氧的供需与传递
发酵工程第五章氧的供需与传递
李 先 磊
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三、控制发酵液中溶解氧的意义
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
1. 溶解氧
2. 饱和度
3. 控制溶解氧的意义
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4）液流阻力（1/k4; 1/KLB）：液体主流中传递的阻力；也 与发酵液的成分和浓度有关。
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发 酵 工 程
Fermentation Engineering ◇
供氧方面
由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/k3 或 1/KL ）是氧溶于水时的限制因素。 良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少 1/k3、1/k4，加速氧的传递。
Fermentation Engineering
在好氧深层发酵中，氧气的供应往往成为发酵过
程是否成功的重要限制因素之一。 微生物只能利用溶解氧，故好氧发酵中必须采用 强化供氧。
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发 酵 工 程
Fermentation Engineering
微生物细胞对氧的需求 和溶解氧的控制
李 先 磊
传递到细胞内的呼吸酶位臵上而被利用，这个传 递过程分为供氧和耗氧两方面。 供氧：指空气中氧气从空气泡里通过气膜、气液 界面和液膜扩散到液体主流中； 耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、 细胞膜扩散到细胞内。 氧传递过程中要克服的阻力（分供氧和耗氧）
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1、供氧方面的阻力
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第一节
发 酵 工 程
发酵工程 第5章 氧的供需与传递
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，选取不同的供 氧条件：
★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再传 递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
氧的供需与传递
第二节 培养过程中的传质理论
一、供氧的实现形式
摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 需氧量小 发酵罐水平 搅拌缓和，通气缓和
表面通气，膜透析（扩散）
发酵罐 通无菌空气并搅拌
需氧量大
气升式
摇瓶水平：转速快，装量少
碳源种类对细胞比耗氧速率的影响
一般微生物细胞利用葡萄糖的速度比其它糖快， 因而在含葡萄糖的培养基中表现出较高的比耗 氧速率。在分批培养过程中，随着碳源的消耗， 成为限制性基质，细胞的呼吸强度下降。补入 碳源后，培养液的摄氧率往往有明显增加。
二、微生物对氧的需求
影响微生物需氧量的因素很多 r=Qo2·X
OTR 占主导地位，所以 γ↓
E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
细胞生长对比耗氧速率的影响
在分批培养过程中，在对数 生长初期，比耗氧速率达最 大值。但此时细胞浓度尚很 低，摄氧率并不高，随着细 胞浓度的迅速增高，培养液 的摄氧率也迅速增高，在对 数生长期的后期达到峰值。 对数生长阶段结束，比耗氧 速率下降，虽然此时细胞浓 度仍有增加但培养液的摄氧 率下降。最后因基质耗尽， 细胞自溶，摄氧率便迅速下 降。
0.045 g/L
氧在液体中的溶解特性
影响氧饱和浓度的主要因素
➢（2）溶液的性质
一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的 同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶 解度也不同。一般来说，溶质含量愈高，氧的 溶解度就越小
纯氧在不同溶液中的溶解度
25℃及1个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol O2/L)
6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O
5氧的供需与传递精品PPT课件
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耗氧方面
◇ 在耗氧方面的主要阻力是1/kA、1/kW。 ◇ 1/kR与微生物生长及代谢的条件有关，若生长条 件合适，代谢产物能及时移去，则1/kR就会减少，否 则就会增大。
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氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程 中需克服的 总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：
3）菌丝丛或细胞团内的扩散阻力（1/kA）
与微生物的种类、生理特性状态有关。
4）细胞壁的阻力（1/kW）：
与微生物的生理特性有关。
5）细胞内反应阻力（1/kR）：
