的薄膜 ， 即气泡一侧 存在着一层气膜， 液体一侧存在着一层液膜。 在 存在着一层气膜 ， 液体一侧存在着一层液膜 。 任何流体动力学条件下， 任何流体动力学条件下 ， 气膜内的气体分子和液 膜中的液体分子都处于滞( 流状态， 膜中的液体分子都处于滞 ( 层 ) 流状态 ， 分子间无 对流运动． 因而氧气分子只能以扩散方式， 对流运动 ． 因而氧气分子只能以扩散方式 ， 即借 浓度差而透过双膜。 浓度差而透过双膜。
由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量 由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量： Pi和浓度Ci均无法测量： (P—P*) (C*—C) C)； N＝KG(P P*) ＝KL(C* C)； 式中， 以氧分压为总推动力的总传质系数； 式中，KG以氧分压为总推动力的总传质系数； KL 一 以氧浓度差为总推动力的总传质系数；P*一与液相 以氧浓度差为总推动力的总传质系数； P*一与液相 主体中氧浓度C 相平衡的氧分压； C*一与气相主体 主体中氧浓度 C 相平衡的氧分压 ； C* 一与气相主体 中氧分压P相平衡的氧浓度。 中氧分压P相平衡的氧浓度。
3第三章通气与搅拌
• 要求计算Pg
(1)计算ReM ReM= ρ D2N/ μ =5.25× 104 (2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7 (3)计算P0 P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦） (4)计算Pg
Pg 2.25(
2 3 P0 ND 0.08
Q
)
0.39
10
3
6.55(千瓦)
１、轴功率 是指搅拌器以既定的速度旋转时，用 以克服介质的阻力所需的功率。 2、发酵罐通气条件下的搅拌功率与 不通气条件下的搅拌功率的关系通 常是（ ） A 小于 B 大于 C 等于 D 无关
（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型
在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套简，
可以大大加强循环输送效果，并能将液面
的泡沫从套简的上部入口，抽吸到液体之 有这种中心套筒的机械搅拌罐。
中，具有自消泡能力。伍氏发酵罐就是具
二、搅拌器轴功率的计算
• 搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅 拌器以既定的速度旋转时，用以克服 介质的阻力所需的功率，简称轴功率。 它不包括机械传动的摩擦所消耗的功 率，因此它不是电动机的轴功率或耗 用功率。
3、通气液体机械搅拌功率的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入于通气 液体的搅拌功率比不通气液体的低 这可以解释为：通气使液体的重度降低。 • 功率的降低，不仅与液体平均重度的 降低有关，而且主要取决于涡轮周围 气液接触的状况。
迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散 于液体中，测量其输出功率，在 双对数坐标上将Pg标绘成涡轮直 径D，转速，空气流量Q和P0的函 数，得出以下关系式：
2、挡板
• 挡板的作用是： ①防止液面中央产生漩涡； ②促使液体激烈翻动，增加溶解； ③改变液流的方向，由径向流改为 轴向流
生物反应工程原理
生物反应工程原理一、引言生物反应工程是以生物学和化学工程学为基础，运用工程原理和技术手段，研究利用生物体（包括细胞、酶、微生物等）进行化学反应和转化的工程学科。
它在生物技术、制药工程、环境工程等领域有着广泛的应用。
本文将从反应选择、生物反应器设计和反应控制三个方面介绍生物反应工程的原理。
二、反应选择在生物反应工程中，反应物的选择是至关重要的。
一方面，反应物的性质需要与生物体相适应，以保证反应的高效进行。
另一方面，反应物的选择也要考虑到反应的经济性和可持续性。
例如，选择可再生的原料可以降低生产成本，选择可降解的废物可以减少环境污染。
三、生物反应器设计生物反应器是生物反应工程中的核心设备，其设计目标是实现高效的反应转化和产物收集。
在生物反应器设计中，需要考虑以下几个关键因素：1. 温度控制：合适的温度可以提高反应速率和产物选择性。
通过控制反应器的加热和冷却系统，可以实现温度的精确控制。
2. 氧气供应：氧气是生物反应的重要底物，对于需氧反应来说，氧气供应的充足性对反应效果至关重要。
通过搅拌和气体通气系统的设计，可以保证氧气的有效传递和溶解。
3. pH控制：pH值对于许多生物反应有着重要影响。
通过添加酸碱或使用缓冲溶液，可以调节反应体系的pH值，以满足生物体的生长和反应要求。
4. 搅拌和传质：搅拌可以提高反应物和生物体之间的接触效率，促进反应的进行。
传质过程对于反应物的扩散和生物体的营养供应也至关重要。
因此，在生物反应器设计中，需要考虑搅拌方式和传质特性。
四、反应控制反应控制是生物反应工程中的关键环节，它涉及到反应速率的调节、产物选择性的控制以及废物处理等问题。
常用的反应控制策略包括：1. 反应物浓度控制：通过控制反应物的供给速率，可以实现反应速率的调节。
例如，在微生物发酵过程中，可以通过控制底物浓度来调节产物的生成速率。
2. 温度控制：温度的调节可以影响酶的活性和微生物的生长速率，从而控制反应速率和产物选择性。
次级代谢产物
青霉素的生物合成的调控
生物合成的调控： 1、碳源调控 青霉素的生物合成在很大程度上受葡萄糖和蔗糖及在较 小程度上受麦芽糖、果糖、甘露糖等其他糖的调控，而不受 乳糖调控。研究表明，葡萄糖能被菌体迅速利用而有利于菌 体生长，但抑制青霉素合成，而被缓慢利用的乳糖，却是产 生青霉素的最好碳源。乳糖是有葡萄糖和半乳糖所组成的双 糖，并不是合成青霉素的特殊前体，所以乳糖比葡萄糖优越 的主要原因是乳糖被缓慢水解成单糖的速度正好符合产黄青 霉生产期合成青霉素的需要，而不会产生很高浓度的分解产 物来抑制青霉素的合成，因此，碳源的缓慢利用时大量合成 青霉素的关键。
