微生物生长中氧的供需作业
第五章氧的供需与传递
（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。
第七章氧的供需与传递
另一种方法是增加空气中氧的含量，进行富氧通气操作。即通过深冷分离法、吸
附分离法及膜分离法制得富氧空气，然后通入培养液。目前由于这三种分离方法的成本都较高， 富氧通气还处于研究阶段。
2、气液比表面积
问题
提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？
比表面积：气泡表面积与体积之比，比表面积越大，氧传递速率越大，主要体现以 下三个方面：
4
液相主体
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
2、氧的传递速率总方程式
OTR=K Lα（c*-cL）
式中： OTR---单位体积培养液中的传氧速率，[mol/m3· s]；
KL---以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) α– 比表面积（m2/m3) KLα---以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）；
A、气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及气泡的大小。截 留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比表面积就越小。 B、搅拌对比表面积的影响较大。因为搅拌一方面可 使气泡在液体中产生复杂的运动，延长停留时间，增 大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切作用又使气泡 粉碎，减小气泡的直径。
3、复膜氧电极法 4、压力法
KL---以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) α– 比表面积（m2/m3) KLα---以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）；
四、氧传递系数的测定P126
1、亚硫酸盐氧化法
五、影响氧传递速率的主要因素
根据气液传递速率方程：
2、取样极谱法
OTR=K Lα（c*-cL） 凡是影响推动力c*-cL、比表面积α和传递系数
从而影响到氧传递系数K Lα 。当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传递系数K Lα就降低。
第五章氧的供需与传递
耗氧速率 指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量， 以 r 表示，单位为[mmolO2/L·h] 。
发酵过程中氧的需求
几个重要基本参数
r=Qo2·X
式中： r ---耗氧速率mmolO2/L·h； Qo2---菌体呼吸强度 mmolO2/（g干细胞·h ） ； X ---发酵液中菌体浓度，（g/L）
间，增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切
作用又使气泡粉碎，减小气泡的直径。
增大通气量可增加空气的截留率，从而使比表
面积增大。
影响氧传递推动力的因素
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL） 传递系数KL
影响传递系数KL的因素
搅拌 空气线速度 空气分布管 培养液的性质 表面活性剂 离子强度
菌体浓度
搅拌
采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方法。 1）搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加了氧与 液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡 慢，相应地氧与液体的接触时间也就增长； 2）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作 螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，增加了气液 的接触时间； 3）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接 触面积的增加，使推动力均一，同时也减少了菌体表 面液膜的厚度，有利于氧的传递。
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL） 比表面积α 比表面积α越大，氧传递速率越大 气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以 及气泡的大小。 截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡 比表面积就越大。