与微生物的种类、生理特性有关。
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供氧方面
◇ 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/kL ） 是氧溶于水时的限制因素。 ◇ 良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少
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▪若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
▪ no2=KG(P-P*)=KL(C*-CL)
KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数，mol (m2 s Pa) KL —以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/s P*—与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，Pa C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3
二、气液相间的氧传递和氧传质方程
气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化
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传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速 率相等，则单位接触界面氧的传递速率为 ：
nO2
推动力 阻力
P Pi 1 kG
Ci CL 1 kL
nO2—单位接触界面的氧传递速率，kmolO2 (m2 h) P、Pi—气相中和气、液界面处氧的分压，MPa CL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度，kmol m3 kG—气膜传质系数，kmol (m2 h MPa) kL—液膜传质系数，m/h
氧的供需与
实际培养过程中， 不需使培养液中的溶氧浓度接近或达到其饱和值， 而是超过或 接近某一临界溶氧浓度 (Ccr ) ，一般来说，微生物的临界溶氧浓度 (Ccr ) 大约为培养 液饱和溶氧浓度的 1%～25%。表 6-10 列举于一些微生物的临界溶氧浓度。
4、培养条件
• 一般来说，温度愈高，培养基成分愈丰富， 微生物的呼吸强度愈高。当pH为最适pH时， 微生物的需氧量最大。
（三）影响KL的因素
在通气搅拌的反应器中 KL 取决于细胞大小和气泡附近的流体力学性质，氧传递 的主要阻力为气泡周围的液膜阻力，而氧的扩散系数是影响氧传递的主要因素。 当气泡直径 DP＜2.5mm 时，氧的传递符合溶质渗透理论和表面更新理论，此时， KL 与 DL 的 1/2 次方成正式。 因此， 可通过调节溶液性质和操作条件等， 提高 DL， 达到增大 KL 的目的。
1/ Kt —总的传递阻力，以压差为推动力时，单位为（N·S/mol） 。
三、影响氧传递速率的主要因素
（一）影响推动力（C*-CL）的因素 （二）影响气液表面积a的因素 （三）影响KL的因素 （四）影响KLa的因素
（一）影响推动力（C*-CL）的因素
在一定 CL 要求下，提高（C*-CL）就是设法提高 C*，而影响 C*的因素主要 有： 1、温度 氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，为了提高 C*可在不影响微生物菌 体生长和产物合成的条件下，可采取降低温度的措施。 2、pH 氧在酸性溶液中的溶解度随酸的种类和浓度而异。一般表现为酸的强度大、 浓度高，则溶氧低。氧在盐酸和硫酸溶液中的溶解度如表 6-11 所示。 3、电解质浓度 氧在电解质溶液中的溶解度随电解质浓度的增加而下降。 由上述影响氧溶解度的因素知， 在培养液组成和培养条件确定的条件下， 要提高 C*可采取以下方法：①增加罐压；②增加空气中氧含量，进行富氧通气操作。
氧的供需与传递、生物反应器
p=HC*
1/ KL = (C*-C)/J=(C*-Ci)/J+(Ci-C)/J
1/ KL =1/(Hkg)+1/kl 同理: 1/ KG =1/kg+H/kl
对于氧气来说，H很大，因此就有1/(Hkg)远远小于 1/kl，即1/ KL ≈1/kl，说明液膜阻力占传质过程阻力 的主导地位。由于液相中的C和C*易测定或推算， 因此，以（C*-C)为推动力表示的传质通量J普遍。 J=KL(C*-C)
4.2.2 液——固相间的氧传递
当氧的传递达到稳态时，通过细胞或细胞团外液膜的 传递速率为OTR=KLCαc(CL-CC)
式中： αc液固比表面积，m2/m3; CC细胞或细胞团表 面氧浓度，mol/m3, CL液相主体氧浓度，mol/m3. α2 α3 设细胞或细胞团为球形，即有NSh=2+α1NRe· Sc N
NSh为Sherwood 准数， NSh =(KLCdp)/DL NRe为Renolds准数，NRe=(dpωρL)/μL NSc为Schmidt准数, NSc = μL /(DLρL); 式中dp—颗 粒直径，m; DL—氧在液相中的分子扩散系数， m2/s; ω —固液相对运动速度，m/s; μL —液体黏 度，Pa.s; ρL—液体密度,kg/m3; α1、 α2、 α3 —常 数。
阳极：Pb,
Pb
4OH－ Pb2++2e
电解质
透气的塑料袋
氧从液相主体到阴极表面的推动力是氧分压。
则氧的扩散通量 J=K(PL-PC)
I=4FAJ=4FAKPL=K’PL
扩散电流和氧浓度之间有一个线性关系.
