第五章氧的供需与传递
发酵工程第五章氧的供需与传递
李 先 磊
化学化工学院
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
李 先 磊
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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。
李 先 磊
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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
李 先 磊
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第一节
发 酵 工 程
氧的供需PPT医学幻灯片
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二、双膜理论假说
1）在气液两个流体相间存在界面，界面两 边具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜， 这两层稳定的薄膜在任何流体动力学条件 下，均呈层流状态； 2）在气液界面上，两相的浓度总是相互平 衡即界面上不存在氧传递阻力；pi=HCi
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3）在两膜以外的气液两相的主流中，氧的浓度、 分压相等，即无任何传质阻力，所遇到阻力 仅存在于两层滞流膜中。 稳定状态时，总传质速率与串联的各步传质速 率相等。
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传递速率
p ，pi：气相中和气液界面处氧分压，Mpa; Ci ,CL：气液界面和反应液主流中（液相）氧 浓度(kmol/m3)
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气液界面附近氧分压与浓度的变化
用亨利定律表示 P=H·C H:亨利常数。
P HC* P HCL
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总传质过程 :
K G 为以氧分压为推动力的 K L : 以氧浓度为推动力的传 1 ＝ 1＋H K G kG kL 1＝ 1 ＋1 K L Hk G k L H : 亨利常数
二者关系： r= QO2 ·X，
X—发酵液中菌体的浓度（kg干重/m3）
4
3、临界氧浓度，用Ccri 表示. 其大小为溶解氧浓度的5％－10％，一般在
0.003－0.05（mmol/L）之间。
4、百分饱和度
氧浓度表示方法之一。培养液被空气完 全饱和时，即为溶氧100%饱和度，室 温下为7-8mg/L左右。 5、饱和氧浓度
平 O 衡 T K L a C R 时 C Q O 2 X
好氧微生物发酵过程中对氧的衡算式
dc dt
K L aC
CL
QO2
X
C : 与气相分压达到平衡时氧浓度，
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
发酵工程 第5章 氧的供需与传递
影响供氧因素 影响需氧因素
1. 通风量 2. 搅拌转速 3. 气体组分中的氧分压 4. 罐压 5. 温度 6. 培养基的物理性质等
1. 菌体的生理特性 2. 培养基的丰富程度 3. 温度等
1、改变通气速率 （增大通风气量）
在低通气量的条件下，增大通气 量对提高KLa效果明显； 在通气量已经很大的条件下，再增 大通气量，效果不明显，甚至会产 生副作用。 如泡沫的生成，水分
氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要 推动力， 传递中的总推动力就是气相与细胞内的氧 分压之差， 这一总推动力消耗于从气相到细胞内的各 项串联的传递阻力。
二、气体溶解过程的双膜理论
1、假定在气泡和包围着气泡的液体 之间存在着界面，在界面的气泡一侧 存在着一层气膜，在界面的液体一侧 存在着一层液膜。 2、氧的分子以扩散方式，即借助于 浓度差而透过双膜。
发酵罐体积对KLa的影响
通常， 发酵罐体积大，氧的利用率高； 发酵罐体积小，氧的利用率差。
在几何形状相似的条件下，发酵罐体积大 的氧利用率为7%~10%，体积小的氧利用 率只有3%~5%。
在溶氧系数保持一定时，大罐的气液接触 时间长，氧的溶解率高。
4、发酵液的性质对KLa的影响
培养液的性质受培养基组分和所培养的细胞两 方面影响，包括黏度、表面张力、离子浓度、 密度、扩散系数等，从而影响气泡的大小、气 泡的稳定性，进而影响KLa。
▪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。
认识人体的呼吸系统与氧气供应
感谢支持人员
感谢所有为本项目提供支 持和帮助的人们，你们的 辛勤付出是我们成功的保 障。
希望共同关注
希望通过本次分享，大家 能更加重视并关心人体呼 吸系统的重要性，共同关 注健康问题。
参考文献
专业研究文 献整理
提供给对呼吸系 统感兴趣的读者