造福人类的青霉素
青霉素G
青霉素V
青霉素是指分子中含有青霉烷，能破坏细菌的细 胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素。 青霉素又被称为青霉素G、peillin G、 盘尼西林、 配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青 霉素钾。
按其特点可分为 ：
青霉素G类：如青霉素G钾、青霉素G钠、长效西林等。 青霉素V类：(别名：苯氧甲基青霉素、6-苯氧乙酰胺基青霉 烷酸) 如青霉素V钾等（包括有多种剂型）。 耐酶青霉素：如苯唑青霉素(新青Ⅱ号)、氯唑青霉素等。 广谱青霉素：如氨苄青霉素、羟氨苄青霉素等。 抗绿脓杆菌的广谱青霉素：如羧苄青霉素、氧哌嗪青霉素、 呋苄青霉素等。 氮咪青霉素：如美西林及其酯匹美西林等，其特点为较耐酶， 对某些阴性杆菌(如大肠、克雷伯氏和沙门氏菌) 有效，但对绿脓杆菌效差。
操作变量
发酵罐容积 装料率 搅拌输入功率 通气率 空气压力（表压）
工艺控制点 操作变量
150~200m3 约80% 3~4kW/m3 40~60Nm3/(m３＊h) 0.2MPa 发酵温度 发酵液pH 初始菌体浓度 补料液中葡萄糖浓度 葡萄糖补加率 发酵液中铵氮浓度 发酵液中苯乙酸浓度 发酵时间
通风发酵
第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转 数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。 不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系 由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C
四川大学发酵作业答案2
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1、影响微生物需氧的因素有哪些？ 如何调节摇瓶发酵的供氧水平？如何调节 影响微生物需氧的因素有哪些？ 如何调节摇瓶发酵的供氧水平？ 通气搅拌发酵罐的供氧水平？ 通气搅拌发酵罐的供氧水平？
用。其缺点是效率不高，对黏度较大的流态型泡沫几乎没有作用，也不能消除引起泡沫稳定 的根本原因，所以仅作为消沫的辅助方法。 （二）消沫剂消沫：因为形成泡沫的因素很多．所以选择消沫剂的作用机制也是多样的，消 沫剂一般是采用表面活性物质。 当泡沫的表面存在有极性表面活性物质形成的双电层时， 另 一种极性相反的表面活性物质的加人，可以中和电性，破坏泡沫的稳定性，使泡沫破碎。或 者加入更强极性的物质与发泡剂争夺泡沫表面上的空间， 而引起力的不平衡， 并使液膜的机 械强度降低，促使泡沫破碎。当泡沫的液膜具有较大的黏度时，可加入某些分了内聚力小的 物质，以降低液膜的表面黏度，使液膜的液体流失，导致泡沫破碎。
6、泡沫的控制方法可分哪两大类？请简述之。 泡沫的控制方法可分哪两大类？请简述之。
答：控制泡沫的方法主要包括机械消沫和消沫剂消沫两大类。 （一）机械消沫是利用物理作用，靠机械的强烈振动或压力的变化促使泡沫破碎。 机械消沫的方法有多种， 一种是在罐内将泡沫消除， 最简单的是在搅拌轴的上部安装消沫桨， 当消沫桨随着搅拌轴转动时，将泡沫打碎。另一种是将泡沫引出罐外．通过喷嘴的加速作用 或利用离心力消除泡沫后，液体再返回罐内。 机械消沫的优点是不需要引人外来物质，可 节省原材料，减少杂菌污染的机会，也可以减少培养液性质的变化，对提取工艺无任何副作
答： （一）影响微生物需氧的因素：不同的微生物对于氧的需求不同，供氧不足，会抑制好 氧微生物的生长代谢。 而兼性微生物如酵母、 乳酸菌在无氧情况下， 也能通过酵解获得能量。 对绝对厌氧微生物来说氧则是一种毒害。 （1）微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干重)在单位时间内消耗氧的量，即比耗氧速 率(或呼吸强度)来表示。 各种微生物的呼吸强度是不同的， 并且呼吸强度是随着培养液中溶 解氧浓度的增加而加强。 （2）细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，随着细胞浓度的迅速增加，摄氧率也迅速增高， 在对数生长期的后期达到峰值。 （3）培养基的成分和浓度显著地影响微生物的摄氧率，在发酵过程中若进行补料或加糖， 可使微生物的摄氧率为之增加。 （4）微生物呼吸强度的临界值还与一些培养条件如 pH 值、温度等有关。在一定范围内，温 度越高，营养成分越多，临界值也相应增高。 （5）有毒物质的形成和积累如 NH3、CO2 等，如不能及时从培养液中排出，也会抑制微生物 的呼吸。此外，挥发性中间物如糖代谢中挥发性有机酸，因大量通气而引起损失，会影响微 生物的呼吸。 （二）摇瓶发酵供氧水平的调节：调节 KLa（供氧系数）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。 影响摇瓶 KLa 的因素：装液量和摇瓶机的种类装液量，一般取 1/10 左右，因此可以调节两者 比例调节摇瓶发酵的供氧水平。 （三）通气搅拌发酵罐供氧水平的调节。在通气发酵罐中，全挡板条件下： （1）理论上：提高搅拌，调节 KLa 的效果显著 （2）实际上：对于转速的调节有时是有限度的。通风的增加也是有限的，蒸发量大，中间 挥发性代谢产物带走。 （3）小型发酵罐和大型发酵罐调节 KLa 的特点：小型发酵罐，转速可调；大型发酵罐，转速 往往不可调。 