第四章 通风与搅拌1

氧的满足度对氨基酸生产的影响
微生物次级代谢产物生产与氧浓度的关系
微生物的次级代谢产物生产也有类似的情 例如Feren Feren等发现头孢菌素和卷须霉素产 况，例如Feren等发现头孢菌素和卷须霉素产 生菌的临界溶氧浓度分别为饱和氧浓度的0% 0%～ 生菌的临界溶氧浓度分别为饱和氧浓度的0%～ 7%和13%～23%， 7%和13%～23%，但头孢菌素的生产在氧浓度低 于饱和浓度的10% 20%时受到抑制 10%～ 时受到抑制， 于饱和浓度的10%～20%时受到抑制，而卷须霉 素的生产则在氧浓度低于饱和浓度的8% 8%时才受 素的生产则在氧浓度低于饱和浓度的8%时才受 抑制， 抑制，所以头孢菌素生产中氧浓度应高于临界 而卷须霉素的生产则低于临界值。 值，而卷须霉素的生产则低于临界值。
4.1.1 呼吸作用的化学计量学 ( Stoichiometry of respiration ) 葡萄糖完全氧化生成二氧化碳和水， 葡萄糖完全氧化生成二氧化碳和水，化学式 可以描述为： 可以描述为：
C H O + 6O = 6H2O+ 6C 2 O 6 12 6 2
原子量 Carbon Hydrogen Oxygen 12 1 16 180
第一节细胞对氧的需求第二节培养过程中的氧传递和速率第三节氧传递速率与细胞呼吸的关系la的测定kla第五节反应器搅拌轴功率的计算la与设备参数及操作变数之间的关系式第七节反应器中的kla与其调节在厌氧微生物反应器中为了保持微生物与反应基质的均匀混合需要搅拌但是只需要很小的搅拌功率象厌氧的乙醇发酵在发酵过程中产生的二氧化碳气泡而造成的发酵液循环就可以满足这种需要再比如乳酸发酵搅拌功率很小搅拌轴运转很慢4060rpm就可以
levels）
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Critical dissolved oxygen levels for a range of microorganisms
Organism Temperature oC 30 37 30 24 Critical dissolved Oxygen concentration (mmoles dm -3) 0.018 0.008 0.004 0.022
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4.1.2 细胞的比耗氧速率（呼吸强度）与氧浓度的关系 细胞的比耗氧速率（呼吸强度） 细胞的耗氧速率常用比耗氧速率来表示。 细胞的耗氧速率常用比耗氧速率来表示。 细胞的比耗氧速率（ ）（Q 细胞的比耗氧速率（Respiration rate ）（ O2 ）： 单位质量的细胞在单位时间内耗氧的量 比耗氧速率与溶氧浓度之间的关系： 比耗氧速率与溶氧浓度之间的关系：
4.1.3 摄氧率r 摄氧率r
单位体积培养液在单位时间内的耗 氧量称为摄氧率. 氧量称为摄氧率.
r =Q 2 X O
r：摄氧率molO2/m3·s 摄氧率molO s 细胞浓度kg/m X: 细胞浓度kg/m34.1.4 氧的满足度
溶氧浓度与临界氧浓度之比称为 氧的满足度。 氧的满足度。
CL Ccritic
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QO2
（QO2）m
Q2 = O
(Q 2 )m ⋅CL O Ko+CL
临界溶氧浓度。
Ccritical
Dissolved Oxygen Concentration（CL）
细胞的比耗氧速率（呼吸强度） 细胞的比耗氧速率（呼吸强度）随 溶氧浓度的增加而升高， 溶氧浓度的增加而升高，当溶氧浓度达 到一定值时， 到一定值时，细胞的比耗氧速率不再增 此时的溶氧浓度（ 加，此时的溶氧浓度（[DO]值）称为： 值 称为： 临界溶氧溶氧浓度（Critical dissolved oxygen 临界溶氧溶氧浓度（
对培养液中的细胞进行鼓泡通气时， 对培养液中的细胞进行鼓泡通气时，氧从 气泡传递到细胞内要克服一系列的阻力， 气泡传递到细胞内要克服一系列的阻力，阻力 的相对大小决定于流体力学性质、温度、 的相对大小决定于流体力学性质、温度、细胞 的活性和浓度，液体的组成， 的活性和浓度，液体的组成，界面特性和其他 一些因素。 一些因素。 氧在克服上述阻力进行传递的过程中， 氧在克服上述阻力进行传递的过程中，传 递过程的总推动力就是气相与细胞内的氧分压 之差， 之差，这一总推动力消耗在从气相到细胞内的 各项传递阻力上。 各项传递阻力上。
影响氧的需求的因素
