第五章氧的供需与传递

第一节
微生物对氧的需求
• 微生物耗氧量的表示方法 1.摄氧率（r） 摄氧率（ ） 摄氧率 单位体积培养液每小时消耗氧的量,单位为 单位体积培养液每小时消耗氧的量 单位为 mmol(O2)/(L·h)。 )/(L·h)。 2.呼吸强度（QO2） 呼吸强度（ 呼吸强度 单位重量的菌体（折干）每小时消耗氧的量， 单位重量的菌体（折干）每小时消耗氧的量， 单位为mmol(O2)/g(干菌体 。 干菌体)·h。 单位为 干菌体 亦称为氧比消耗速率。 亦称为氧比消耗速率。 氧比消耗速率
1.传递途径 传递途径 菌 气液界面 气膜 发 酵 液 O2 O2 液膜 细胞膜 细胞 液膜 O2 丝 团
• 氧在溶液中的传递（气体溶解过程：双膜理论） 氧在溶液中的传递（气体溶解过程：双膜理论） 氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程， 氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程， 由气相进入液相的过程 为实现这一过程， 氧气需要跨过由气-液界面构 为实现这一过程 ， 氧气需要跨过由气 液界面构 成的屏障，在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜， 成的屏障，在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜， 氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此， 氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根 据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理 据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理 论。
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第二节
• 分为供氧和耗氧
传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力 • 供氧 ： 空气中的氧从空气泡里 通过气膜 、 供氧： 空气中的氧从空气泡里通过气膜 通过气膜、 气液界面和液膜扩散到液体主流中 扩散到液体主流中。 气液界面和液膜扩散到液体主流中。 • 耗氧 ： 氧分子自液体主流 通过液膜 、 菌 耗氧： 氧分子自液体主流通过液膜 通过液膜、 丝丛、细胞膜扩散到细胞内 丝丛、细胞膜扩散到细胞内
0.05 550 1:0.5-0.6
0.5 300 1:0.3
5 185 1:0.180.2
10 160 1:0.160.17
20 140 1:0.15
50 110 1:0.12
• 氧的供需 摇瓶机往复运动或偏心旋转运 （1）实验室中，通过摇瓶机往复运动或偏心旋转运 ）实验室中，通过摇瓶机往复运动或偏心旋转 动供氧。 动供氧。 （2）中试规模和生产规模的培养装置采用通入无菌 ）中试规模和生产规模的培养装置采用通入无菌 压缩空气并同时进行搅拌的方式 的方式。 压缩空气并同时进行搅拌的方式。 （3）近年来开发出无搅拌装置的节能培养设备，如 ）近年来开发出无搅拌装置的节能培养设备， 气升式发酵罐。 气升式发酵罐。 鼓泡通气和机械搅拌产生的剪切作用敏 （4）细胞对鼓泡通气和机械搅拌产生的剪切作用敏 ）细胞对鼓泡通气和机械搅拌 感。
一、微生物对氧的需求 • 摄氧率与呼吸强度之间的关系： 摄氧率与呼吸强度之间的关系： r＝ QO2·X ＝ 其中， ：发酵液中菌丝体浓度， （干菌体） 其中，X：发酵液中菌丝体浓度，g（干菌体）/L • 呼吸强度表示微生物的绝对吸氧量，但当培养液中 呼吸强度表示微生物的绝对吸氧量， 有固体成分存在时，测定有困难， 有固体成分存在时，测定有困难，可用耗氧速率表 示。
二、溶解氧控制的原因 • 需氧微生物的 氧化酶体系是存在细胞内原生质中， 需氧微生物的氧化酶体系是存在细胞内原生质中， 氧化酶体系是存在细胞内原生质中 因此微生物只能利用溶解于液体中的氧。 因此微生物只能利用溶解于液体中的氧。 • 氧是难溶气体 ， 在 25℃ 、 100MPa下 ， 氧在纯水中 氧是难溶气体， ℃ 下 的溶解度为0.25mmol/L， 在发酵液中的溶解度为 的溶解度为 ， 0.2mmol/L； 在谷氨酸发酵的操作条件下 ， 发酵液 ； 在谷氨酸发酵的操作条件下， 中氧的饱和浓度约为0.313mmol/L， 这样的溶氧浓 中氧的饱和浓度约为 ， 度菌的正常呼吸只能维持20-30s。 由于微生物不断 度菌的正常呼吸只能维持 。 消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低， 消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低， 就必须采 用强化供氧。 用强化供氧。
