发酵工业中的传氧PPT课件
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7.发酵工业中的供氧
发酵工业中氧的供需
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
kG P Pi k L C i C L
推动力 P Pi C i C L NA 1 1 阻力 kG kL
NA:氧传递速率；p,pi气相中和气、液界面 处氧的分压；cL,ci：液相中和气、液界面 处氧的浓度；kG：气膜传质系数；kL：液 膜传质系数；
发酵工业中氧的供需 微生物只能从其生活的液体基质中获得氧， 以供其生理活动。収酵液中所含氧的多少 就显得很重要。氧是难溶气体，为满足収 酵中菌体对氧的需求，必须采用强制供氧 措施；另一方面，由于氧有时又可改变菌 体的代谢方向，故又需要根据生产需要适 时地调节控制供氧，这需要根据具体的収 酵工艺而定。
呼吸强度QO2 : mmolO2 gh
耗氧速率r :
mmolO2
L h
二者关系： QO2 x r
发酵工业中氧的供需
影响微生物好氧的因素
一 微 生 物 对 氧 的 需 求
微生物本身的遗传特征；培养基的成分和浓 度；菌龄；収酵条件；代谢类型；
控制溶解氧的意义 微生物迚行某种生理活动时，对环境中氧浓 度的最低要求。不同种类的微生物的C临界不同， 同种微生物在迚行不同生理活动时也不同。 収酵液溶氧控制的目的是根据不同収酵阶段， 保证溶氧浓度不低于C临界。
四 影 响 氧 传 递 的 因 素
推动力因素：温度、溶质、溶剂、氧分压； KLa因素：搅拌、设备参数、収酵液性质；
发酵工业中氧的供需 五 溶氧系数的测定
五 溶 氧 系 数 的 测 定
亚硫酸盐氧化法 1.原理 在铜离子作为催化剂时，溶解到水中的氧能 立即氧化其中的亚硫酸根离子，其氧化反应 速度在较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无 关。
发酵工程第五章氧的供需与传递
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
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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。
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）
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1、供氧方面的阻力
李 先 磊
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第一节
发 酵 工 程
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
李 先 磊
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第一节
发 酵 工 程
072发酵工业中氧的供需精品PPT课件
（一）耗氧速率
单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速 率，以r表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：
dc
r dt
Qo2 •X
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h) X ——菌体浓度（g/l)
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耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌 体浓度的不同而不同，其大致范围为：25100mmol/l.h，某些耗氧速率特别高的微生物， 则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物 形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵 中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。
事实上并不需要发酵液中氧的浓度达到饱和 浓度，只要维持在氧的临界浓度以上即可。因此， 应尽可能了解发酵过程中菌的临界氧浓度和达到 最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵 产物形成过程中的最高需氧量，以便分别合理地 供给足够氧气。
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二、微生物的有氧呼吸
1、比生长速率和氧浓度的关系
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（二）比耗氧速率及其与比生长速率与溶氧浓 度的关系
1、比耗氧速率：单位菌体浓度的好氧速率，又 称呼吸强度 。
Qo2
r X
1•(dc) X dt
（6-3）
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h) X ——菌体浓度（g/l)
第四章 传氧与通气搅拌
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本章主要内容
一、概述 二、微生物有氧呼吸 三、传氧理论 四、影响传氧速率的因素 五、溶氧系数及其测定 六、溶氧控制工艺手段及异常分析
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一、 概述 1、生化反应器通气与搅拌有两个目的: ①使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬 浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从 菌体内向发酵液的传递。 ②供给微生物生长和代谢所需的氧气。
发酵工程-第九章发酵供氧
作为供氧指标与K d比较，用氧的传递速率rab表示更适宜。
举例：
谷氨酸发酵最适亚硫酸盐耗氧速率为1.0×l06_1.5×l0-6mol/(m L.min)，生物耗氧速率r应大于10×l07mol/(m L.min)。
长菌阶段，若供氧过量，在生物素限量的情况下，菌 体生长受到抑制，表现为耗糖慢，pH值偏高，且不易下降。
在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常 变化，常见的是溶氧下降。
造成异常变化的原因有两方面：耗氧或供氧出现了异常或 发生了障碍。
从溶解氧浓度的变化，可以了解微生物生长代谢是否正常， 工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足，查出发酵不 正常的原因，控制好发酵生产。
引起溶氧异常下降的原因： ① 污染好气性杂菌。 ② 菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降。 ③ 设备或工艺控制发生故障或变化，
链霉素产生菌培养12ｈ的耗氧速率为４5mmol/(L.h)； 黑曲霉生长的最大耗氧速率为５０～５５ mmol/(L.h) ，
而产α淀粉酶时的最大耗氧速率为２０ mmol/(L.h) ； 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) 。
由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低， 故必须采取强化供氧。
在发酵工业中，随着高产菌株的筛得，高浓度发酵、丰富培养 基的采用对通气和搅拌的要求更高。
在丰富培养基内，发酵旺盛期间，即使培养液完全被空气饱和， 它所贮存的氧也是很少的，只能维持菌正常呼吸１５～３０ｓ， 之后菌的呼吸就受到抑制。
第三类 亮氨酸、缬氨酸和
苯丙氨酸，仅在供氧受 限、细胞呼吸受抑制时， 才能获得最大量的氨基 酸，如果供氧充足，产 物形成反而受到抑制。
