发酵工程第五章氧的供需与传递
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CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因而发酵过程中不及时将 培养液中的CO2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌的代 谢。
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
化学化工学院
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
化学化工学院
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。
李 先 磊
化学化工学院
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）
化学化工学院
1、供氧方面的阻力
李 先 磊
化学化工学院
第一节
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
微生物细胞对氧的需求和 溶解氧的控制
一． 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
二． 微生物的临界氧浓度
三． 控制发酵液中溶解氧的意义
李 先 磊
化学化工学院
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
李 先 磊
化学化工学院
二、气体溶解过程中的双膜理论
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
氧传递首先从气相扩散到
气液两相界面，再进入液 相，界面一侧是气膜，一 侧是液膜。氧传递的主要 阻力存在于气膜和液膜中。
李 先 磊
气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化
化学化工学院
当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各 步传递速率相等，这时通过单位体积的传递速率为：
=
C 2
1/k2
= …… =
C 8
1/k8
化学化工学院
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速 率相等，即：
p－ pI nO2 =
李 先 磊
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第二节
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
培养过程中氧的传质理论
一． 氧的传递途径与传质阻力
二． 气体溶解过程中的双膜理论
李 先 磊
化学化工学院
一、氧的传递途径与传质阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再
t -- 溶液的温度，º C
李 先 磊
化学化工学院
影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
②
溶液的性质 溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度是不同的。 溶质浓度：通常浓度越高，溶解度越低。
在25℃、一个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol/L)
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
推动力
nO2 = 阻力 =
Pi
1/K i
nO2 — 氧的传递通量 (传递速率) ，mol/(m3· s)
Pi — 各阶段的推动力（分压差），Pa
1/K i — 各阶段的传递阻力，N· s/mol
李 先 磊
nO2 =CK=C 11/k1
李 先 磊
氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力；与微生物的种 类、生理特性有关。
化学化工学院
耗氧方面
发 酵 工 程
Fermentation Engineering ◇ 实验和计算证实，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，
即1/k5很小；而菌丝丛（或菌丝团）的阻力（1/k6）对菌丝 体的摄氧能力影响显著。
一、供氧与微生物呼吸及 代谢产物的关系
微生物只能利用溶解于液体中的氧。
微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率表示。
呼吸强度：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧
量，以QO2表示。 耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的吸 氧量，用r表示。
李 先 磊
化学化工学院
二、微生物的临界氧浓度
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
微生物耗氧速率受发酵液中氧浓度的影响，各种
微生物对发酵液中溶解氧浓度有一个最低要求， 即“临界氧浓度”，用c临界表示。 微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05mmol/L。 一般微生物需氧量为25-100mmolO2/L· h。 同一微生物在不同条件下需氧量不同。
◇
在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。
在搅拌和合理的工艺条件下，结团现象减少，因而能降低 1/k6。
◇
李 先 磊
1/k8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/k8就会减少，否则就会增大。
◇
化学化工学院
3、氧传递过程中要克服的阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
化学化工系
发 酵 工 程
第五章 氧的供需与传递
Fermentation Engineering
李 先 磊
化学化工学院
氧的供需与传递
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 培养过程中氧的传质理论 溶氧传递系数的测定方法 影响氧传递速率的主要因素 发酵液中溶解氧的测定和控制
李 先 磊
影响微生物需氧量的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
化学化工学院
1、微生物种类
2、培养基的组成与浓度 种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同
3、菌龄 培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种 类和浓度影响尤为显著。 4、培养条件 不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程
供氧阻力
耗氧阻力
李 先 磊
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3、氧传递过程中要克服的阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
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：
1/Kt = 1/KG + 1/KI + 1/KL + 1/KLB + 1/KLC + 1/KIS+ 1/KA + 1/KW + 1/KR
李 先 磊
化学化工学院
2、饱和度
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二
相中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶 液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。 若外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随 时间而变化，此浓度为饱和浓度或平衡浓度。 影响饱和度的因素
◇
李 先 磊
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2、耗氧方面的阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
1）细胞周围液膜阻力（1/k5;
1/KLC）
与发酵液的成分和浓度有关。 2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6; 1/KA）
与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和 酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。 3）细胞壁、膜的阻力（1/k7; 与微生物的生理特性有关。 4）细胞内反应阻力（1/k8; 1/KR） 1/KW）：
1/k1 、1/k2与空气情况有关 1/k3 、1/k4 、1/k5与发酵液成分、浓度有关
李 先 磊
1/k6 、1/k7 、1/k8与微生物的种类、特性、生理状态有关
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培养过程中氧的传质理论
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
一． 氧的传递途径与传质阻力
二． 气体溶解过程中的双膜理论
C* — 与气相PO2达平衡时溶液中的氧浓度，mmolO2/L
PO2 — 氧分压， Pa
H — Henry常数（与溶液性质、温度等有关），Pa· L/mmolO2
李 先 磊
气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加， 必要时可向发酵液中通入纯氧以提高溶氧。
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3、控制溶解氧的意义
发 酵 工 程
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
1）气膜阻力（ 1/k1 ; 1/KG）：为气体主流及气-液界面的气 膜阻力，与空气情况有关。