参考
学习进步
知识点滴积累
深入了解呼 吸系统
致力于呼吸领域 研究
高原地区的氧气供应
01 低氧适应
高原地区氧气含量较低，人体需要适应
02 高原训练
结合高原训练和正常训练，提高氧气供应能 力
03
氧气供应与运动成绩
提高运动表现
足够的氧气供应可以提高 运动表现
呼吸训练
充分呼吸训练提高运动成 绩
运动后的呼吸恢复
促进恢复
适当的呼吸训练 可以促进身体恢
复
Байду номын сангаас
降低心率
深呼吸和缓慢呼 吸有助于降低心 率和恢复呼吸节
感谢观看
THANKS
奏
● 05
第五章 呼吸系统与心理健康
呼吸与放松
深呼吸和缓慢呼吸是减轻压力和焦虑的有效方法。 呼吸训练可以帮助平衡身心，提升心理健康。
呼吸与冥想
冥想强调呼 吸的节奏和
深度
冥想技巧
通过呼吸控 制，可以帮 助冥想者达 到平静和专
注状态
呼吸调节
呼吸与注意力
呼吸是注意力集中和 决策制定的关键。着 重呼吸可以帮助集中 思维，提高工作效率。
传播途径和预防
呼吸系统保健
定期进行肺功能检查 和呼吸系统保养是保 持呼吸系统健康的关 键。健康饮食、良好 的睡眠习惯和适量运 动有助于提升呼吸系 统功能，降低患病风 险。
氧气的供需
（3）稳态法
• dCL/dt = kLa(C*-CL) – r,处于稳态时， dCL/dt = 0， • 则kLa = r/ (C*-CL)
在大型发酵罐中，一般采用平均推动力(C*-CL)m代替 (C*-CL)。
(C*-CL)m ＝ (C*i-CL) - (C*0-CL)/ln[(C*i-CL)/ (C*0CL)],其中C*i和C*0分别代表与进气与排气氧分压平衡的液 相氧浓度。
• 对于难溶气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力相 比可以忽略不计，1/(HkG)＜＜ 1/kL （H值很大），因此 kL≈KL。 nO2 = KL(C*-CL) = kL(C*-CL)
•可以认为所有的传质阻力集中在液 膜一侧, 因此又称液膜控制。
Part3:影响供氧速率 的因素
影响供氧速率的因素
• 传递过程可分为供氧和耗氧两个方面。
氧传递的阻力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
供氧方面的阻力: • 1.从气相主体到气液界面的气 膜传递阻力1/kG 耗氧方面的阻力: • 5.细胞或细胞团表面的液膜阻 力1/kLC
• 6.固液界面的传递阻力1/kIS
• 2. 气液界面的传递阻力1/kI • 3.从气液界面通过液膜的传递 阻力1/kL • 7.细胞团内的传递阻力1/kA • 8.细胞壁的阻力1/kW
（4）葡萄糖氧化法
C6H12O6 + ½ O2 → C6H12O7 (葡萄糖氧化酶）
OTR= M Δ V /（2 Δ t) kLa = OTR / (C*-CL)
• 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速率等 于微生物对溶氧的需求速率，则：
• KLa (C * - CL) = QO2 · X = r
kLa的测定方法
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。
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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
氧气传输的生物和化学学机理分析
氧气传输的生物和化学学机理分析身处于大自然中的生物体，需要吸取氧气来维持生命的进行。
而氧气作为一个非常重要的物质，需要通过生物和化学的机理来进行传输。
下面将对氧气传输的生物和化学机理进行分析。
生物学机理分析在生物学上，氧气大多是通过呼吸系统进行传输的。
在人类身体中，鼻腔、口腔、喉咙、气管、支气管和肺组成了这个系统。
人类在自然呼吸或深度呼吸时，会将气体吸入鼻腔或口腔，产生气体的流动，接着气体进入喉咙和气管，在呼吸引力的作用下，最终进入肺部。
在肺部，氧气通过肺泡和毛细血管之间的交换作用，接触到红细胞上的血红蛋白，从而形成氧合血红蛋白。
通过血液，氧气可以进行广泛的传输，输送到每个细胞，为细胞提供充足的氧气。
此外，在一些生物中，氧气也可以通过皮肤传输。
比如，一些两栖动物和鱼类可以通过皮肤进行氧气的吸收，真菌和一些微生物也可以通过氧气的扩散来进行代谢作用。
化学机理分析在化学学上，氧气的传输与气体分子间相互作用的化学机理紧密相关。
氧气是由两个氧原子组成的分子，而这两个原子通过共价键相互连接在一起。
在氧气传输的过程中，需要克服旋转、振动和萎缩等分子中的能量障碍，从而使氧气分子能够扩散和传输。
氧气分子需要通过扩散的方式进行传输，它们会沿着氧分子浓度梯度的方向进行传递。
在这个过程中，氧气分子距离越小，速度会越快，从而实现高浓度到低浓度的扩散。
除了扩散，氧气分子也可以通过运动，如混合和对流等方式进行传输。
在一些液态介质中，氧气分子也可以通过溶解方式进行传输。
结语氧气的传输机理是一个涉及生物和化学学科知识的复杂问题。
在生物学上，氧气通过呼吸系统进入身体，然后通过血液输送到细胞，为细胞提供充足的氧气。
