第7章 发酵工业中氧的供需.

对于易溶气体，H值很大，则有：1/HkL<<1/kG，此时传质阻 力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。 或 KG≈ kG 即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝
1/KG≈ Fra Baidu bibliotek/kG
大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为“气膜控制”（gas-film
control）。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。 对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相 湍动程度。
（2）以（Ce-C）表示总推动力
1 1 NA( ) p pe HkL kG
ce 1 1 c NA( ) HkL kG H H
1 H N A ( ) ce c k L kG
令
1 1 H KL k L kG
代入
KL——液相总吸收系数，m/s
NA=KL(ce-c)
二、反应器中氧的传递
供氧的实现形式 摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和 发酵罐水平 表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少 通无菌空气并搅拌 发酵罐 气升式
需氧量小
需氧量大
二、反应器中氧的传递
（一）、发酵液中氧的传递方程
气膜 液膜
N k g ( P Pi ) kl (ci c)
控制因素。
在 28℃氧在发酵液中的 100 ％的空气饱和浓度只 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秒（分）
钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。
微生物对氧的需求 发酵液中氧的供给 影响KLa的因素（供氧的调节） 与溶氧相关的参数测定

菌龄的影响：一般幼龄菌QO2大，晚龄菌QO2小
影响微生物耗氧的因素（续）
发酵条件的影响
pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征;
温度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T ↑，DO2 ↓

代谢类型（发酵类型）的影响 若产物通过TCA循环获取,则QO2高，耗氧量大 若产物通过EMP途径获取,则QO2低，耗氧量小
r= QO2 .X
（二）、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
QO2
CCr
CL
CCr: 临界溶氧浓度，指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。
一般对于微生物： Cr＝1～15%饱和浓度 例：酵母 4.6×10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2×10-2 mmol.L-1, 8.8%
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1。
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中 氧很容易满足。 例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2· L-1· S-1 计，
0.25/0.052=4.8秒 注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样： 生长 产物
头孢菌素 卷须霉素 5% (相对于饱和浓度） 13% >13% >8%
发酵过程中溶氧监控的意义
（一）氧在微生物发酵中的作用 （对于好气性微生物而言）


呼吸作用 直接参与一些生物合成反应
CH3CH 2OH CH3COOH
O2
（二）可利用氧的特征

只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
一、微生物对氧的需求
（一）、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量 的细胞所消耗的氧气，mmol O2· g菌-1· h-1 摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧 量。mmol O2· L-1· h-1 。
双膜理论示意图
界面
气相 E’
δ’ δ
pA’ pAi cAi F cA’ G
液相
pA
双模模型
NA
DG P ( p A pAi ) RT G PBm
气相有效层流膜厚
E δG δ
NA
H cA
DL
L

c (cAi c A ) csm
液相有效层流膜厚
总吸收速率方程
吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡 浓度的差值来表示。 （1） 以（p-pe）表示总推动力 液相吸收速率方程
N：传氧速率 kmol/m2.h
P
Ci Pi
kg: 气膜传质系数
kmol/m2.h.atm
Kl: 液膜传质系数 m/h
C
相界面 pA
溶 质 A 在 气 相 中 的 分 压
气 膜 pA,i
液 膜
气相主体
cA,i
液相主体
cA
湍流扩散 分子扩散 湍流扩散 传质方向
溶 质 A 在 液 相 中 的 摩 尔 浓 度
对于难溶气体，H值很小，则有：H/kG<<1/kL，此时传质 阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。
溶解氧控制的意义

溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同
的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适 需氧量。


氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。
目前，在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧 效率，就能大大降低空气消耗量，从而降低设备费和 动力消耗，且减少泡沫形成和染菌的机会, 大大提高 设备利用率。
（三）、影响需氧的因素
r= QO2 .X
菌体浓度
QO2
遗传因素
菌龄
营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件
影响微生物耗氧的因素

微生物本身遗传特征的影响 培养基的成分和浓度
碳源种类
耗氧速率：油脂或烃类 > 葡萄糖 > 蔗糖 > 乳糖
培养基浓度
浓度大，QO2 ↑；浓度小， QO2↓
NA=kL(ci-c)
代入
亨利定律： pe=c/H 双膜理论： pi=ci /H
NA=kLH(pi-pe) 气相吸收速率方程 NA=kG(p-pi)
1 1 NA( ) p pe HkL kG
令
1 1 1 KG HkL kG
NA=KG(p-pe)
式中 KG——气相总吸收系数，kmol/(m2•s•kPa)
第7章
发酵工业中氧的供需
本章内容
一、细胞对氧的需求（为什么要供氧？为什么要控制 溶氧？） 二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何控制 溶氧？） 三、影响氧传递的因素
四、摄氧率、溶解氧、KLa（溶氧系数）的测定
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