增加比表面积
搅拌对表面积的影响较大，因为搅拌一方面可 使气泡在液体中产生复杂的运动，延长停留时
发酵工程 第五章 氧的供需与传递
2. 剩余的Na2SO3与过量的碘作用 H2O
Na2SO3 + I2
Na2SO4 + 2HI
3. 再用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘 2Na2S2O3 + I2 Na2S4O6 + 2NaI
亚硫酸盐氧化法
操作程序： ◆ 将一定温度的自来水加入试验罐内，开始搅拌， 加入亚硫酸钠晶体，使SO3-2浓度约0. 5mol/L左右； 再加入硫酸铜晶体，使Cu2+浓度约为10-3 mol/L，待 完全溶解；通空气，一开始就接近预定的流量，尽 快调至所需的空气流量；稳定后立即计时，为氧化 作用开始；氧化时间连续4～10min，到时停止通气 和搅拌，准确记录氧化时间。 ◆ 试验前后各用吸管取5～100ml样液，立即移入 新吸入的过量的标准碘液中；然后用标准的硫代硫 酸钠溶液，以淀粉为指示剂滴定至终点。
一、氧的传递途径与传质阻力
氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再
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。
1. 供氧方面的阻力
加而增大。当增加通气量时，空气的线速度也 相应增大，从而增加了溶氧，氧传递系数KLα 也增大。
过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，
气流形成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率 和溶氧速率都大大降低，“过载”现象。
3. 空气分布管
当通风量较小（0.02-0.5 ml/s）时，气泡的直径与空
降低；
提高氧在溶液中的方法：适当增加罐压，进行
6.4氧的供需及对发酵的影响(2)
式中C*可以查 得，CL可以用 溶氧电极测得， OUR也可算出为7L的实验室小罐，通气量为1VVM（标 态），发酵液的CL＝25%、空气进入时的氧含量为21%， 废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发 酵罐的KLa
3、动态法 用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧 达到平衡，溶氧是一条水平线 这时停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉 氧气。由于微生物对氧的利用，溶氧迅速下降，过 一段时间溶氧下降缓慢 待溶氧到最低点后再恢复通气。这样可以得到溶 氧随时间变化的曲线
N：单位接触面积传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 ;kmol/m2.h.atm KL: 液膜传质系数 m/h
CL
气液界面:
氧从气膜到液膜
C* : 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
N k c c L
L
KL : 以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h) c* : 氧在水中的饱和浓度mmol/ L 所有能增加以上两指标的因素都能改善供氧 再令：单位体积的液体中所具有的氧传递面积为 a (m2/m3)
小节：
了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定 深入理解KLa的意义，了解反应器放大的基本概念 掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控 溶氧浓度的意义
7.4 氧的供需及对发酵的影响
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％饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长 期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此 时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使 溶氧成为限制因素。
第四章发酵供氧
③ 设备或工艺控制发生故障或变化，
例如：a 搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢；
b 消泡剂因自动加油器失灵或人为加入量太多；
c 停止搅拌、闷罐（罐排气封闭）等。
引起溶氧异常升高的原因
在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变，
如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。