在化学学上，氧气通过扩散、运动和溶解等方式进行传输。
深入研究氧气传输的机理对于我们更好地了解生命活动过程和能源供应是非常重要的。
生物的呼吸与氧气供应
氧气供应变化的 驱动因素与未来
展望
氧气供应变化的自然因素
气候变化：全球气候变暖导致极地冰川融化，海平面上升，进而影响大 气中的氧气含量。 植被覆盖：植被通过光合作用产生氧气，因此植被覆盖率的变化会影响 氧气供应。
地质活动：地震、火山等地质活动可以改变大气中的氧气含量。
太阳辐射：太阳辐射强度和周期性变化会影响地球上的氧气供应。
氧气在呼吸中 的作用
氧气在呼吸中的必要性
氧气是呼吸过程 中必需的元素， 参与细胞呼吸作 用，释放能量。
缺氧会导致身体 各器官功能下降， 甚至危及生命。
氧气供应充足有 助于提高身体耐乏氧气可导致窒 息甚至死亡。
氧气供应对呼吸的影响
氧气是呼吸过程中 必需的元素，参与 细胞呼吸作用，为 身体提供能量。
氧气供应不足会导 致缺氧，影响身体 各器官的正常运作， 引发一系列健康问 题。
氧气供应充足可以 保证呼吸顺畅，提 高身体耐力和运动 表现。
不同生物对氧气的 需求和供应方式存 在差异，了解氧气 供应对呼吸的影响 有助于更好地维护 身体健康。
氧气在呼吸过程中的变化
氧气在呼吸过程中进入肺部，与血液中的红细胞结合，运输到身体各个部 位。 氧气在细胞内与葡萄糖反应，产生能量和二氧化碳。
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呼吸是生物体获取 能量和维持生命活 动所必需的基本过 程。
呼吸主要通过肺部 的气体交换实现。
呼吸过程中，氧气 和二氧化碳的交换 依赖于呼吸系统的 运动和循环系统的 配合。
呼吸的作用
提供能量：呼吸为生物体提供能量，维持生命活动 代谢过程：呼吸参与生物体内的代谢过程，合成蛋白质和其他重要物质 排泄废物：呼吸帮助生物体排出体内的废物和二氧化碳 呼吸对生物体的生长和发育至关重要
氧气运输到身体各部位及其机制分析
氧气运输到身体各部位及其机制分析氧气是维持人体生命活动的重要物质之一，它通过血液循环将氧气输送到身体各个部位，以供细胞进行呼吸作用。
这一过程涉及到多种机制和器官的协同工作，保证了每一个细胞都能得到足够的氧气来维持正常功能。
本文将对氧气运输的机制以及它在身体各个部位的运输方式进行详细分析。
1. 氧气运输机制氧气的运输主要依靠血液循环系统。
人体中的氧气主要以两种形式存在：在红细胞中与血红蛋白结合的氧（血红蛋白氧）和溶解在血浆中的氧（物理溶解氧）。
这两种形式共同完成氧气的运输工作。
血红蛋白氧：在肺部的气体交换过程中，氧气通过肺泡壁进入血液，然后与血红蛋白结合形成氧合血红蛋白。
氧合血红蛋白随后通过血液循环被输送到全身各个组织细胞进行氧气供应。
在组织细胞中，氧合血红蛋白会释放出氧气，同时血红蛋白与二氧化碳结合形成还原血红蛋白，将二氧化碳带回肺部进行排出。
物理溶解氧：氧气可以直接溶解在血浆中无需与血红蛋白结合。
这部分氧气主要以分子形式存在于血浆中，直接通过血流分布到各个组织细胞。
尽管物理溶解氧的量比血红蛋白氧少，但它为细胞提供了重要的氧气来源。
2. 氧气运输到身体各部位的方式氧气的运输过程非常复杂，需要多个器官和系统进行协同工作。
下面将分析氧气运输到身体各个部位的具体机制。
- 氧气运输到肺部：首先，通过呼吸过程，我们吸入含有氧气的空气。
氧气进入肺部后，通过肺泡壁与血液中的血红蛋白结合，形成氧合血红蛋白。
这部分氧气会在血液中运输到全身各个组织细胞。
- 氧气运输到心脏：氧合血红蛋白随着血液流动，经过心脏脉络系统被输送到心脏。
心脏本身也需要氧气供应，以维持其正常的收缩功能。
- 氧气运输到脑部：脑部是身体最重要的器官之一，对于持续供应氧气的需求极高。
血液中的氧合血红蛋白会通过脑部的血管网运输氧气至脑细胞，维持其正常代谢和功能。
- 氧气运输到肌肉组织：肌肉组织需要大量的氧气来提供能量，以支持肌肉收缩和运动功能。
运动时，血流量增加，氧合血红蛋白会通过血流系统将氧气输送到正在运动的肌肉组织。
氧的传递与供需PPT精选文档
4.3 培养基的流变特性
▪ 培养基的流变特性直接影响动量、热量和质量的 有效传递继而影响到各种发酵条件，如溶氧速率、 气体交换、发酵温度、营养物的补充、pH值的调 节等。所以有必要了解培养液的流变特性。
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牛顿流体
▪ 在两块相互靠近的平行板之间充满流体，下板固定不动，给上板施加一 作用力F，使上板以一定的速度运动。其中与上板接触的流体层以与上 板相同的速度一起运动，与下板接触的流体则保持静止，中间各层因流 体的内摩擦产生速度不等的平行运动，在流体层中产生速度梯度。当剪 应力（单位流体面积上的切向力F/A）与速度梯度成正比时，可以用牛 顿粘性定律来表示：
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双膜理论的基本假设
▪ 假定在气泡和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，在界面的液体一侧存在着一层液膜。