◇压力法
恒温密闭容器中,有体积为VL的液体。通入气体压力为P1,体积 为VG的气体至平衡时为P2。
氧供需平衡的监控
氧供需平衡的监控氧是人体维持生命所必须的物质。
呼吸系统将氧摄入人体内，再由循环系统将氧输送机体各处为组织细胞利用，在细胞线粒体中通过生化反应将能量以三磷腺苷（A TP）的形式储存起来。
缺氧可引起体内代谢异常和生理紊乱，导致重要脏器组织损害及功能障碍。
因此，监控氧供需平衡对早期发现和防治组织缺氧，维持机体内环境的稳定有着重要的意义。
第一节氧供一、氧输送及氧供的定义1、氧输送（oxygen transport）空气中的氧输送到细胞内利用氧的部位线粒体的过程叫做氧输送。
氧输送包括肺通气、肺换气、氧在血液中的运输及氧在组织的释放共四个阶段，其中任何一个阶段发生障碍，都会引起缺氧（hypoxia）。
2、氧供（oxygen delivery,DO2）又称整体氧供（global oxygen delivery）是指单位时间内循环系统向全身组织输送氧的总量。
广义的讲，氧输送与氧从两个概念可以互相通用，但严格来说，二者还有有所不同。
输输送的氧是指由心脏泵入到体循环中的氧量，而氧供是指经过毛细血管输送到机体组织为新陈代谢所利用的氧量。
例如当存在动-静脉短路时，机体输送的氧量虽然正常，但该部位的氧供动为零。
不过，在临床应用中很难将二者区分开来。
二、氧输送的监测（一）氧吸入监测：即外呼吸过程的监测，包括肺通气和肺换气两个阶段。
主要指标如下：1、动脉血氧分压（PaO2）：PaO2是分析动脉血氧合状态的重要指标，也是判断低氧血症的唯一标准。
其正常值为80~100mmHg，PaO2随年龄及所处海拔高度而异。
需抽取动脉血通过血气分析（BGA）分析测定；目前已有连续动脉血气分析仪，可以动态监测PaO2变化。
2、氧合指数：即PaO2/FiO2。
又称通气-灌注或呼吸衰竭指数。
正常值为400~500mmHg。
发生呼吸功能不全时，PaO2明显降低，加大吸入氧浓度无助于进一步提高PaO2，氧合指数小于300mmHg。
3、肺泡-动脉血氧分压差（PA-aO2，或A-aDO2）：即肺泡气氧分压（PAO2）与动脉血氧分压（PaO2）的差值。
5氧的供需与传递
2、耗氧方面的阻力
1）细胞周围液膜阻力（1/kIC） 与发酵液的成分和浓度有关。 2）固液界面的传递阻力1/kIS 与微生物的生理特性有关。 3）菌丝丛或细胞团内的扩散阻力（1/kA） 与微生物的种类、生理特性状态有关。 4）细胞壁的阻力（1/kW）： 与微生物的生理特性有关。 5）细胞内反应阻力（1/kR）： 与微生物的种类、生理特性有关。
KLa
C * CL
QO 2 X 斜率 * C * CL C CL
求得KLa
优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算 出溶氧系数。
缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的
氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵 罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。
1
本章内容
一、微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制
二、培养过程中氧的传质理论
三、溶氧传递系数的测定方法
四、影响氧传递速率的主要因素
五、发酵液中溶解氧的测定和控制
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第一节 微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因 素。 在28℃，氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只 有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。
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优点 氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快， 不需特殊仪器。 缺点 不及极谱法准确； 只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L 以内才较准确可靠； 不能对发酵过程实测，
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（2）取样极谱法