因此调节通气搅拌发酵罐的供氧水平可以通过： （1）改变搅拌速度 搅拌器可以从多方面改善通气效率，对物质传递的作用包括：可将通 入培养液的空气打散成细小的气泡，防止小气泡的凝集，从而增大气液相的有效接触面积； 使液体形成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；增加液体的湍动程度，减少气泡外滞流液 膜的厚度，从而减小传递过程的阻力；使培养液中的成分均匀分布。对于没有搅拌器的通气 发酵罐，则是利用空气带动液体运动，产生搅拌作用。 （2）改变通气速率 在通气培养中，空气为微生物提供氧气外，还能带走发酵废气。实际 上通气量的影响是有一定限度的， 如果超过这一限度． 搅拌器就不能有效地将空气泡分散到 液体中，而在大量空气泡中空转，发生“过载”现象。此时叶轮不能分散空气．气流形成大 的气泡，沿轴的周围逸出。当气流流量超过过载速度后，这时搅拌功率会大大下降，KLa 也 不能再提高。 （3）改变培养液的理化性质 在发酵过程中、微生物自身的生长繁殖和代谢可引起发酵液 的性质，如密度、黏度、表面张力、扩散系数等的不断变化．这些性质的变化都会影响氧的 传递效率值。 （4）改变气体组分中的氧分压 用通入纯氧的方法来改变空气中氧的含量。 （5）加入氧载体 氧载体一般是不溶于发酵液的液体，呈乳化状态来提高汽液相之间的传 递，也就是说在汽液间起到氧传递的促进作用。常用的氧载体有：①血红蛋白；②烃类碳氢
1、影响微生物需氧的因素有哪些？ 如何调节摇瓶发酵的供氧水平？如何调节 影响微生物需氧的因素有哪些？ 如何调节摇瓶发酵的供氧水平？ 通气搅拌发酵罐的供氧水平？ 通气搅拌发酵罐的供氧水平？
用。其缺点是效率不高，对黏度较大的流态型泡沫几乎没有作用，也不能消除引起泡沫稳定 的根本原因，所以仅作为消沫的辅助方法。 （二）消沫剂消沫：因为形成泡沫的因素很多．所以选择消沫剂的作用机制也是多样的，消 沫剂一般是采用表面活性物质。 当泡沫的表面存在有极性表面活性物质形成的双电层时， 另 一种极性相反的表面活性物质的加人，可以中和电性，破坏泡沫的稳定性，使泡沫破碎。或 者加入更强极性的物质与发泡剂争夺泡沫表面上的空间， 而引起力的不平衡， 并使液膜的机 械强度降低，促使泡沫破碎。当泡沫的液膜具有较大的黏度时，可加入某些分了内聚力小的 物质，以降低液膜的表面黏度，使液膜的液体流失，导致泡沫破碎。
6、泡沫的控制方法可分哪两大类？请简述之。 泡沫的控制方法可分哪两大类？请简述之。
答：控制泡沫的方法主要包括机械消沫和消沫剂消沫两大类。 （一）机械消沫是利用物理作用，靠机械的强烈振动或压力的变化促使泡沫破碎。 机械消沫的方法有多种， 一种是在罐内将泡沫消除， 最简单的是在搅拌轴的上部安装消沫桨， 当消沫桨随着搅拌轴转动时，将泡沫打碎。另一种是将泡沫引出罐外．通过喷嘴的加速作用 或利用离心力消除泡沫后，液体再返回罐内。 机械消沫的优点是不需要引人外来物质，可 节省原材料，减少杂菌污染的机会，也可以减少培养液性质的变化，对提取工艺无任何副作
答： （一）影响微生物需氧的因素：不同的微生物对于氧的需求不同，供氧不足，会抑制好 氧微生物的生长代谢。 而兼性微生物如酵母、 乳酸菌在无氧情况下， 也能通过酵解获得能量。 对绝对厌氧微生物来说氧则是一种毒害。 （1）微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干重)在单位时间内消耗氧的量，即比耗氧速 率(或呼吸强度)来表示。 各种微生物的呼吸强度是不同的， 并且呼吸强度是随着培养液中溶 解氧浓度的增加而加强。 （2）细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，随着细胞浓度的迅速增加，摄氧率也迅速增高， 在对数生长期的后期达到峰值。 （3）培养基的成分和浓度显著地影响微生物的摄氧率，在发酵过程中若进行补料或加糖， 可使微生物的摄氧率为之增加。 （4）微生物呼吸强度的临界值还与一些培养条件如 pH 值、温度等有关。在一定范围内，温 度越高，营养成分越多，临界值也相应增高。 （5）有毒物质的形成和积累如 NH3、CO2 等，如不能及时从培养液中排出，也会抑制微生物 的呼吸。此外，挥发性中间物如糖代谢中挥发性有机酸，因大量通气而引起损失，会影响微 生物的呼吸。 （二）摇瓶发酵供氧水平的调节：调节 KLa（供氧系数）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。 影响摇瓶 KLa 的因素：装液量和摇瓶机的种类装液量，一般取 1/10 左右，因此可以调节两者 比例调节摇瓶发酵的供氧水平。 （三）通气搅拌发酵罐供氧水平的调节。在通气发酵罐中，全挡板条件下： （1）理论上：提高搅拌，调节 KLa 的效果显著 （2）实际上：对于转速的调节有时是有限度的。通风的增加也是有限的，蒸发量大，中间 挥发性代谢产物带走。 （3）小型发酵罐和大型发酵罐调节 KLa 的特点：小型发酵罐，转速可调；大型发酵罐，转速 往往不可调。 因此调节通气搅拌发酵罐的供氧水平可以通过： （1）改变搅拌速度 搅拌器可以从多方面改善通气效率，对物质传递的作用包括：可将通 入培养液的空气打散成细小的气泡，防止小气泡的凝集，从而增大气液相的有效接触面积； 使液体形成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；增加液体的湍动程度，减少气泡外滞流液 膜的厚度，从而减小传递过程的阻力；使培养液中的成分均匀分布。对于没有搅拌器的通气 发酵罐，则是利用空气带动液体运动，产生搅拌作用。 （2）改变通气速率 在通气培养中，空气为微生物提供氧气外，还能带走发酵废气。实际 上通气量的影响是有一定限度的， 如果超过这一限度． 搅拌器就不能有效地将空气泡分散到 液体中，而在大量空气泡中空转，发生“过载”现象。此时叶轮不能分散空气．气流形成大 的气泡，沿轴的周围逸出。当气流流量超过过载速度后，这时搅拌功率会大大下降，KLa 也 不能再提高。 （3）改变培养液的理化性质 在发酵过程中、微生物自身的生长繁殖和代谢可引起发酵液 的性质，如密度、黏度、表面张力、扩散系数等的不断变化．这些性质的变化都会影响氧的 传递效率值。 （4）改变气体组分中的氧分压 用通入纯氧的方法来改变空气中氧的含量。 （5）加入氧载体 氧载体一般是不溶于发酵液的液体，呈乳化状态来提高汽液相之间的传 递，也就是说在汽液间起到氧传递的促进作用。常用的氧载体有：①血红蛋白；②烃类碳氢