▪ 气膜中的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无 对流运动，因此氧的分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双 膜。
▪ 气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气 主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液体主流中亦如此。
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OTRKLa(C
CL)
(QO2
)m
CL X K0 CL
X培养基中细胞k浓g(干 度重 ， )/m3
K0 氧的米氏常m数ol， /m 3
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4.2.5 氧传递系数的关联
▪ 在通气搅拌反应器中，氧传递系数很大程度上取决于细胞 的大小和气泡附近的流体力学性质。因为氧传递的主要阻
力是气泡周围的液膜阻力，所以氧的扩散是影响质量传递 系数的主要因素。液相氧传递系数随气泡大小变化，当气 泡直径dp<2.5mm时，KLa正比于扩散系数的1/2次方，一般 区别大气泡和小气泡的临界直径为2.5mm。
氧的供需与传递
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)
氧的供需与传递
微生物细胞对氧的需求 氧在液体中的溶解特性 影响氧的传递速率的主要因素 控制溶氧的工艺手段
第一节 微生物细胞对氧的需求
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧 气。在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使 菌体生长繁殖，积累所需要的代谢产物。
微生物只能利用溶解于液体中的氧。 由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化
1）从气相主体到气液界面的气膜传递阻力 1／Ka 2）气液界面的传递阻力 1／Ki 3）从气液界面通过液膜的传递阻力 1／KL 4）液相主体的传递阻力 1／KLB 5）细胞或细胞团表面的传递阻力1／KLC 6）固液界面的传递阻力1／KIS 7）细胞团内的传递阻力1／KA 8）细胞壁的阻力1／KW 9）反应阻力1／KR
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。
菌龄
幼龄 呼吸强度大 但菌体浓度低，总的 耗氧量也低
晚龄 呼吸强度弱，但菌体浓度高，总的 耗氧量也高
三、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。
氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶 等）的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种 需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。
氧的供需与传递、生物反应器
I2+2Na2S2O3----2NaI+NaS4O6
一分子的溶氧----一分子的碘----两分子的硫代硫酸钠 受样品颜色和还原性的影响
◇极谱法
溶解氧在一定的条件下，被还原成H2O2 酸性时：O2+2H++2e------H2O2 中性或碱性时：O2+2H2O+2e------H2O2+OH在待测样液中，加入一个固定电压（0.8V)，在阴极处 发生上述反应，使待测液主体与阴极表面附近的液体存 在溶氧浓度差，通过测定电流的大小，求出液体的溶氧 浓度。 =(i· C L)/(2F· · D A)
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
Na2SO4+2HI (b) Na2S4O6+2NaI ©
在0.018~0.45M的范围内，温 度在20-45℃,(a)式的反应与 Na2SO3浓度无关，且大于氧 的传递速率
氧传递是整个过程的控制步骤。 通过测定Na2SO3的消耗速率， 可以求得氧的传递速率。
OTR= KLa(C*-C),由于反应进行的很快，C=0, OTR=
◇氧传递系数
●搅拌：使气泡在液体中产生复杂的运动，延长气体的停
留时间，增大气体的截流率，同时将气泡粉碎，减小气泡 的直径。 在一定的范围内，速度的提高会
●空气的线速度：
导致氧传递系数的提高。
当超过一定的范围，反而会降低
氧的供需与传递
第五章：氧的供需与传递：一．名词解释：1. 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” 。
2.氧的满足度：溶解氧浓度与临界氧浓度之比。
二.简答1.生化反应器通气与搅拌的两个目的: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。