原理 当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大小与液体中溶解氧 的浓度呈正比关系。 由式
人体呼吸系统生命的氧气供应
人体呼吸系统生命的氧气供应呼吸是人体维持生命活动的重要过程，其中氧气的供应对于人体的正常运转至关重要。
本文将探讨人体呼吸系统中氧气的供应过程，并分析其对生命的重要性。
一、呼吸系统的结构和功能人体呼吸系统主要由鼻腔、喉咙、气管、支气管和肺组成。
其中鼻腔是呼吸系统的入口，通过鼻孔吸入空气。
空气进入鼻腔后，通过喉咙进入气管，再经过一系列分支的支气管进入肺部。
呼吸系统的主要功能是将空气中的氧气输送到身体各个细胞，同时将细胞代谢产生的二氧化碳排出体外。
这样，细胞才能进行呼吸作用，产生能量以维持生命的正常运转。
二、氧气的供应过程1. 吸氧过程人体呼吸过程中的吸氧是通过肺部实现的。
当空气进入肺部时，其中富含的氧气会通过肺泡壁进入血液。
血液中的红细胞上存在着一种叫做血红蛋白的物质，它能与氧气结合形成氧合血红蛋白。
这样，氧气就能够通过血液被输送到全身各处。
2. 携氧能力血红蛋白携氧能力强是确保氧气输送到细胞的关键。
由于血红蛋白与氧气的结合是可逆的，所以当血红蛋白经过静脉系统将氧气输送到细胞时，会释放出氧气。
而在氧气稀少的组织中，血红蛋白又会重新与氧气结合，形成氧合血红蛋白。
此外，血红蛋白的数量和质量也会影响氧气供应的充分程度。
例如，贫血患者因血液中的血红蛋白含量较低，会导致氧气供应不足，出现乏力和气短等症状。
三、氧气对生命的重要性氧气是人体维持生命所必需的物质，它对于整个生物体的各个方面都起着至关重要的作用。
1. 细胞能量供应细胞内的呼吸作用需要氧气参与，通过氧化葡萄糖生成三磷酸腺苷（ATP），为细胞提供能量。
没有氧气，细胞无法产生足够的能量，会导致细胞功能受损甚至死亡。
2. 维持代谢平衡细胞内的多种代谢反应都需要氧气的参与，包括脂肪的氧化、蛋白质的合成等。
氧气的供应不足会影响细胞正常的代谢活动，进而导致各种疾病的发生。
3. 免疫系统功能免疫系统对维护人体健康起到重要作用，而免疫细胞的正常功能需要足够的氧气供应。
氧气的生物学作用与运输
氧气的生物学作用与运输氧气是生命存在的基本条件之一，它在生物体内发挥着重要的生物学作用。
无论是在呼吸过程中还是在有效的氧气运输中，氧气的角色都是至关重要的。
一、氧气的生物学作用1. 细胞呼吸氧气参与了细胞呼吸过程中的氧化还原反应，将有机物氧化为二氧化碳和水，并产生能量(ATP)。
细胞呼吸是维持生命活动、促进生长和发育的重要过程。
2. 免疫反应免疫系统中的许多细胞需要氧气才能有效运作。
氧气能增强免疫系统的功能，促进巨噬细胞的吞噬能力，提高人体对抗病毒和细菌的能力。
3. 能量代谢氧气参与了葡萄糖的氧化过程，产生能量供给细胞使用。
通过细胞呼吸中的氧化磷酸化反应，氧气能够合成ATP，为细胞的各项功能提供能量。
4. DNA修复氧气参与了DNA修复过程中的氧化作用，保持了基因的完整性。
DNA修复是维持细胞基因稳定性的重要机制，也是细胞分裂和复制的基础。
二、氧气的运输1. 血液运输氧气主要通过血液运输到达人体的各个组织和器官。
在肺部，氧气通过呼吸道进入肺泡，并与血液中的红细胞结合。
氧气与血红蛋白结合后形成氧合血红蛋白，通过血液循环被输送到全身。
2. 血红蛋白的运输血红蛋白是氧气在血液中的主要运输方式。
血红蛋白能够与氧气反应形成氧合血红蛋白，运载氧气到细胞，并在需要时释放氧气。
3. 体液运输除了血红蛋白，氧气还可以以溶解态的形式通过体液运输到达细胞。
在细胞外液中，氧气以高浓度的形式溶解，沿浓度梯度进入细胞内，并参与细胞的呼吸过程。
4. 细胞内运输一旦氧气进入细胞，它需要经过线粒体等细胞器的运输来参与细胞呼吸。
线粒体内的呼吸链通过电子传递将氧气还原，供给细胞产生能量。
三、保持氧气供应的重要性1. 维持生命活动氧气是维持生命活动所必需的。
身体缺氧会给人体健康带来严重影响，甚至危及生命。
2. 维持器官功能各个器官和组织对氧气的需求量不同，但都需要足够的氧气来保持其正常功能。
例如，心脏需要大量的氧气来保持正常的收缩节律。
生物体内氧气传输与转运机制的研究
生物体内氧气传输与转运机制的研究氧气是生命活动的重要物质，对于人体健康和生命的维持至关重要。
然而，氧气在人体内的传输与转运机制却一直是生物学研究的一个重要课题。
本文将对生物体内氧气传输与转运机制的研究进行探讨。
一、氧气在体内的传输1. 呼吸系统人体的氧气主要是通过呼吸系统来获取的。
当人类呼吸时，吸入的氧气与肺泡中的二氧化碳发生气体交换，将氧气吸入人体，同时将二氧化碳呼出体外。
因此，肺部是人体主要的氧气获取和二氧化碳排放器官。