临界浓度
• 在培养过程中不需要使溶解氧浓度达到或 在培养过程中 不需要使溶解氧浓度达到或 接近饱和值， 接近饱和值 ， 而 只要超过某一临界氧浓度 即可。 即可。 • 当不存在其他限制性基质时 ， 如果溶氧浓 当不存在其他限制性基质时， 高于临界值 ， 度 高于临界值， 细胞的比耗氧速率保持恒 定； • 如果溶氧浓度 低于临界值， 细胞的比耗氧 如果溶氧浓度低于临界值 ， 低于临界值 速率大大下降， 这时细胞处于半厌氧状态。 速率大大下降 ， 这时细胞处于半厌氧状态 。
• 氧的溶解度随着温度的升高而下降，随着培养液 氧的溶解度随着温度的升高而下降， 固形物的增多、或粘度的增加而下降。 固形物的增多、或粘度的增加而下降。 • 发酵工业上氧的利用率很低 。 如抗生素发酵 ， 被 发酵工业上氧的利用率很低。如抗生素发酵， 微生物利用的氧不超过经过净化处理的无菌空气 中含氧量的2%；在谷氨酸发酵方面氧的利用率为 中含氧量的 ； 10%-30%。 。 • 对于好气性发酵来说 ， 氧传递速率已成为发酵产 对于好气性发酵来说， 量和发酵周期的限制因素。同时， 量和发酵周期的限制因素 。 同时 ， 氧的供应不足 可能引起生产菌种的不可弥补的损失或导致细胞 代谢转向不需要的化合物的生成。
（2）耗氧方面的阻力 ） 1/kIC 液膜阻力 1/kIS 固-液界面阻力 液界面阻力 1/kA 菌丝丛或细胞团内的传递阻 1/kW 细胞壁的阻力 1/kR 细胞呼吸酶与氧反应的阻力 1/kIS，1/kA是该过程的主要的耗氧阻力。 是该过程的主要的耗氧阻力。 ，
• 氧在传递过程中要克服的总阻力： 氧在传递过程中要克服的总阻力： R=1/kG+1/kI+· · · +1/kR • 当总推动力为 时，氧的传递速率： 当总推动力为∆C时 氧的传递速率： N=∆C/R= ∆C1/(1/kG)= · · · = ∆C9/(1/kR) ∆C1 、∆C2 · · · ∆C9分别为各传递阶段的氧浓度之差。 分别为各传递阶段的氧浓度之差。
• 呼吸临界氧浓度（C临界） 呼吸临界氧浓度（ 在溶氧浓度低时， 在溶氧浓度低时 ， 呼吸强度随溶解氧浓度增加 而增加，当溶氧浓度达到某一值后， 而增加 ， 当溶氧浓度达到某一值后 ， 呼吸强度不 再随溶解氧浓度的增强而变化， 再随溶解氧浓度的增强而变化 ， 此时的溶解氧浓 度称为呼吸临界氧浓度，以C临界表示。 度称为呼吸临界氧浓度， 表示。 其为微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求。 其为微生物对发酵液中溶氧浓度的 最低要求。 最低要求 在临界溶氧浓度以下， 在临界溶氧浓度以下 ， 微生物的呼吸速率随溶解 氧浓度降低而显著下降。 氧浓度降低而显著下降。 微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05（mmol/L）， （ 微生物的临界氧浓度一般为 ） 为饱和浓度的1-25％。 为饱和浓度的 ％
第五章 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、 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， 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， 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（ ）。因此 就满足要求，而只能维持很短的时间（15-20 s）。因此， ）。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。 实验室：摇瓶。 中间生产规模/生产规模：通风 搅拌 搅拌。 中间生产规模 生产规模：通风+搅拌。 生产规模 提供微生物生长和代谢所需的氧，并提高营养物质 提供微生物生长和代谢所需的氧， 和代谢物质的传递速度。 和代谢物质的传递速度。
（1）供氧方面的阻力 ） 1/kG 气流主体与气 液界面间的气膜阻力 气流主体与气-液界面间的气膜阻力 1/kI 气-液界面阻力 液界面阻力 1/kL 从气 液界面至液体主流间的液膜阻力， 从气-液界面至液体主流间的液膜阻力 液界面至液体主流间的液膜阻力， 是氧溶于水时的限制因素 1/kIB 液体主流中的传递阻力
• 供氧对谷氨酸发酵的影响 （1）通风适量 生成谷氨酸 ） 生成α-酮戊二酸 （2）通风过量 生成 酮戊二酸 ） （3）通风不足 生成乳酸或琥珀酸 ）
谷氨酸发酵时不同容积发酵罐的搅拌转速和通风比