第三章_通气与搅拌
发酵罐设计最关键的是搅拌器的选型。 对目前所有应用在发酵罐中的搅拌器均存在一个问题,即通气 操作与不通气操作功率消耗存在很大变化,通气操作时功率消 耗明显下降。因而按不通气操作设计就会造成一次性投资及 正常运行成本增加,额外还造成电网的功率因子降低。而按通 气功率设计有时会造成电机过载。 目前,研究开发在两种操作工况下功率变化小的搅拌器是搅拌 技术需要解决的一个问题。
组合式搅拌器 从上面的分析可以看出,径流式搅拌器的优势是气体分散能力 强,但是其功耗较大,作用范围小;而轴向流搅拌器的轴向混合性 能较好,功耗低,作用范围大,但是其对气体的控制能力弱。根据 气液混合的扩散机理,气液混合是通过主体对流扩散、涡流扩 散和分子扩散来实现的。大尺度的宏观循环流动称为主体流动, 由漩涡运动造成的局部范围内的扩散称为涡流扩散。其中,机 械搅拌作用能够强化的过程有主体对流扩散和涡流扩散。如果 将径向流搅拌器和轴向流搅拌器组合使用,利用径向流搅拌器 控制气体的分散,通过主体对流扩散和涡轮扩散实现较小范围 的充分的气液混合,然后再依靠轴向流搅拌器的主体对流作用 使全部液体周期性依次与气体混合,实现较大范围的气液混合。
种涡轮搅拌器产生的流型相似。圆盘平直叶、弯叶、箭叶涡 轮搅拌器与没有圆盘的搅拌器相比，二者搅拌特性相似，但 圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙 中上升，保证气泡更好的分散。另外没有圆盘的搅拌器受扭 力大，轴瓷易坏。
在传统的发酵罐中,经常使用的是Rushton 涡轮。Rushton 涡 轮是最典型的径向流搅拌器,其结构比较简单,通常是一个圆盘 上面带有六个直叶叶片,也称为六直叶圆盘涡轮。设置圆盘的 目的是为了防止气体未经分散直接从轴周围溢出液面。由于发 酵工业的发展初期,发酵罐的规模较小,Rushton涡轮在许多条 件下能够满足工艺的需要,同时其结构非常简单,容易加工制造, 所以其应用还是比较广泛的。
青霉素生产原理 Microsoft Word 文档
青霉素【生产原理】【天然青霉素】青霉素G生产可分为菌种发酵和提取精制两个步骤。
①菌种发酵：将产黄青霉菌接种到固体培养基上，在25℃下培养7～10天，即可得青霉菌孢子培养物。
用无菌水将孢子制成悬浮液接种到种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空；气、搅拌，在27℃下培养24～28h，然后将种子培养液接种到发酵罐已灭菌的含有苯乙酸前体的培养基中，通入无菌空气，搅拌，在27℃下培养7天。
在发酵过程中需补入苯乙酸前体及适量的培养基。
②提取精制：将青霉素发酵液冷却，过滤。
滤液在pH2～2.5的条件下，于萃取机内用醋酸丁酯进行多级逆流萃取，得到丁酯萃取液，转入pH7.0～7.2的缓冲液中，然后再转入丁酯中，将此丁酯萃取液经活性炭脱色，加入成盐剂，经共沸蒸馏即可得青霉素G钾盐。
青霉素G钠盐是将青霉素G钾盐通过离子交换树脂（钠型）而制得。
【半合成青霉素】以6APA为中间体与多种化学合成有机酸进行酰化反应，可制得各种类型的半合成青霉素。
6APA是利用微生物产生的青霉素酰化酶裂解青霉素G或V而得到。
酶反应一般在40～50℃、pH8～10的条件下进行；近年来，酶固相化技术已应用于6APA生产，简化了裂解工艺过程。
6APA也可从青霉素G用化学法来裂解制得，但成本较高。
侧链的引入系将相应的有机酸先用氯化剂制成酰氯，然后根据酰氯的稳定性在水或有机溶剂中，以无机或有机碱为缩合剂，与6APA进行酰化反应。
缩合反应也可以在裂解液中直接进行而不需分离出6APA。
青霉素【生产工艺简述】青霉素的生产分成发酵工艺和提炼工艺过程。
其中，青霉素发酵过程是属于二次微生物代谢的过程,所获得的是下一级代谢的产物,即菌种在一定条件下(培养基、温度、pH、通气搅拌等)进行培养发酵,经过下一级代谢得到生成物青霉素,此环节是在发酵罐中进行的,最终是微生物分泌大量的抗生素。
为了保证发酵过程正常进行,需对一些物理、化学、生理参数进行检测和控制。
检测的物理参数有罐温、罐压、冷却水流量及进出口温度;化学参数有尾气中O2含量、CO2含量、罐内溶解氧、pH 值等;生理参数有菌丝浓度、基液质浓度、代谢产物浓度等,由于传感器及检测元件等原因,目前生理参数还不能直接在线测量,只能采用模型进行在线推算或离线化验分析。
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第四章 传氧与通气搅拌
2018/8/10
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教学时数：6学时
教学目的与要求：要求学生了解溶氧理论及意义KLa
和溶氧速率的调控，掌握影响传氧速率的因素及溶
氧系数的测定。
教学重点：影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定
教学难点：KLa和溶氧速率的调控
2018/8/10
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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、KLa和溶氧速率的调控
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。
