发酵工业中的传氧PPT课件
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(2) 摄氧率γ（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间 内消耗氧的量。单位： γ=QO2·x x——细胞浓度，kg(干重)/m3
2. QO2与溶氧浓度CL关系
(1) 当CL>Ccr时， QO2＝ (QO2)m
(2) 当CL< Ccr时，
QO2
(QO2)mCL k0 CL
k0： 亲和常数（半饱和常数）， 单位：mol/m3
▪若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
n O 2 K G (P P * ) K L (C * C L )
KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数，mo(lm2sPa) 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
(2) 传质理论
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 ：
nO 2 推 阻动 力 P 1力 kG P i C 1 i kC LL
nO2—单位接触界面的氧传递速率， kmlO o 2 (m2h) 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， kmolm3 kG—气膜传质系数， kmo(m l2hMP)a kL—液膜传质系数，m/h
液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一 点氧浓度、氧分压相等。
气液接触面
氧
在 空
p
气
中 的 pi
分
压
气膜 液膜
p-pi
Ci-CL
氧 Ci 溶
解 于 液 相 的 CL 浓 度
扩散方向 双膜理论的气液接触
在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧 浓度处于平衡关系;
氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点 的氧浓度不随时间而变化。
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的测定
一、细胞对氧的需求
（一）氧在微生物发酵中的作用 （二）可利用氧的特征 （三）微生物的耗氧特征 （四）溶解氧控制的意义
（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
C3 H C2 H OH O2 C3 H COOH
（二）可利用氧的特征
只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
1.微生物需氧量的表示方式
(1) 呼吸强度（比耗氧速率） QO2 ：单位质量干菌体在单 位时间内消耗氧的量。 单位：mmolO2/（kg干菌体·h）。
氧的传递阻力
1) 气膜传递阻力1/kG
2) 气液界面传递阻力1/kI 3) 液膜传递阻力1/kL
供氧方面的阻力
4) 液相传递阻力1/kLB
5) 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC
6) 固液界面传递阻力1/kIS
7) 细胞团内的传递阻力1/kA
耗氧方面的阻力
8) 细胞膜、细胞壁阻力1/kW
9) 反应阻力1/kR
酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系
疣孢漆斑霉在分批培养时呼吸强度的变化
影响微生物耗氧的因素
微生物本身遗传特征的影响，如 k0↑，QO2↓ 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↓
▪ 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
k0特征： k0越大，亲和能力越小， QO2越小。
不同微生物的k0特征值不一样，可以此作为通气操 作的依据。
(3) Ccr的定义
微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影 响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最 低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度， 称为临界氧浓度，以Ccr表示。
CL> Ccr，QO2 保持恒定 CL< Ccr， QO2 大大下降
A. 培养初期： QO2逐渐增高，x较小。 B. 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时x较低，γ并不高。 C. 在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2< (QO2 )m ，x<xm D. 对数生长期末：S↓, OTR↓, QO2 ↓
而γ∝(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、 OTR 占主导地位， 所以 γ↓ E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
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
（四）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。
(一) 供氧的实现形式
摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 需氧量小 发酵罐水平 搅拌缓和，通气缓和
表面通气，膜透析（扩散）
摇瓶水平：转速快，装量少
需氧量大
通无菌空气并搅拌
发酵罐 气升式
（二）发酵过程中氧的传递
1. 细胞培养体系氧的传递过程
气泡
滞流区
滞流区
细胞团 生化反应 细胞膜
气-液界面
液相主体 液-细胞团界面
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。
二、发酵过程中氧的传递
（一）供氧的实现形式 （二）发酵过程中氧的传递
1. 氧的传递途径与传质阻力 2. 气体溶解过程的双膜理论 3. 氧传递方程 4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
微生物对氧的需求
一般对于微生物： CCr: ＝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.