发酵罐容积m 发酵罐容积 3 搅拌转速r/min 搅拌转速 通风比（ 通风比（m3/ m3. Min） ）
一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系 • 氧作为受氢体，氧直接参与一些生物反应。 氧作为受氢体，氧直接参与一些生物反应。 • 好氧微生物所含的氧化酶系：过氧化氢酶 ，细胞色 好氧微生物所含的氧化酶系 过氧化氢酶， 氧化酶系： 素氧化酶，黄素脱氢酶，多酚氧化酶等。 素氧化酶，黄素脱氢酶 ，多酚氧化酶等。 不同好氧 微生物所含的氧化酶系的种类和数量不同， 微生物所含的氧化酶系的种类和数量不同 ，在不同 环境条件下，各种微生物的吸氧量或呼吸强度不同。 环境条件下，各种微生物的吸氧量或呼吸强度不同。 • 好气性微生物深层培养时需要适量的溶解氧以维持 好气性微生物深层培养时需要适量的溶解氧以维持 其呼吸代谢和某些代谢产物的合成，对多数发酵来 其呼吸代谢和某些代谢产物的合成， 说，氧的不足会导致代谢异常，产量降低。 氧的不足会导致代谢异常，产量降低。 • 不 同 种 类 的 微 生 物 的 需 氧 量 不 同 ， 一 般 为 25100mmolO2/(L·h)， 但也有个别菌很高 。 同一种微 ， 但也有个别菌很高。 生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。 生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。
气体溶解过程： 二、气体溶解过程：双膜理论
气体扩散方向
气—液界面 液界面 P 空气 泡PO2 Pi
气 液 膜 膜
Ci 发 酵 液
CL
气膜动力： 气膜动力：P-Pi 阻力： 阻力：1/kG
液膜动力： 液膜动力：Ci-CL 阻力： 阻力：1/kL
Hale Waihona Puke Baidu
• 氧传递的阻力
供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到 液体主流中。 液体主流中。 耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。 耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。 整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。 整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。
• 双膜理论的基本前提 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， ）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面 在界面的气泡一侧存在着一层气膜， 在界面的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。 体一侧存在着一层液膜 。 气膜内的气体分子和液 膜中的液体分子都处于层流状态， 膜中的液体分子都处于层流状态 ， 分子间无对流 运动，因此氧的分子只能以扩散方式， 运动 ， 因此氧的分子只能以扩散方式 ， 即在浓度 差推动下而透过双膜。 差推动下而透过双膜。 氧分子的浓度相同， （2）在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同， ）在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同 液体主流中也是如此。 液体主流中也是如此。 （3）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液 ）在双膜之间的界面上， 体中的氧的浓度处于平衡状态。 体中的氧的浓度处于平衡状态。 （4）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧 ）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧 的浓度不随时间而变。 的浓度不随时间而变。
• 溶解氧的饱和浓度： 溶解氧的饱和浓度： 一定温度与压力下， 一定温度与压力下，气体分子在气液两相中扩 散达到动态平衡，此时液相中气体分子的浓度 液相中气体分子的浓度。 散达到动态平衡，此时液相中气体分子的浓度。 符号为：C* 符号为： • C*影响因素： 影响因素： 影响因素 1.温度 温度 温度↑，氧饱和度↓ 温度 ，氧饱和度 2.溶液性质 溶液性质 溶质含量↑，氧饱和度↓ 溶质含量 ，氧饱和度 3.氧分压 氧分压 气相中氧浓度↑，氧饱和度 气相中氧浓度 ，氧饱和度↑