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”2.比生长速率和氧浓度的关系：u=u m *c/(K 02+c)3.饱和溶氧浓度：在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。
(mol/m3)例：25℃ 1×105Pa 0.25mol/m3影响氧饱和浓度的主要因素:温度:温度越高，氧饱和浓度越低溶液的性质：溶质含量越高，氧的溶解度越低氧分压：p=HC* 氧分压越高氧溶解度越高4.影响微生物需氧量的因素:菌种的生理特性、培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件5.溶氧对发酵的影响：为了正确控制溶解氧浓度，有必要考察每一种发酵产物的（临界溶氧浓度）和（最适溶氧浓度），并使发酵过程保持在最适溶氧浓度。
最适溶氧浓度的高低与（菌种特性）和（产物合成的途径）有关。
需氧发酵并不是溶氧愈高愈好。
适当高的溶氧水平有利于菌体生长和产物合成；但溶氧太高有时反而抑制产物的形成。
6.在发酵过程中引起溶氧异常下降可能有下列原因：①污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，使溶氧在较短时间内下降到零附近，如果杂菌本身耗氧能力不强，溶氧变化就可能不明显；②菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降；③某些设备或工艺控制发生故障或变化，也能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。
又如消沫油因自动加油器失灵或人为加量过多，也会引起溶氧迅速下降。
生理学 气体的运输
生理学气体的运输生理学中，气体的运输是一个重要的研究领域。
气体运输涉及到人体内氧气和二氧化碳的交换，以及氧气在血液中的运输和分配。
这个过程对于维持人体正常的生理功能至关重要。
气体的运输主要通过呼吸系统和循环系统来完成。
首先，氧气通过呼吸道进入肺部。
在肺泡中，氧气通过肺泡壁进入毛细血管，与血液中的红细胞结合。
这个过程是通过氧气的浓度梯度来实现的，即氧气从高浓度区域（肺泡）向低浓度区域（血液）扩散。
一旦氧气与红细胞结合，它会与血红蛋白形成氧合血红蛋白。
氧合血红蛋白会通过血液循环被输送到全身各个组织和器官。
在组织和器官中，氧气会从氧合血红蛋白中解离出来，进入细胞内参与细胞呼吸过程。
同时，细胞内产生的二氧化碳会通过相反的过程，即从细胞内扩散到血液中，然后被输送回肺部。
在肺部，二氧化碳会从血液中解离出来，并通过呼吸道排出体外。
这个过程是通过二氧化碳的浓度梯度来实现的，即二氧化碳从高浓度区域（血液）向低浓度区域（肺泡）扩散。
除了浓度梯度，气体的运输还受到其他因素的影响。
例如，血液的pH值和温度可以影响氧气的结合和解离速率。
此外，血红蛋白的含量和质量也会对氧气的运输能力产生影响。
总的来说，气体的运输是一个复杂而精确的过程，涉及到呼吸系统和循环系统的协调工作。
通过氧气和二氧化碳的交换，人体能够获取足够的氧气供应，并排除代谢产生的二氧化碳。
这个过程对于维持人体正常的生理功能至关重要，任何干扰或障碍都可能导致严重的生理问题。
希望通过对气体运输的研究，我们能够更好地理解人体的生理机制，并为相关疾病的治疗和预防提供更有效的方法。
同时，加深对气体运输过程的认识也有助于我们更好地保护和维护自己的健康。
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（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
• 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 ％
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
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。
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。
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。
（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。
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
• 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。
• 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） ）
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。
• 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↑
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
• 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。