2. 血液在人体内，氧气是通过血液来传输的。
血液中含有红细胞，红细胞内有血红蛋白。
血红蛋白可以与氧气结合，在氧气压力高的地方将氧气吸入，然后在氧气压力低的地方将氧气释放。
在肺部，血红蛋白与肺泡中氧气结合，在组织中，血红蛋白向周围的细胞释放氧气。
因此，血红蛋白是氧气在人体内的主要承载者。
二、氧气的转运除了呼吸系统和血液，还有其他机制负责氧气转运。
以下分别探讨。
1. 粘液粘液是人体内常见的一种物质，存在于多种器官和组织中。
粘液可以在组织和细胞之间传递氧气。
当氧气需要经过它时，粘液会向周围散发氧气，使氧气能够进入细胞中实现呼吸和代谢。
2. 细胞膜通道细胞膜通道可以使氧气通过细胞膜，进入细胞内部，从而实现氧气在身体内的转运。
细胞膜通道可以在肉体内、植物细胞内和其他生物体内发挥作用。
3. 血管血管中的氧气转运机制类似于血液。
当组织内氧气不足时，血管可以向周围释放氧气，同时使血液中的氧气含量充足，从而保证身体的正常代谢和运作。
三、氧气的利用从氧气吸入人体，到氧气被发挥作用，需要经过一系列复杂的生物学过程。
在组织和细胞中，氧气通过氧化酶的作用产生H2O 和ATP，将ATP作为源燃料，通过机械能或化学能向身体提供能量。
在此基础上，研究人员还发现很多疾病，如糖尿病、神经功能障碍等，都与氧气利用不足有关。
因此，对于氧气传输与转运机制的研究有着重要的意义。
结论通过对生物体内氧气传输与转运机制的探讨，可以看出氧气对生命健康和疾病预防有着极为重要的作用，对于人类健康和医学研究也有着重要意义。
氧气生命之源无处不在
氧气生命之源无处不在氧气，人们熟知的气体之一，它是所有生命的基础，无处不在。
从大气中的氧气，到水中的溶解氧，再到生物体的呼吸作用，氧气无时无刻不在支持着生命的延续与繁衍。
本文将探讨氧气在大自然中的来源和生命中的重要作用，并揭示人类如何加强对氧气资源的保护。
一、氧气的来源氧气的最主要来源是地球的大气层。
地球大气层中氧气占比约为21%，居于第二位，仅次于氮气。
氧气主要是通过植物的光合作用释放出来的。
植物通过光合作用将二氧化碳和光能转化为有机物质和氧气。
这个过程使得陆地生物和水中的浮游植物不断吸收氧气，维持自身的呼吸需求。
此外，水中也存在着溶解氧。
水中的氧气来自于两个来源：一是通过大气中的氧气溶解到水中，二是通过水生植物的光合作用释放到水中。
水中溶解氧对于水生生物的生存至关重要，它是水中生物进行呼吸作用的基础。
二、氧气在生命中的作用氧气在生命中发挥着重要的作用，它是呼吸过程中不可或缺的元素。
在人类和其他动物的呼吸作用中，氧气进入肺部，通过血液被输送到全身各个部位。
在细胞水平上，氧气参与到细胞呼吸过程中，将有机物质与氧气反应生成能量和二氧化碳，从而维持身体正常的代谢。
可以说，没有氧气，生命将无法存在。
除了生命的呼吸作用外，氧气还具有抗菌消毒的作用。
许多细菌和病原体在氧气环境下很难存活和繁殖，因此氧气被广泛应用于医疗卫生领域，用于清洁和消毒。
三、加强对氧气资源的保护随着人口的不断增长和工业的发展，氧气资源正面临着日益严重的威胁。
因此，我们有责任加强对氧气资源的保护。
首先，减少污染物的排放是保护氧气资源的重要措施之一。
大气污染和水污染会削弱植物的光合作用能力，导致氧气的释放减少。
通过限制工业排放和加强环保意识，可以减少污染物对氧气资源的破坏。
其次，增加植被覆盖是保护氧气资源的有效手段。
植物是氧气的主要产生者，因此增加植被覆盖可以增加氧气的释放量。
种植树木、保护森林和湿地等生态环境，能够有效保护氧气资源。
此外，推广节能减排意识也是保护氧气资源的重要举措。
人体内氧气的传输和利用
人体内氧气的传输和利用氧气是生命之源，是人体进行正常代谢所必须的重要物质之一。
它不仅是呼吸作用的基础，而且还能参与其他许多代谢反应。
人体是如何将氧气吸入到体内，以及如何在身体内部运输和利用氧气的呢？呼吸系统的功能人体的呼吸系统由鼻腔、喉部、气管、支气管和肺组成。
鼻腔和喉部是空气进入体内的通道，气管则是将空气传输到肺部的要道。
在到达肺部之前，空气会先经过支气管，最后在肺泡内与血液发生气体交换。
在这个过程中，氧气将从肺泡中溶解到血液中，而二氧化碳则会从血液中扩散到肺泡中。
这样，二氧化碳就可以被排出体外，而氧气则进入血液，随着血液的流动，被输送到身体各个器官和细胞中。
血液的氧气运输血液中传输氧气的主要成分是血红蛋白。
血红蛋白是存在于红细胞中的一种蛋白质，每个红细胞内含有约270万个血红蛋白分子。
血红蛋白的主要功能是结合氧气，将其从肺部运输到其他身体组织中。
血红蛋白和氧气的结合是一个动态的平衡。
在肺部氧气浓度高的情况下，血红蛋白和氧气结合的效率较高，形成的氧合血红蛋白就能有效地将氧气运到其他器官和细胞中。