2） 气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关，只有 具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气 相。 3）液膜阻力（1/k3; 1/KL ）：为从气-液界面至液体主流间 的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。
一． 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
二． 微生物的临界氧浓度
三． 控制发酵液中溶解氧的意义
李 先 磊
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氧的供需与传递
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 培养过程中氧的传质理论 溶氧传递系数的测定方法 影响氧传递速率的主要因素 发酵液中溶解氧的测定和控制
度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。 一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度 pH、温度等 5、有毒产物的形成及积累 的增加而增加。 例如；菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高 CO2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸 作用密切相关。
1、溶解氧
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
溶解氧（DO; Dissolved Oxygen) ① DO作为环境因素对微生物反应有直接影响； ② DO被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代 谢过程，可视为一种营养性底物。 难溶：25°C、一个大气压，空气中的O2在纯水 中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成 分，其溶解度更低。
溶液浓度mol/L 0 0.5 1.0 2.0
盐酸 1.26 1.21 1.16 1.12
硫酸 1.26 1.21 1.12 1.02
氯化钠 1.26 1.07 0.89 0.71
李 先 磊
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
③ 氧分压
在系统总分压小于5个大气压的情况下，氧的溶 解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压 成直线相关，可用Henry定律表示： C* = PO2/H
1.26 1.16
李 先 磊
35
40
1.09
1.03
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对 氧饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算（适 用度为4～33º C)
C* = 14.68/ (31.6 + t)
C* --与1个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度，mol/m3
李 先 磊
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
在1个大气压及不同温度
下纯氧在水中的溶解度（mmol/L) 温度（º C） 溶解度
①
温度：随着温度升高， 气体分子运动加快，使 饱和浓度下降。
0
10 15
2.18
1.70 1.54
20
25 30
1.38
李 先 磊
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1、溶解氧
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
◆ 对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体 积为10-16 m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3 molO2/(kgs)，菌 体密度为1000 kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需氧 量为： 10-16×1015×1000×0.2 × 2.6×10-3 =0.052 molO2/(m3· s) ◆ 0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。 发酵液中的[DO]比纯水中的 [DO]要小
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
Fermentation Engineering
微生物细胞对氧的需求和 溶解氧的控制
一． 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
二． 微生物的临界氧浓度
三． 控制发酵液中溶解氧的意义
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发 酵 工 程
Fermentation Engineering
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二、气体溶解过程中的双膜理论
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
氧传递首先从气相扩散到
气液两相界面，再进入液 相，界面一侧是气膜，一 侧是液膜。氧传递的主要 阻力存在于气膜和液膜中。
李 先 磊
气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化
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当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各 步传递速率相等，这时通过单位体积的传递速率为：
=
C 2
1/k2
= …… =
C 8
1/k8
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发 酵 工 程
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当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速 率相等，即：
p－ pI nO2 =
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第二节
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
培养过程中氧的传质理论
一． 氧的传递途径与传质阻力
二． 气体溶解过程中的双膜理论
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一、氧的传递途径与传质阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再
t -- 溶液的温度，º C
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
②
溶液的性质 溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度是不同的。 溶质浓度：通常浓度越高，溶解度越低。
在25℃、一个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol/L)
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
推动力
nO2 = 阻力 =
Pi
1/K i
nO2 — 氧的传递通量 (传递速率) ，mol/(m3· s)
Pi — 各阶段的推动力（分压差），Pa
1/K i — 各阶段的传递阻力，N· s/mol
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nO2 =CK=C 11/k1
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氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力；与微生物的种 类、生理特性有关。
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耗氧方面
发 酵 工 程
Fermentation Engineering ◇ 实验和计算证实，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，
即1/k5很小；而菌丝丛（或菌丝团）的阻力（1/k6）对菌丝 体的摄氧能力影响显著。
一、供氧与微生物呼吸及 代谢产物的关系
微生物只能利用溶解于液体中的氧。
微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率表示。
呼吸强度：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧
量，以QO2表示。 耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的吸 氧量，用r表示。
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二、微生物的临界氧浓度
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
微生物耗氧速率受发酵液中氧浓度的影响，各种
微生物对发酵液中溶解氧浓度有一个最低要求， 即“临界氧浓度”，用c临界表示。 微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05mmol/L。 一般微生物需氧量为25-100mmolO2/L· h。 同一微生物在不同条件下需氧量不同。
◇
在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。
在搅拌和合理的工艺条件下，结团现象减少，因而能降低 1/k6。
◇
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1/k8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/k8就会减少，否则就会增大。
