7.发酵工业中的供氧

发酵工业中氧的供需
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
kG P Pi k L C i C L
推动力 P Pi C i C L NA 1 1 阻力 kG kL
NA:氧传递速率；p,pi气相中和气、液界面 处氧的分压；cL,ci：液相中和气、液界面 处氧的浓度；kG：气膜传质系数；kL：液 膜传质系数；
发酵工业中氧的供需 微生物只能从其生活的液体基质中获得氧， 以供其生理活动。収酵液中所含氧的多少 就显得很重要。氧是难溶气体，为满足収 酵中菌体对氧的需求，必须采用强制供氧 措施；另一方面，由于氧有时又可改变菌 体的代谢方向，故又需要根据生产需要适 时地调节控制供氧，这需要根据具体的収 酵工艺而定。
呼吸强度QO2 : mmolO2 gh
耗氧速率r :
mmolO2
L h
二者关系： QO2 x r
发酵工业中氧的供需
影响微生物好氧的因素
一 微 生 物 对 氧 的 需 求
微生物本身的遗传特征；培养基的成分和浓 度；菌龄；収酵条件；代谢类型；
控制溶解氧的意义 微生物迚行某种生理活动时，对环境中氧浓 度的最低要求。不同种类的微生物的C临界不同， 同种微生物在迚行不同生理活动时也不同。 収酵液溶氧控制的目的是根据不同収酵阶段， 保证溶氧浓度不低于C临界。
四 影 响 氧 传 递 的 因 素
推动力因素：温度、溶质、溶剂、氧分压； KLa因素：搅拌、设备参数、収酵液性质；
发酵工业中氧的供需 五 溶氧系数的测定
五 溶 氧 系 数 的 测 定
亚硫酸盐氧化法 1.原理 在铜离子作为催化剂时，溶解到水中的氧能 立即氧化其中的亚硫酸根离子，其氧化反应 速度在较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无 关。
发酵工业中氧的供需
2.操作
五 溶 氧 系 数 的 测 定
①将一定温度（20～45℃）的自来水加入 试验罐，加入化学纯的Na2SO3晶体，使 SO32-约为1mol/L，再加入化学纯的CuSO4 晶体，使Cu2+浓度约为10-9mol/L，待完全 溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预 定的流量。当气泡从喷管中冒出的同时， 立即计时，为氧化作用的开始，氧化时间 可以控制在5～20分钟，到停止通气和搅拌， 准确的记彔氧化时间。
发酵工业中氧的供需 上试不能直接用于实际操作。用总传质系 数和总推动力来描述，则上式 ：
N A kG P P kL C CL
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递






KG:以氧分压差为推动力的总传质系数； KL：以氧浓度差为推动力的总传质系数； p*:与液相中氧浓度 c 相平衡时的氧分压； c*:与气相中氧分压 p 达到平衡的氧的溶解 度；
发酵工业中氧的供需
五 溶 氧 系 数 的 测 定
试验前后各用移液管取10～100mL样液， 立即移入新吸取的过量标准碘液中。然后 以淀粉作指示剂，以硫代硫酸钠标准液滴 定至终点。
※移液管下端开口离开碘液液面不要超过 1cm，以防止氧化。
发酵工业中氧的供需
3.计算方法
五 溶 氧 系 数 的 测 定
可得：
1 1 H K G kGபைடு நூலகம்k L
发酵工业中氧的供需 同样方法可得出KL的表达式：
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
1 1 1 K L H kG k L
对于易溶气体来讲：
K G kG
对于难溶气体来讲：
K L kL
发酵工业中氧的供需
传质方程
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
NA是氧气的传质速率，即穿越气-液界面的 速率。引入内界面参数a，用以描述单位体 积収酵液的传氧速率。 界面面积参数用a表示，单位：m2/m3 体积溶氧系数 KLa
发酵工业中氧的供需
dC N K L a C C L dt 1 K G a p p K La p p H
耗氧方面的阻力
1 ：胞外液膜； k5 1 ：胞内传递； k8
1 ：菌丝丛； k6
1 ：细胞膜； k7
k6、k7
为耗氧方面的阻力主要来源； 、
发酵工业中氧的供需 气体溶解过程：双膜理论
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
1923年Whiteman提出了气体溶解过程的传质 模型：双膜理论。
要点: 气液两相接触时，两相间存在稳定的相界面， 界面两侧各有一个很薄的滞流膜，溶质以分 子扩散的方式通过此膜层。 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。 在两个滞流膜以外的气液两相主体中，由于 流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
发酵工业中氧的供需 氧的传递途径与传质阻力
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
传递途径
发酵工业中氧的供需 供氧方面的阻力
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
1 1 1 1 ：収酵液； :气膜； ：气液界面； ：液膜； k1 k4 k3 k2
k3 是该过程阻力的主要来源；
根据反应原理：4Na2S2O3 ∝ O2
N Cn Kd P 4 1000Vs t P
N：体积溶氧系数；C：硫代硫酸钠浓度；r：时间； p:罐压；n:硫代硫酸钠用量；Vs：取样量
据此算出N，代入下式即可计算KLa。
N kL a C C