特别是污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解 前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后， 完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。
谷氨酸生产菌在种子培养7ｈ的耗氧速率为13 mmol/(L.h) ，发酵１３ｈ的耗氧速率为50 mmol/(L.h) ， 发酵１８ｈ的耗氧速率为51mmol/(L.h) 。
为避免发酵处于限氧条件下，需考查临界氧浓度和最适氧 浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。
最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，
谷氨酸发酵的溶氧低峰在６～２０ｈ，而抗生素的溶氧低峰在１
０～７０ｈ，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设 备供氧能力的不同而异。
发酵中后期，对于分批发酵来说，溶氧变化比较小。 在生产后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐 步上升，一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。
补料对溶氧的影响：
因子又在供氧的条件下才能转变成维生素Ｂ １２ ，因而采用厌
氧和供氧相结合的方法有利于维生素Ｂ １２ 的合成。
据实验研究，当溶氧下降到４５％时，就从好气培养转为厌 气培养，酶的活力可提高６倍，这说明控制溶氧的重要性。
例3：金霉素发酵
对抗生素发酵来说，氧的供给更为重要。
金霉素发酵，在生长期中短时间停止通风，就可能影响菌
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
微生物发酵氧的供需与传递
临界氧浓度（c临界）
临界氧浓度：指不影响呼吸（或产物合成） 所允许的最低溶氧浓度。
微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L，
为饱和浓度的1~25%。
若不存在其他限制性基质时： •CL＜Ccr时，QO2随CL的增加而增大； •CL＞Ccr时，QO2恒定。
三、控制发酵液中溶解氧的意义
无菌空气中的氧
溶解
发酵液中的溶解氧
传递
细胞内氧化酶系
菌体利用
代谢产物
微生物吸氧量的表示
呼吸强度
• 单位重量干菌体在单位时间内所吸取的氧 的量，QO2 ，单位mmolO2/(g· h)。 • 表示微生物的相对需氧量。
耗氧速率
• 单位体积培养液在单位时间内的吸氧量， r，单位mmolO2/(L· h)。
2
优点：
– 操作简便，且在相当清洁的条件下能得到非常精确的 结果； – 取样均匀； – 不需要特殊仪器。
缺点：
– 发酵罐内如有极少量的表面活性剂，都可导致测定值 不精确； – 亚硫酸钠溶液对菌体生长有影响，且流变学性质与发 酵液差别较大，加之氧传递影响因素较多，故测定值 不能反映真实培养状态下的溶氧； – 只在工作容积为4～80L的设备中测定比较可靠，且 仅能表示培养设备通气效率的优劣。
第四节 影响氧传递速率的主要因素
N K L ac * cL
溶液的性质对氧溶解度的影响 气-液比表面积对氧溶解度的影响 影响氧传递系数的因素
一、溶液的性质对氧溶解度的影响
温度：
– 氧的溶解度随温度的升高而降低。
溶液性质：
– 一般，溶质含量越高，氧的溶解度就越小。
氧分压：
– 增加罐压，但同时会增加CO2的溶解度，不利 于CO2排出，而影响细胞的生长和产物的代谢；
生物工艺原理—氧的供需及对发酵的影响
图6－2 链霉素发酵种子罐的菌丝呼 吸强度随时间的变化
摄氧率(r)：表示发酵液中宏观上表现
出对氧的需求，反映发酵 过程特征。既与菌的活性 有关，又与菌量有关。
发酵初期 菌体ห้องสมุดไป่ตู้吸强度虽大，但因菌量少，总需氧量小；
随着菌体生长繁殖，菌量迅速增加，呼吸强度 维持在较高水平，需氧量随之增加到最高水平；
发酵中期 菌体数量保持平衡，次级代谢产物大量分泌，呼
C*表示水的饱和氧浓度，CL表示溶解氧浓度，C*CL越大，氧越容易溶解到水中。△C＝C*-CL为氧 传递推动力。氧是细胞内的生化反应的电子最终受 体，这些反应由细胞色素氧化酶催化，真核细胞色 素氧化酶系统位于线粒体膜壁，进入细胞的氧要到 达线粒体上才能进行反应。原核细胞膜电子传递系 统位于“中体”。线粒体或中体上酶活力大小以及 培养液中溶解氧浓度，影响微生物的氧消耗速率。
图6－4 酵母随以临界氧浓度表示的 氧浓度而变化的呼吸速率的变化
• 溶氧浓度较低时，呼吸强度随溶氧浓度增加而增加，当 溶氧浓度到达某一个值，再增加溶氧浓度，呼吸强度不 再增加，这时的溶氧浓度称呼吸临界氧浓度，以C临界表 示。C临界表示不影响呼吸的最低氧浓度。好氧微生物的 呼吸临界氧浓度约为0.003～0.05mmol/l。
个过程为供氧过程；氧进入细胞并到达呼吸 酶位置，这个过程为需氧过程。