细胞的呼吸速率 细胞的呼吸种类（有氧VS厌氧 厌氧） 细胞的呼吸种类（有氧 厌氧） 底物的种类（葡萄糖VS甲烷 甲烷） 底物的种类（葡萄糖 甲烷） 环境因素（ ，温度） 环境因素（pH，温度） 细胞的种类（比表面积大vs比表面积小 比表面积小） 细胞的种类（比表面积大 比表面积小）
水相
溶解的反应物 /产物 产物 糖，酶等
固相
细胞 细胞器官
4.2.2 氧传递过程
Gas bubble Liquid film
1 2 3 4 6 5 7
Microbial cell
1）The bulk gas phase in the bubble. 2) The gas-liquid interphase. 3) The liquid film around the bubble. 4) The bulk liquid culture medium. 5) The liquid film around the microbial cells. 6) The cell-liquid interphase. 7) The intracellular oxygen transfer resistance.
Q2 = O
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(Q 2 )m ⋅CL O Ko+CL
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QO2 =
式中：
(QO2 )m ⋅ CL Ko + CL
QO2：比耗氧速率 molO2/kg干cell·s （ QO2 ）m：最大比耗氧速率 molO2/kg干cell·s CL：溶氧浓度 mol/m3 Ko：氧的米氏常数 mol/m3
The Oxygen requirements of industrial fermentations
氧的需求还与碳的转化率有关。 氧的需求还与碳的转化率有关。 氧和葡萄糖的转化成菌体的化学计量式已 经被阐明 利用化学计量式可以预测氧的需求量。 利用化学计量式可以预测氧的需求量。 Darlington (1964) 描述了酵母细胞的组成 C 3.92 H 6.5 O 1.94
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4-1 细胞对氧的需求 （Oxygen demand and respiration） 许多细胞需要有分子态的氧作为呼吸 链电子传递系统末端的电子受体， 链电子传递系统末端的电子受体，最后与 氢离子结合成水。 氢离子结合成水。在呼吸的电子传递过程 释放大量能量， 中，释放大量能量，供细胞的维持生长和 合成反应使用。此外， 合成反应使用。此外，氧还直接参与一些 生物反应，对于这些细胞， 生物反应，对于这些细胞，供氧不足就会 抑制细胞的生长代谢。 抑制细胞的生长代谢。
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引言
在厌氧微生物反应器中， 在厌氧微生物反应器中，为了保持微生物 与反应基质的均匀混合，需要搅拌， 与反应基质的均匀混合，需要搅拌，但是只需 要很小的搅拌功率，象厌氧的乙醇发酵， 要很小的搅拌功率，象厌氧的乙醇发酵，在发 酵过程中产生的二氧化碳气泡而造成的发酵液 循环就可以满足这种需要，再比如乳酸发酵， 循环就可以满足这种需要，再比如乳酸发酵， 搅拌功率很小，搅拌轴运转很慢（ 搅拌功率很小，搅拌轴运转很慢（40~60rpm） ） 就可以。 就可以。
a） a） b） ） c） ） d） ） 打碎通入空气的气泡 增加气液接触面积 减少气液膜厚度 阻挡气泡使其慢些排出， 阻挡气泡使其慢些排出，以提高溶氧效率
工业发酵过程中一般通过通风 和搅拌来提供发酵过程所需要的氧 气。 氧的可利用情况往往影响发酵 过程的生产能力， 过程的生产能力，因此氧是影响发 酵过程的重要因素。 酵过程的重要因素。
4.2 培养过程中的氧传递及速率
4.2.1 物质传递和相的概念 生物细胞发酵过程中最基本的过程 是物质传递，如营养物质、产物、氧气、 是物质传递，如营养物质、产物、氧气、 CO2等在气相、液相和固相之间的传递。 等在气相、液相和固相之间的传递。
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非水相
反应物/产物 反应物 产物 氧气/CO2，CH4 氧气 液体营养物质 底物
葡萄糖分子量为： 葡萄糖分子量为：
从上式可以计算出，氧化 克葡萄糖需要消耗192克的 从上式可以计算出，氧化180克葡萄糖需要消耗 克葡萄糖需要消耗 克的 氧气。 氧气。