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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
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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。
-1
: 微生物的比生长速率(h )
m : 最大比生长素率（h ）
-1
C：溶氧浓度（mmol/l) K O 2 : 氧饱和常数（mmol/l)
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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
（6-6）
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3、比耗氧速率与溶氧浓度的关系
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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 / O 2
(Qo2 )0
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（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 。
r 1 dc Qo2 ( ) X X dt
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h)
（6-3）
QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h)
X ——菌体浓度（g/l)
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。
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二、微生物的有氧呼吸
1、比生长速率和氧浓度的关系
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。
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各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即 临界氧浓度C临是不同的。
Байду номын сангаас
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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
氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作“耗氧”
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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。
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：
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1 dX C m X dt KO 2 C
X ：菌体浓度(g/l) t：时间（h)
（6-1）
持在微生物的临界氧浓度以上。
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2、比耗氧速率与氧浓度的关系 （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 Qo2 X dt
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h)
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一、 概述
1、生化反应器通气与搅拌有两个目的: ①使发酵液充分混合，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。
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
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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。
X ——菌体浓度（g/l)
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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。
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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 溶解度比在水中更小，就必须采用强化供氧。
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教学时数：6学时
教学目的与要求：要求学生了解溶氧理论及意义KLa
和溶氧速率的调控，掌握影响传氧速率的因素及溶
氧系数的测定。
教学重点：影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定
教学难点：KLa和溶氧速率的调控
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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、KLa和溶氧速率的调控
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。
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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
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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。
-1
: 微生物的比生长速率(h )
m : 最大比生长素率（h ）
-1
C：溶氧浓度（mmol/l) K O 2 : 氧饱和常数（mmol/l)
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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
（6-6）
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3、比耗氧速率与溶氧浓度的关系
2018/8/10 22
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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 / O 2
(Qo2 )0
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（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 。
r 1 dc Qo2 ( ) X X dt
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h)
（6-3）
QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h)
X ——菌体浓度（g/l)
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。
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二、微生物的有氧呼吸
1、比生长速率和氧浓度的关系
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。
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各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即 临界氧浓度C临是不同的。
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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
氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作“耗氧”
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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。
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：
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1 dX C m X dt KO 2 C
X ：菌体浓度(g/l) t：时间（h)
（6-1）
持在微生物的临界氧浓度以上。
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2、比耗氧速率与氧浓度的关系 （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 Qo2 X dt
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h)
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一、 概述
1、生化反应器通气与搅拌有两个目的: ①使发酵液充分混合，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。
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
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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。
X ——菌体浓度（g/l)
2018/8/10 19
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。
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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 溶解度比在水中更小，就必须采用强化供氧。