（三）培养过程中细胞好氧的一般规律
细胞
பைடு நூலகம்
2. 气体溶解过程的双膜理论
(1)双膜理论的基本前提
气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡 一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；
气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以 浓度差方式透过双膜；
气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流， 任一点氧浓度，氧分压相等；
2. QO2与溶氧浓度CL关系
(1) 当CL>Ccr时， QO2＝ (QO2)m
(2) 当CL< Ccr时，
QO2
(QO2)mCL k0 CL
k0： 亲和常数（半饱和常数）， 单位：mol/m3
▪若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
n O 2 K G (P P * ) K L (C * C L )
KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数，mo(lm2sPa) 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
(2) 传质理论
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 ：
nO 2 推 阻动 力 P 1力 kG P i C 1 i kC LL
nO2—单位接触界面的氧传递速率， kmlO o 2 (m2h) 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， kmolm3 kG—气膜传质系数， kmo(m l2hMP)a kL—液膜传质系数，m/h
液膜以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流，任一 点氧浓度、氧分压相等。
气液接触面
氧
在 空
p
气
中 的 pi
分
压
气膜 液膜
p-pi
Ci-CL
氧 Ci 溶
解 于 液 相 的 CL 浓 度
扩散方向 双膜理论的气液接触
在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧 浓度处于平衡关系;
氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点 的氧浓度不随时间而变化。
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的测定
一、细胞对氧的需求
（一）氧在微生物发酵中的作用 （二）可利用氧的特征 （三）微生物的耗氧特征 （四）溶解氧控制的意义
（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
C3 H C2 H OH O2 C3 H COOH
（二）可利用氧的特征
只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
1.微生物需氧量的表示方式
(1) 呼吸强度（比耗氧速率） QO2 ：单位质量干菌体在单 位时间内消耗氧的量。 单位：mmolO2/（kg干菌体·h）。
氧的传递阻力
1) 气膜传递阻力1/kG
2) 气液界面传递阻力1/kI 3) 液膜传递阻力1/kL
供氧方面的阻力
4) 液相传递阻力1/kLB
5) 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC
6) 固液界面传递阻力1/kIS
7) 细胞团内的传递阻力1/kA
耗氧方面的阻力
8) 细胞膜、细胞壁阻力1/kW
9) 反应阻力1/kR
酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系
疣孢漆斑霉在分批培养时呼吸强度的变化
影响微生物耗氧的因素
微生物本身遗传特征的影响，如 k0↑，QO2↓ 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↓
▪ 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
k0特征： k0越大，亲和能力越小， QO2越小。
不同微生物的k0特征值不一样，可以此作为通气操 作的依据。
(3) Ccr的定义
微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影 响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最 低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度， 称为临界氧浓度，以Ccr表示。
CL> Ccr，QO2 保持恒定 CL< Ccr， QO2 大大下降
A. 培养初期： QO2逐渐增高，x较小。 B. 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时x较低，γ并不高。 C. 在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2< (QO2 )m ，x<xm D. 对数生长期末：S↓, OTR↓, QO2 ↓
而γ∝(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、 OTR 占主导地位， 所以 γ↓ E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
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
（四）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。
(一) 供氧的实现形式
摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 需氧量小 发酵罐水平 搅拌缓和，通气缓和
表面通气，膜透析（扩散）
摇瓶水平：转速快，装量少
需氧量大
通无菌空气并搅拌
发酵罐 气升式
（二）发酵过程中氧的传递
1. 细胞培养体系氧的传递过程
气泡
滞流区
滞流区
细胞团 生化反应 细胞膜
气-液界面
液相主体 液-细胞团界面
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。
二、发酵过程中氧的传递
（一）供氧的实现形式 （二）发酵过程中氧的传递
1. 氧的传递途径与传质阻力 2. 气体溶解过程的双膜理论 3. 氧传递方程 4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
微生物对氧的需求
一般对于微生物： CCr: ＝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.
（三）培养过程中细胞好氧的一般规律
细胞
பைடு நூலகம்
2. 气体溶解过程的双膜理论
(1)双膜理论的基本前提
气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡 一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜；
气膜内气体分子和液膜内液体分子都处于层流状态，氧以 浓度差方式透过双膜；
气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流， 任一点氧浓度，氧分压相等；