图6－1 氧从气泡到细胞的传递过程示意图
1、从气相主体到气液界面的气膜传递阻力1/kG;2、气液界面的传递阻力 1/kI;3、从气液界面透过液膜的传递阻力1/kL;4、液相主体的传递阻力 1/kLB;5、细胞或细胞团表面的液膜阻力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
氧的供需与
实际培养过程中， 不需使培养液中的溶氧浓度接近或达到其饱和值， 而是超过或 接近某一临界溶氧浓度 (Ccr ) ，一般来说，微生物的临界溶氧浓度 (Ccr ) 大约为培养 液饱和溶氧浓度的 1%～25%。表 6-10 列举于一些微生物的临界溶氧浓度。
4、培养条件
• 一般来说，温度愈高，培养基成分愈丰富， 微生物的呼吸强度愈高。当pH为最适pH时， 微生物的需氧量最大。
（三）影响KL的因素
在通气搅拌的反应器中 KL 取决于细胞大小和气泡附近的流体力学性质，氧传递 的主要阻力为气泡周围的液膜阻力，而氧的扩散系数是影响氧传递的主要因素。 当气泡直径 DP＜2.5mm 时，氧的传递符合溶质渗透理论和表面更新理论，此时， KL 与 DL 的 1/2 次方成正式。 因此， 可通过调节溶液性质和操作条件等， 提高 DL， 达到增大 KL 的目的。
1/ Kt —总的传递阻力，以压差为推动力时，单位为（N·S/mol） 。
三、影响氧传递速率的主要因素
（一）影响推动力（C*-CL）的因素 （二）影响气液表面积a的因素 （三）影响KL的因素 （四）影响KLa的因素
（一）影响推动力（C*-CL）的因素
在一定 CL 要求下，提高（C*-CL）就是设法提高 C*，而影响 C*的因素主要 有： 1、温度 氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，为了提高 C*可在不影响微生物菌 体生长和产物合成的条件下，可采取降低温度的措施。 2、pH 氧在酸性溶液中的溶解度随酸的种类和浓度而异。一般表现为酸的强度大、 浓度高，则溶氧低。氧在盐酸和硫酸溶液中的溶解度如表 6-11 所示。 3、电解质浓度 氧在电解质溶液中的溶解度随电解质浓度的增加而下降。 由上述影响氧溶解度的因素知， 在培养液组成和培养条件确定的条件下， 要提高 C*可采取以下方法：①增加罐压；②增加空气中氧含量，进行富氧通气操作。
氧的供需与传递、生物反应器
p=HC*
1/ KL = (C*-C)/J=(C*-Ci)/J+(Ci-C)/J
1/ KL =1/(Hkg)+1/kl 同理: 1/ KG =1/kg+H/kl
对于氧气来说，H很大，因此就有1/(Hkg)远远小于 1/kl，即1/ KL ≈1/kl，说明液膜阻力占传质过程阻力 的主导地位。由于液相中的C和C*易测定或推算， 因此，以（C*-C)为推动力表示的传质通量J普遍。 J=KL(C*-C)
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
NSh为Sherwood 准数， NSh =(KLCdp)/DL NRe为Renolds准数，NRe=(dpωρL)/μL NSc为Schmidt准数, NSc = μL /(DLρL); 式中dp—颗 粒直径，m; DL—氧在液相中的分子扩散系数， m2/s; ω —固液相对运动速度，m/s; μL —液体黏 度，Pa.s; ρL—液体密度,kg/m3; α1、 α2、 α3 —常 数。
阳极：Pb,
Pb
4OH－ Pb2++2e
电解质
透气的塑料袋
氧从液相主体到阴极表面的推动力是氧分压。
则氧的扩散通量 J=K(PL-PC)
I=4FAJ=4FAKPL=K’PL
扩散电流和氧浓度之间有一个线性关系.
◇压力法
恒温密闭容器中,有体积为VL的液体。通入气体压力为P1,体积 为VG的气体至平衡时为P2。
氧的需求
一、细胞对氧的需求
1、三个基本概念 、 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)
临界溶氧浓度：
好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧的浓度。(mol/m3)
比耗氧速率（呼吸强度）：
单位质量的干细胞在单位时间内消耗氧的量molO2/（kg干细胞·s ）。 用Qo2 表示。 表示。
二、培养过程中氧的传质理论
1、氧从气泡到细胞的传递过程 、
对于大多数微生物细胞的培养过程， 细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧， 供氧都是在培养液中通往空气来进行。氧 从空气泡传递到细胞内要克服一系列阻力， 首先氧须从气相溶解于培养基中，然后传 递到细胞内的呼吸酶位置上被利用。
液膜
液膜 气泡 3 1 2 5
7、表面活性剂 、
培养液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表 面活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力，使氧 传递系数K Lα等发生变化，