而在组织细胞中，氧气浓度较低，血红蛋白和氧气之间的结合就会减弱，释放出氧气供细胞使用。
当然，血液中除了血红蛋白之外，还有一小部分的氧气是溶解在血浆中的。
这些溶解的氧气会在运输的过程中被血液中其他分子和细胞消耗掉。
然而，这些溶解氧的存在还是有其重要性，因为它们能够向组织细胞供应一些急需的氧气，例如在组织缺血的情况下。
氧气的利用和代谢当氧气运输到细胞内时，它将被用来进行细胞呼吸。
细胞呼吸是机体的主要代谢途径之一，是将食物转换成能量的过程。
它分为三个步骤：糖解过程、三羧酸循环和呼吸链。
糖解过程是将糖分子分解成较小的分子，例如葡萄糖分子被分解成两个三碳糖分子（丙酮酸）。
这个过程不需要氧气，因此它也被称作无氧分解。
然而，这个过程产生的三碳糖分子会在三羧酸循环中进一步代谢，需要氧气的参与。
三羧酸循环是将三碳糖分子和脂肪酸代谢产生的某些分子（例如丙酮酸）转化为能量分子ATP（三磷酸腺苷）。
第7章 氧的供需与传递
氧的供需与传递
讲授内容
微生物对氧的需求 氧传递理论 发酵液的流变特性 影响氧传递速率的因素 溶氧系数的测定 控制溶氧的手段
【教学目的与要求】了解发酵液的流变特性， 掌握氧传递理论及影响氧传递的因素、控 制溶氧的手段和溶氧系数的测定方法。 【教学重点与难点】氧传递理论及影响氧传递 的因素、控制溶氧的手段和溶氧系数的测 定方法。
非牛顿流体：不服从牛顿黏性定律，黏度 不是常数，它不仅是温度的函数，而且随 流动状态而变化，因此没有固定的值。 根据非牛顿流体的剪应力和剪应速率（切 变力）的关系可分为以下几种
γ(s-1)
1—牛顿流体
5—凯松流体
2—宾汉塑性流体
3—拟塑性流体 4—涨塑性流体
5.
曲线2
⑴宾汉（bingham ）塑性流体
氧由气泡传递到液相主体 步骤分4步： ⑴氧通过气相边界层传递 到气-液界面上。 ⑵氧分子由气相侧通过 扩散穿过界面。 ⑶在界面液相侧通过液相 滞留层传递到液相主体。 ⑷在液相主体中进行传递扩散。 双膜界面，氧分压与溶液中的 氧浓度处于平衡关系。
稳定的传质过程 传氧速率n相等 n=kG(p-pi)=kL(ci-c)
通常情况下，气液接触界面的氧浓度不可测量， 不能单独使用，为方便采用总传质系数和总推动力， 在稳态下传质速率相等：
n KG ( p p*) KL (C * CL )
n KG ( p p*) KL (C * CL )
KG----以氧分压做推动力总传热系数mol/(m2.s.Pa) KL----氧浓度做推动力总传热系数mol/s P*----与液体主流氧浓度CL平衡的氧分压， Pa c*----与气体主流氧分压p相平衡氧浓度mol/m3 。 根据亨利定律 p=Hc* p*=HCL pI=HcI c*=p/H CL=p*/H cI= pI/H
第二章氧的供需
弱氧化醋酸菌
1.57 X 10-3
啤酒酵母
10-3
德巴利酵母
10-3
副流感嗜血菌
2 X 10-3
菌体对氧的亲和力
一些微生物的最大比耗氧速率
微生物 黑曲霉 灰色链霉菌 产黄青霉菌 产气克雷伯氏菌 啤酒酵母 大肠杆菌
(QO2)MMOL O2/(KG 干细胞·S) 8.3 X 10-4 8.3 X 10-4 1.1 X 10-3 1.1 X 10-3 2.2 X 10-3 3.0 X 10-3
1、气—液相间的氧传递
双膜理论
• 基本前提：
（１）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在 界面气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存 在着一层液膜。气膜内的气体分子与液膜中的液体分 子都处于层流状态，氧分子以扩散方式，即籍浓度差 推动穿过双膜进入液相主流。气泡内除开气膜以外的 气体分子处于对流状态，称为气体主流，主流中的任 一位点氧分子的浓度相等；液体主流中的氧也是如此。
1/kG 1/KG 1/kL
1/KL
p — 气相主体氧分压，Pa ;
pI — 气液界面氧分压， Pa
CI — 气液界面氧浓度， mol/m3 ; CL — 液相主体氧浓度， mol/m3
p* — 与液相主流中溶氧浓度CL平衡的气相氧分压， Pa ;
C*— 与气相主流中氧的分压强p平衡的液相氧浓度， mol/m3
34.3 20
30.9 22
29.7 24
13.4 30
8.3
32
临界氧 浓度（%）
7.2
9.3
启
14.9
示
17.1
？
22.1
18
6.6
4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
氧气的气体传输
氧气的气体传输氧气是一种生命必需气体，对于呼吸功能有缺陷或存在疾病的人来说，摄取足够的氧气是必须的。
