微生物生长中氧的供需作业

1.微生物生长中呼吸强度、摄氧率和临界氧浓度的含义分别是什么？

(1)呼吸强度（比耗氧速率）Q O2：

单位质量干菌体在单位时间内消耗发酵液中溶解氧的量

单位：mmolO2/（kg干菌体·h）

(2)摄氧率（耗氧速率OUR）γ：

单位体积培养液（含干菌体质量X）在单位时间内消耗发酵液中溶解氧的量。

单位：mmolO2/(m3·h)

（3）临界氧浓度：C cr

Q O2受发酵液中CL影响，不同微生物对CL都有最低要求。即不影响其呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界氧浓度。

2.写出发酵液中体积氧传递方程，并指出其中的各参数的含义。

（1）OTR = n O2•a

单位体积的比表面积a，单位面积的传氧速率n O2

（2）OTR=K L a(C*-C L)=K G a(P-P*)=K L a·1/H(P-P*)

OTR—单位体积培养液中氧的传递速率，kmol/(m3•h)

K L a—以浓度差为推动力的体积溶氧系数，h-1,s-1

K G a—以分压差为推动力的体积溶氧系数,kmol/(m3•h•MPa) 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，k mol/m3

C L—液相中和气、液界面处氧的浓度，k mol/m3

3.影响氧传递的因素有哪些，如何影响的？

两大类主要影响因素：

（1）影响推动力（C*-C L）氧浓度差的因素

C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3

C L—液相中氧的浓度，mol/m3

①温度

C w* =14.6/t+31.6

t—温度,℃

t ↑，C w*↓，推动力↓OTR ↓

②溶质

对于单一电解质 :

lgC w*/C e*=K C E

C e *—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m 3

C w *—氧在纯水中的溶解度, mol/m 3

C E —电解质溶液的浓度,k mol/m 3

K—Sechenov 常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.

C E ↑, C e * ↓, 推动力↓ OTR ↓

● 对于几种电解质的混合溶液：

h i —第i 种离子的常数, m 3 /kmol

Ei i i C Z 21I =,离子强度, kmol/m 3

Z i —第i 种离子的价数,

C E i —第i 种离子的浓度, k mol/m 3

● 非电解质

N n w KC C C =**lg

C n *—氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m 3

C N —非电解质或有机物浓度, kg/m 3

k —非电解质的Sechenov 常数, m 3/kg

C N ↑, C n *↓

● 混合溶液(电解质 + 非电解质)

∑∑+=j nj w i i i m w C C I h C C ****lg lg

C m *—氧在混合溶液中的溶解度, mol/m 3

溶质↑，C m *↓,OTR ↓

③溶剂

通常溶剂为水，氧在含有有机溶剂的水中溶解度比纯水中高，降低发酵液中水的极性可增加溶解氧 。

④氧分压

提高空气总压（适当增加罐压），可提高氧分压，对应的氧溶解度增加， 保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。

（2）影响k L a 的因素：

①设备因素

βαs G L W V P k a K )(=

● 发酵罐的形状，结构（几何参数）

随规模放大, K L a 将会减小.

● 搅拌器，空气分布器（几何参数）

对于α值: 弯叶 > 平叶 > 箭叶

对于β值: 弯叶 > 箭叶 > 平叶

破碎细胞情况: 平叶>箭叶>弯叶

翻动流体能力: 箭叶>弯叶>平叶

②操作条件

● 通气：表观线速度W s

βαs G L W V P k a K )(=

在通气量Q g 较低时, Q g ↑→W s ↑→ K L a ↑

● 搅拌：转速N ，搅拌功率P G

βαs G L W V P k a K )(=

转速N↑→P G ↑→ K L a↑

将空气分散成细小气泡，且防止其凝并，增大气液相的接触面积，即a ↑→K L a ↑→溶氧↑；搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧↑；搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度及传递阻力，即1/K L ↓→K L ↑→K L a↑→溶氧↑

N ↑时，将出现：

剪切力↑， 对细胞损伤↑，对形态破坏↑

PG ↑,发酵期间搅拌热↑，增加传热负荷

● 发酵液体积V ，液柱高度H L

③发酵液的性质

如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量

●表面活性剂的影响

表面活性剂的浓度↑，气液界面厚度↑, 1/K L↑, K L↓气泡变小↓, a↑添加至一定量时, K L降至最低, K L a下降显著；再继续增加时，K L维持最低水平不再下降，而a↑↑，此时K L a从最低点有所回升。

●离子强度的影响

电解质浓度↑，溶氧特性C*E↓

电解质浓度↑，气泡变小↓，a↑，K L a↑

☆离子强度I影响K L a公式中的α,β,k值

I=0～0.4时, α=0.40+0.862I/(0.274+I)

I↑, α↑，常数k↑

I > 0.4时, α=0.9, k值不再变化

β也随I增大而增大，但I对β的影响较小，β在0.35 ~0.39之间变化，不如α变化大

●菌体浓度的影响

细胞浓度X↑，η↑，K L a↓