8、离子强度 、
一般在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有 较大的比表面积。在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件 下，电解质溶液的氧传递系数K Lα比水大，而且随电解质浓
摄氧率：
指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量，以 r 表示，单位为[molO2/m3·s] 。
2、摄氧率与呼吸强度之间的关系 、
r=Qo2·X
式中： r --- 微生物耗氧速率[molO2/（m3·s）]； Qo2---菌体呼吸强度（比耗氧速率）， molO2/（kg干细胞·s ） ； X ---发酵液中菌体浓度，（kg/m3）；
与酸的种类及浓度有关
6、复膜电极法
电解质溶液氧的溶解度降低
要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多种，其中最简单的方法是增加罐压。但是要注意 的是增加罐压虽然提高了氧的分压，从而增加了氧的溶解度，但其他气体成分（如CO2）分压 也相应增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影响了细胞 的生长和产物的代谢，所以增加罐压是有一定限度的。
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。
氧的供需及对发酵的影响
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Dissolved Oxygen C上on一cen页tration
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呼吸临界溶氧浓度测法：将供氧充分的微生物 培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度 变化情况。
首先是加强搅拌，使溶氧上升到最高值，然后 中止通气，继续搅拌，在罐顶空间充氮。溶氧 浓度这时呈直线下降趋势，下降到一定程度后， 开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的 溶氧浓度值即为该微生物的临界溶氧浓度。
三、 溶氧浓度的控制
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氧的供需及对发酵的影响
熟悉微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 理解氧的传递方程的意义 掌握发酵过程中溶氧浓度的调控策略
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氧的供需及对发酵的影响 一、微生物对氧的需求
好氧微生物——缺氧不行 兼性厌氧微生物——有氧无氧均可生长 厌氧微生物——氧有害
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绝对浓度：以mg O2/L纯水或ppm表示 主要用在环保单位
根据Henry 定律可知氧浓度与其分压成正比， “在一定温度下，某种气体在溶液中的浓度与液面上该气
体的平衡压力成正比。” 即：C=Po2 ×a
其中C 为氧浓度(mg/L)；Po2 为氧分压(mmHg)； a 为溶解度系数(mg/mmHg·L)。
溶解度系数a 不仅与温度有关，还与溶液的成分有关。 对于温度恒定的水溶液，a 为常数，则可测量氧的浓 度（Winkler氏化学法）。
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• 空气饱和度百分数（%空气饱和度）：
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氧的供需及对发酵的影响 2、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
光合作用产生氧的用途
光合作用产生氧的用途光合作用是植物中的一项重要生物化学过程，通过光合作用，植物能将光能转化为化学能，并产生有机物质，如葡萄糖等。
同时，在光合作用的过程中，植物还会释放出氧气。
光合作用产生的氧气在地球生物圈中起着非常重要的作用。
首先，氧气是维持地球生物生存的重要气体之一。
地球上几乎所有的生物都需要氧气来进行呼吸作用，包括动物和微生物。
在呼吸作用中，生物将有机物通过氧气氧化分解，从而产生能量。
而光合作用提供了氧气，为生物呼吸提供了必需的气体。
其次，光合作用产生的氧气对维持地球大气层的氧气浓度起着重要的调节作用。
地球大气层中的氧气含量一直维持在较为稳定的比例，这是光合作用产生的氧气和生物呼吸消耗的氧气保持了一个动态平衡。
如果没有光合作用的产氧作用，地球上的氧气含量将随着生物的呼吸作用逐渐减少。