氧的溶解（ 氧的溶解（Solubility of Oxygen） ）
氧气和葡萄糖等营养物质必须首先溶解在 水相中才能被生物细胞所利用。 水相中才能被生物细胞所利用。 氧的溶解度是葡萄糖溶解度的6000分之 分之1. 氧的溶解度是葡萄糖溶解度的 分之 在氧的饱和溶液中，氧气的浓度仅仅是 在氧的饱和溶液中， 10mg /L 因此必须在发酵过程中持续不断的通入氧气， 因此必须在发酵过程中持续不断的通入氧气， 才能满足发酵过程对氧的需求。 才能满足发酵过程对氧的需求。
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4.1.5 溶氧浓度对细胞生长和产物生成影 响的不一致性 很多时候培养的目的不是为了取得 细胞而是为了获得代谢产物， 细胞而是为了获得代谢产物，而溶氧浓 度对细胞生长和产物生成的影响可能是 不同的， 不同的，即对于细胞生长的最佳氧浓度 不一定就是生成产物的最佳氧浓度。 不一定就是生成产物的最佳氧浓度。 例如用黄色短杆菌生产各种氨基酸 时溶氧浓度的影响。 时溶氧浓度的影响。
Azotobacter sp. 固氮菌 E. coli Saccharomyces sp. 酵母 Penicillin chrysogenum 产黄青霉菌
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临界溶氧水平
• 虽然氧在培养液中溶解度很低， 虽然氧在培养液中溶解度很低，但在培养过程中 不需要使溶氧浓度达到或接近饱和值， 不需要使溶氧浓度达到或接近饱和值，而只要超过某 一临界溶氧浓度即可。当不存在其它限制性基质时， 一临界溶氧浓度即可。当不存在其它限制性基质时， 如果溶氧浓度高于临界值， 如果溶氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持不 如果溶氧浓度低于临界值， 变，如果溶氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率就 会大大下降，这时细胞处于半厌氧状态， 会大大下降，这时细胞处于半厌氧状态，代谢活动可 能受到影响，微生物的临界溶氧浓度大约是饱和浓度 能受到影响， 的1%~25%。 。
对于好氧培养系统而言，情况不一样， 对于好氧培养系统而言，情况不一样， 除了均匀混合的需要之外， 除了均匀混合的需要之外，更重要的是必须 有足够的溶解氧参加微生物的代谢反应。 有足够的溶解氧参加微生物的代谢反应。氧 在水相中的溶解度很低， 在水相中的溶解度很低，而实际培养液与纯 水相比，饱和溶氧浓度更低，所以机械搅拌 水相比，饱和溶氧浓度更低， 的更重要功能在于: 的更重要功能在于
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为了满足生物细胞的呼吸作用， 为了满足生物细胞的呼吸作用，一般要保证 培养基内的溶氧水平高于临界值。 培养基内的溶氧水平高于临界值。 如果溶氧浓度低于临界溶氧水平，细胞代谢 如果溶氧浓度低于临界溶氧水平， 会受到影响。 会受到影响。在很多情况下代谢紊乱是非常危险 如在氨基酸生产。 的。如在氨基酸生产。
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O2 Requirements
6.67CH2O + 2.1O2 = C 3.92 H 6.5 O 1.94 + 2.75CO2 + 3.42H2O 7.14CH2 + 6.135O2 = C 3.92 H 6.5 O 1.94 + 3.22CO2 + 3.89H2O where CH2 = hydrocarbon CH2O = carbohydrate From the above equations to produce yeast from hydrocarbon requires three times the amount of oxygen than from carbohydrate 。
发酵工程
第四章 通风与搅拌
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第四章 通气与搅拌
第一节 细胞对氧的需求 第二节 培养过程中的氧传递和速率 第三节 氧传递速率与细胞呼吸的关系 的测定(K 第四节 KLa的测定 La – measurement) 第五节 反应器搅拌轴功率的计算 第六节 KLa与设备参数及操作变数之间的关系式 反应器中的K 第七节 反应器中的 La与其调节