发酵工业中氧的供需 作业 对发酵罐通风调节的意义。 影响发酵设备氧传递速率的主要因素。
三 収酵过程好氧与供氧的动态关系
供氧与耗氧的平衡是动态的
N kL a C C QO2 X
dcL k L a C C L QO2 X dt dcL 0 dt




在恒定状态下
cL c
QO2 X K La
发酵工业中氧的供需 四 影响氧传递的因素
发酵工业中氧的供需
五 溶 氧 系 数 的 测 定
实际上氧分子一经溶入液相，立即就被还原 掉。这样的反应特性排除了氧化反应速度成 为溶氧阻力的可能，因此，氧溶于液体的速 度就是控制此氧化反应的因素。
N kL a C C



发酵工业中氧的供需
五 溶 氧 系 数 的 测 定
反应原理 在Cu2+存在下，2SO32- + O2 → 2SO42剩余的SO32-与过量的标准碘作用： SO32- + I2 → SO42- + 2I再用Na2S2O3标定液滴定剩余的碘: S2O32- + I2 → S4O62- + 2I-
发酵工业中氧的供需
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
双膜理论将复杂的相际传质过程归结为两种 流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型， 在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。 故，整个相际传质过程的阻力便全部集中在 两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称双阻 力模型。
发酵工业中氧的供需
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
发酵工业中氧的供需
根据亨利定律，可得：
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
P H C
P H CL
Pi H Ci
则NA的表达式可以写为：
1 P P P Pi Pi P P Pi H Ci C L KG NA NA NA NA NA
一 微 生 物 对 氧 的 需 求
发酵工业中氧的供需
二 収酵过程中氧的传递
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
气体交换 气体分压 混合气体之总压力等于各组分气体压力之和； 根据Avogadro定律，各组分气体的分压在总 压力中所占的百分比，相当于该组分气体在 混合气体中所占容积百分比。
发酵工业中氧的供需 气体的溶解度 若有一液相区域（如水）与一气相区域（如 空气）相接触，则空气中各种气体分子将撞 击液面幵迚入液体（溶解）；另一方面，气 体分子的运动导致气体从液体逸出，这种逸 出力称为张力。在一定分压下，溶解与逸出 达成动态平衡，即可以把液体中气体的张力 视为分压，该分压是气体在液相区域内扩散 的动力。
七 发酵工业中氧的供需
发酵工业中氧的供需
好气性微生物的生长収育和代谢活动都需要 消耗氧气，供氧对需氧微生物是必不可少的。 一 需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生 微 质中，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。
生 物 对 氧 的 需 求
一 微生物对氧的需求 不同菌种及不同菌龄、不同収酵阶段所需的 氧是不同的；微生物对氧的需求可用呼吸强 度和耗氧速率两种方法来描述。
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
N:氧的传递速率；KLa：以浓度差为动力 的体积溶氧系数；KGa：以分压差为推动 力的体积溶氧系数；cL：収酵液中氧浓度； c*：与气相中氧分压p平衡的収酵液氧浓度； p：气相中氧分压；p*：与液相中氧浓度c 平衡的氧分压；H：亨利常数；
发酵工业中氧的供需
三 发 酵 过 程 好 氧 与 供 氧 的 动 态 关 系