因此，氧气的传输和储存在医疗行业中非常重要，这是其它领域的物质所没有的需要。
氧气的气体传输方式主要有两种：压缩氧气和液态氧气。
下面分别介绍这两种方式的特点及其适用场合。
一、压缩氧气传输压缩氧气传输是较早期和常见的一种传输方式。
气体通过压缩罐体进行传输，因此称为压缩氧气传输。
压缩氧气传输主要包括以下各个环节：气瓶（或气体罐）、调压器（或减压阀）、流量计、吸氧管等。
气瓶内置气体填充压力大于气体使用压力，气瓶开口处还另装有减压器，将高压氧气转换为低压氧气，以供给各种氧气使用器械。
由于现代医院医疗设备的不断更新，以及对氧气的需求量日益增长，压缩传输方式存在一些缺陷。
气瓶大小、质量、寿命等因素制约其应用范围和传输效率，只是在短时间的治疗中可用于手术室中，但不能用于需要长时间供氧的患者，因此液态氧气逐渐成为取代压缩氧气的优选方式。
二、液态氧气传输液态氧气是将自然空气进行低温分离后，在分离得到的纯氧气在精密设备下进行净化、压缩、制冷、等环节生成。
它的传输方式则被称为液态氧气传输。
液态氧气传输是将液态氧气通过管道等设施进行传输，其主要设备包括：液态氧气储罐、输液管路、气化器等。
将液态氧气贮存于罐内，通过气化器、流量计及各种导管输送到各种氧气使用设备中。
因为这个原因，液态氧气传输被视为更加高效、准确和安全的气体传输方式。
与使用高压气瓶相比，液态氧气传输具有以下几点优势：1. 液态氧气储罐存储氧气的体积大得多，因此可用时间更长，对于氧气的生产和运输的成本都更优。
2. 液态氧气被储存在液态状态下，这意味着每个液态氧气患者都可以获得更加按需的氧气供应，无需担心气瓶氧气的容量问题。
3. 液态氧气通过精密计量设备输送，而不是气瓶压力的完全依靠，因此可减少氧气输送的误差，避免一些意外的医疗事故和损害。
在现实生活中，液态氧气传输方案得到了广泛的应用。
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0.045 g/L
氧的浓度是其它营养物质浓度的10-3以下
4.1 微生物对氧的需求的量
受菌种的影响：呼吸强度不同、细胞的组成。 受碳源种类的影响 受产物的影响(当有细胞外产物如青霉素）
Darlington,1964,酵母成分表示为 C3.92H6.5O1.94 从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用 下式表示：
7.4CH2+6.135O2=C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O 6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O 碳源的性质决定着发酵的需氧量。
Qo2为比耗氧速率/呼吸强度mol/（kg干细胞.s). (Qo2)M 为最大比耗氧速率；X为菌体浓度(kg干细胞/m3);YG: 单 位质量的底物生成细胞的得率.YP:单位质量的底物生成 产物的得率。耗氧速率 r = Qo2X(mol/m3.s) 临界溶氧浓度：当培养基中不存在其它限制性基质时， 不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。一般 为饱和浓度的1-25%。 饱和溶氧浓度: 该温度下的氧的溶解度。 氧的饱满度：溶解氧的浓度与临界氧浓度之比。
通常③和⑤步传递阻力最大，是整个过程的控制 步骤
描述氧传递的模型有三种：双膜理论、渗透扩散理论和 表面更新理论。其中以双膜理论应用最广泛。
描述单相某一组分传质： Fick公式J=-Ddc/dx, 对稳态的片状层，传质流 J=D⊿C/d,而此公式适合于 双膜理论的扩散过程。
பைடு நூலகம்
当气液传递过程为稳态 时,总的传递速率与通过 气，液膜和气液界面等 串连各步的氧传递速率 相等。 Jg=Jl=J kg(p-pi)=kl(Ci-C)=KL(C*-C)=KG(p-p*) 由双膜理论的（2）可知：pi=HCi,（Henry定律）
因为细胞密度和液体密度及其相近， 因而，相对运 动速度ω接近于零，即有NSh=2 ∵NSh =(KLCdp)/DL ∴KLC=2DL/dp 又∵OTR=KLCαc(CL-CC)
∴(OTR)m=KLCαcCL =2(DL/dp)n α CL;
式中， (OTR)m —最大氧传递速率， mol/m3.s; n — —单位体积培养液中细胞个数； α —每个细胞的表 面积m2
NSh为Sherwood 准数， NSh =(KLCdp)/DL NRe为Renolds准数，NRe=(dpωρL)/μL NSc为Schmidt准数, NSc = μL /(DLρL); 式中dp—颗 粒直径，m; DL—氧在液相中的分子扩散系数， m2/s; ω —固液相对运动速度，m/s; μL —液体黏 度，Pa.s; ρL—液体密度,kg/m3; α1、 α2、 α3 —常 数。