而氧气的减少会导致地球上的动植物生存条件变得更加恶劣，甚至会引起物种灭绝。
此外，光合作用产生的氧气对保护环境也发挥着重要作用。
氧气是大气中的一种氧化剂，它可以氧化许多有害物质，对环境的污染有清洁作用。
例如，氧气可以与二氧化硫等有害气体发生反应，将其转化为硫酸等无害物质。
同时，氧气对于水体中的有害物质也具有氧化分解的作用，提高水质的净化效果。
此外，光合作用产生的氧气还对维持地球生态系统的平衡起着重要作用。
在自然界中，光合作用通过种种方式参与到生物圈中的物质流动中去。
光合作用产生的氧气被植物、动物和微生物用于生命活动中，进而产生二氧化碳。
这样，光合作用与呼吸作用形成了一个循环，维持着地球上的能量和物质的流动平衡。
光合作用产生的氧气还有很多其他的用途。
例如，在医疗领域，氧气被用于治疗一些呼吸系统疾病。
在高海拔地区或者一些特殊的工作场所，氧气也被用于提供给人们进行呼吸，以保持正常的生命活动。
此外，氧气还被广泛应用于各种工业生产过程中，例如冶金工业、化学工业、制药工业等，其中一些过程需要氧气作为氧化剂或者是提供燃料氧化燃烧。
氧的供需
？
14
8.3
32
22.1
18
6.6
4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样
头孢菌素
卷须霉素
生长期
5% (相对于饱和氧浓度） 13%
产物合成期 >13%
>8%
溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响: 溶解氧浓度低于临界氧浓度时，谷氨酸和天门冬氨酸类氨基
酸的产量下降；
但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧浓度分别为临界 氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。
氨基酸生物合成中每消耗1摩尔葡萄糖所生成的NAD(P)H2和ATP摩尔数
氨基酸 谷氨酸
乙醛酸循环
CO2固定
NAD(P)H2(FADH2) ATP NAD(P)H2(FADH2) ATP
16/3
23
1
谷氨酰胺 6
nO2 ：氧的传递通量，mol/（m2 • S）
Δpi ：各阶段的推动力（分压差），Pa
1/ki ：各阶段的传递阻力，N.s/mol
ki ：传递系数 mol/(m2 • s • Pa) 气体
C C 1 C 2
C 8
nO2 =
= K =1/k1 =1/…k2… =
1/k8
1、气—液相间的氧传递
KG — 以氧分压为推动力的总传递系数, mol/(m2·s·Pa) KL — 以氧浓度为推动力的总传递系数，m/s kG—气膜传递系数,mol/(m2 • s • Pa); kL—液膜传递系数,m/s;
气膜的氧传递通量： 以氧分压为推动力的气-液相间的氧传递通量
液膜的氧传递通量： 以氧浓度为推动力的气-液相间的氧传递通量
水稻种子萌发对氧的需求实验数据
水稻种子萌发对氧的需求实验数据引言：水稻是我国主要的粮食作物之一，其种子萌发是种植水稻的重要环节。
种子萌发过程中，氧气是必不可少的因素之一，它参与水稻种子的呼吸作用，为种子提供能量和生长所需的物质。
本文将通过实验数据来探究水稻种子萌发对氧的需求情况。
实验方法：我们选取了新鲜的水稻种子，并将其分成若干组进行实验。
每组种子都放置在含有不同浓度氧气的培养基中，培养基的浓度分别为100%、50%、25%和0%。
实验过程中，我们记录下种子的萌发情况，包括发芽率、根长和苗高等指标。
实验结果：在100%氧气浓度的培养基中，种子的发芽率达到了100%，根长和苗高也明显增长。
而在50%和25%氧气浓度的培养基中，种子的发芽率分别为80%和60%，根长和苗高相对较低。
最令人意外的是，在0%氧气浓度的培养基中，种子无法正常发芽，完全丧失了萌发能力。
讨论：从实验结果可以看出，水稻种子的萌发对氧气有着明显的需求。
100%氧气浓度下，种子的发芽率最高，根长和苗高也最大，说明氧气对水稻种子的萌发和生长起到了重要的促进作用。
而随着氧气浓度的降低，种子的发芽率逐渐下降，根长和苗高也受到了抑制。
当氧气完全缺失时，种子无法正常发芽，说明氧气是种子萌发的必要条件。
结论：本实验结果表明，水稻种子的萌发对氧气有着明显的需求。
适当的氧气浓度能够促进种子的发芽和生长，而缺乏氧气则会抑制种子的正常萌发。
因此，在水稻种植中，要保证种子充分接触到氧气，提供适宜的氧气环境，以促进水稻种子的正常萌发和生长。
展望：本实验只研究了水稻种子对氧气的需求，而在实际种植中，还有其他因素也会影响水稻种子的萌发和生长，如温度、湿度等。
今后的研究可以进一步探究这些因素与氧气之间的相互作用，以及对水稻种子萌发的影响规律，为提高水稻产量和质量提供更科学的依据。
总结：水稻种子的萌发对氧气有着明显的需求，适宜的氧气浓度能够促进种子的发芽和生长，而缺乏氧气则会抑制种子的正常萌发。
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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↓。