◇
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3、氧传递过程中要克服的阻力
发 酵 工 程
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化学化工系
发 酵 工 程
第五章 氧的供需与传递
Fermentation Engineering
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氧的供需与传递
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 培养过程中氧的传质理论 溶氧传递系数的测定方法 影响氧传递速率的主要因素 发酵液中溶解氧的测定和控制
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影响微生物需氧量的因素
发 酵 工 程
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化学化工学院
1、微生物种类
2、培养基的组成与浓度 种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同
3、菌龄 培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种 类和浓度影响尤为显著。 4、培养条件 不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程
供氧阻力
耗氧阻力
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3、氧传递过程中要克服的阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
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：
1/Kt = 1/KG + 1/KI + 1/KL + 1/KLB + 1/KLC + 1/KIS+ 1/KA + 1/KW + 1/KR
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2、饱和度
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二
相中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶 液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。 若外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随 时间而变化，此浓度为饱和浓度或平衡浓度。 影响饱和度的因素
◇
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2、耗氧方面的阻力
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
1）细胞周围液膜阻力（1/k5;
1/KLC）
与发酵液的成分和浓度有关。 2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6; 1/KA）
与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和 酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。 3）细胞壁、膜的阻力（1/k7; 与微生物的生理特性有关。 4）细胞内反应阻力（1/k8; 1/KR） 1/KW）：
1/k1 、1/k2与空气情况有关 1/k3 、1/k4 、1/k5与发酵液成分、浓度有关
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1/k6 、1/k7 、1/k8与微生物的种类、特性、生理状态有关
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培养过程中氧的传质理论
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
一． 氧的传递途径与传质阻力
二． 气体溶解过程中的双膜理论
C* — 与气相PO2达平衡时溶液中的氧浓度，mmolO2/L
PO2 — 氧分压， Pa
H — Henry常数（与溶液性质、温度等有关），Pa· L/mmolO2
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气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加， 必要时可向发酵液中通入纯氧以提高溶氧。
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3、控制溶解氧的意义
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1）气膜阻力（ 1/k1 ; 1/KG）：为气体主流及气-液界面的气 膜阻力，与空气情况有关。
2） 气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关，只有 具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气 相。 3）液膜阻力（1/k3; 1/KL ）：为从气-液界面至液体主流间 的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。
一． 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
二． 微生物的临界氧浓度
三． 控制发酵液中溶解氧的意义
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氧的供需与传递
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Fermentation Engineering
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 培养过程中氧的传质理论 溶氧传递系数的测定方法 影响氧传递速率的主要因素 发酵液中溶解氧的测定和控制
度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。 一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度 pH、温度等 5、有毒产物的形成及积累 的增加而增加。 例如；菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高 CO2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸 作用密切相关。
1、溶解氧
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
溶解氧（DO; Dissolved Oxygen) ① DO作为环境因素对微生物反应有直接影响； ② DO被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代 谢过程，可视为一种营养性底物。 难溶：25°C、一个大气压，空气中的O2在纯水 中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成 分，其溶解度更低。
溶液浓度mol/L 0 0.5 1.0 2.0
盐酸 1.26 1.21 1.16 1.12
硫酸 1.26 1.21 1.12 1.02
氯化钠 1.26 1.07 0.89 0.71
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
③ 氧分压
在系统总分压小于5个大气压的情况下，氧的溶 解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压 成直线相关，可用Henry定律表示： C* = PO2/H
1.26 1.16
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35
40
1.09
1.03
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
Fermentation Engineering
当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对 氧饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算（适 用度为4～33º C)
C* = 14.68/ (31.6 + t)
C* --与1个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度，mol/m3
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影响饱和度的因素
发 酵 工 程
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在1个大气压及不同温度
下纯氧在水中的溶解度（mmol/L) 温度（º C） 溶解度
①
温度：随着温度升高， 气体分子运动加快，使 饱和浓度下降。
0
10 15
2.18
1.70 1.54
20
25 30
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1、溶解氧
发 酵 工 程
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◆ 对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体 积为10-16 m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3 molO2/(kgs)，菌 体密度为1000 kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需氧 量为： 10-16×1015×1000×0.2 × 2.6×10-3 =0.052 molO2/(m3· s) ◆ 0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。 发酵液中的[DO]比纯水中的 [DO]要小