4.2.2 液——固相间的氧传递
当氧的传递达到稳态时，通过细胞或细胞团外液膜的 传递速率为OTR=KLCαc(CL-CC)
式中： αc液固比表面积，m2/m3; CC细胞或细胞团表 面氧浓度，mol/m3, CL液相主体氧浓度，mol/m3. α2 α3 设细胞或细胞团为球形，即有NSh=2+α1NRe· NSc
◆溶氧的测定方法 ◇化学法 ◇极谱法
◇复膜氧电极法
◇压力法
◆kLa的测定方法 ◇亚硫酸盐氧化法
◇ 取样极谱法 ◇物料衡算法 ◇排气法 ◇复膜电极法
◇化学法
MnSO4+2NaOH------Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2-------MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2-----MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI------2MnSO4+I2+3H2O+K2SO4
,p*=HC,
p=HC*
1/ KL = (C*-C)/J=(C*-Ci)/J+(Ci-C)/J
1/ KL =1/(Hkg)+1/kl 同理: 1/ KG =1/kg+H/kl
对于氧气来说，H很大，因此就有1/(Hkg)远远小于 1/kl，即1/ KL ≈1/kl，说明液膜阻力占传质过程阻力 的主导地位。由于液相中的C和C*易测定或推算， 因此，以（C*-C)为推动力表示的传质通量J普遍。 J=KL(C*-C)
临界浓度
培养的目的不同，选取不同的供氧条件 ★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶氧浓度。 从而满足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的细胞 产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物影响有 不同的情况 ①代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量相同。 采用供养的浓度大于临界溶氧浓度。 ②代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量高。尽可能的提高供氧浓度。脯氨酸、谷氨酸、赖氨 酸、苏氨酸等。 ③代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧 量低。使氧的满足度小于1，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮 氨酸、头孢霉素的生产。
4.2 培养过程中的传质理论
4.2.1：气——液相间的氧传递 好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过 通风和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相。
①从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；
②通过气液界面； ③从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体；
④液相溶解氧的传递；
⑤从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大细 胞表面； ⑥氧通过细胞壁； ⑦微生物细胞内氧的传递；
第四章：氧的供需与传递
好氧微生物在新陈代谢过程中（基质的氧化、菌体的生长、 产物的形成）需要氧气，而氧气本身是难溶性的气体，， 在培养过程中不能向其它的可溶性营养物质一样，一次供 应就满足要求，而只能维持很短的时间（15-20 s）。因此， 在生产过程中必须不断地向培养基中提供足够的氧 实验室：摇瓶。 中间生产规模/生产规模：通风+搅拌。 提供微生物生长和代谢所需的氧，并提高营养物质 和代谢物质的传递速度。
J表示的是单位界面上单位时间的传氧量，由于界面面 积的大小无法求得，因此常以单位体积中的气液两相中 的总界面（a)表示体积传氧速率OTR。 OTR =Ja=KLa(C*-C),式中， OTR为体积传氧速率 （kmol/m3), Kla为体积传氧系数(h-1,or s-1)，反映了发酵 罐内氧传递能力的一个重要参数。