发酵工程 第5章 氧的供需与传递
kG (p - pi ) k L (ci - cL )
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，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。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 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置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，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。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 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置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
发酵工业中的传氧
k0特征： k0越大，亲和能力越小， QO2越小。
不作同的微依生据物。的k0特征值不一样，可以此作为通气操
(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
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
若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产 菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。
供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：
OTR
KLa(C* CL ) 传递
QO2 x 消耗
(QO2
)m
CL x K CL
对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式
求得。
KLa
QO2 x C* CL
①设备参数 发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布器（几何参数） 通气：表观线速度Ws
② 操作条件 搅拌：转速N，搅拌功率PG 发酵液体积V，液柱高度HL
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、菌体量等。
KLa的准数关联式
综合①②③三类影响因素，有
KLa f (d, N,Ws , DL ,, , , g)
若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
不作同的微依生据物。的k0特征值不一样，可以此作为通气操
(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
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
若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产 菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。
供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：
OTR
KLa(C* CL ) 传递
QO2 x 消耗
(QO2
)m
CL x K CL
对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式
求得。
KLa
QO2 x C* CL
①设备参数 发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布器（几何参数） 通气：表观线速度Ws
② 操作条件 搅拌：转速N，搅拌功率PG 发酵液体积V，液柱高度HL
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、菌体量等。
KLa的准数关联式
综合①②③三类影响因素，有
KLa f (d, N,Ws , DL ,, , , g)
若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
氧的供需PPT医学幻灯片
总推动力是气相与细胞内氧分压之差。
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二、双膜理论假说
1）在气液两个流体相间存在界面，界面两 边具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜， 这两层稳定的薄膜在任何流体动力学条件 下，均呈层流状态； 2）在气液界面上，两相的浓度总是相互平 衡即界面上不存在氧传递阻力；pi=HCi
16
3）在两膜以外的气液两相的主流中，氧的浓度、 分压相等，即无任何传质阻力，所遇到阻力 仅存在于两层滞流膜中。 稳定状态时，总传质速率与串联的各步传质速 率相等。
17
传递速率
p ，pi：气相中和气液界面处氧分压，Mpa; Ci ,CL：气液界面和反应液主流中（液相）氧 浓度(kmol/m3)
18
气液界面附近氧分压与浓度的变化
用亨利定律表示 P=H·C H:亨利常数。
P HC* P HCL
19
总传质过程 :
K G 为以氧分压为推动力的 K L : 以氧浓度为推动力的传 1 ＝ 1＋H K G kG kL 1＝ 1 ＋1 K L Hk G k L H : 亨利常数
二者关系： r= QO2 ·X，
X—发酵液中菌体的浓度（kg干重/m3）
4
3、临界氧浓度，用Ccri 表示. 其大小为溶解氧浓度的5％－10％，一般在
0.003－0.05（mmol/L）之间。
4、百分饱和度
氧浓度表示方法之一。培养液被空气完 全饱和时，即为溶氧100%饱和度，室 温下为7-8mg/L左右。 5、饱和氧浓度
平 O 衡 T K L a C R 时 C Q O 2 X
好氧微生物发酵过程中对氧的衡算式
dc dt
K L aC
CL
QO2
X
C : 与气相分压达到平衡时氧浓度，
15
二、双膜理论假说
1）在气液两个流体相间存在界面，界面两 边具有两层稳定的薄膜，即气膜和液膜， 这两层稳定的薄膜在任何流体动力学条件 下，均呈层流状态； 2）在气液界面上，两相的浓度总是相互平 衡即界面上不存在氧传递阻力；pi=HCi
16
3）在两膜以外的气液两相的主流中，氧的浓度、 分压相等，即无任何传质阻力，所遇到阻力 仅存在于两层滞流膜中。 稳定状态时，总传质速率与串联的各步传质速 率相等。
17
传递速率
p ，pi：气相中和气液界面处氧分压，Mpa; Ci ,CL：气液界面和反应液主流中（液相）氧 浓度(kmol/m3)
18
气液界面附近氧分压与浓度的变化
用亨利定律表示 P=H·C H:亨利常数。
P HC* P HCL
19
总传质过程 :
K G 为以氧分压为推动力的 K L : 以氧浓度为推动力的传 1 ＝ 1＋H K G kG kL 1＝ 1 ＋1 K L Hk G k L H : 亨利常数
二者关系： r= QO2 ·X，
X—发酵液中菌体的浓度（kg干重/m3）
4
3、临界氧浓度，用Ccri 表示. 其大小为溶解氧浓度的5％－10％，一般在
0.003－0.05（mmol/L）之间。
4、百分饱和度
氧浓度表示方法之一。培养液被空气完 全饱和时，即为溶氧100%饱和度，室 温下为7-8mg/L左右。 5、饱和氧浓度
平 O 衡 T K L a C R 时 C Q O 2 X
好氧微生物发酵过程中对氧的衡算式
dc dt
K L aC
CL
QO2
X
C : 与气相分压达到平衡时氧浓度，
6第六章 发酵工程中的供氧
25℃及0.1MPa下纯氧在不同溶液中的溶解度，mmol/L
溶液浓度mol/L 0.1 1.0 2.0
盐酸 1.21 1.16 1.12
硫酸 1.21 1.12 1.02
氯化钠 1.07 0.89 0.71
纯水 1.26
空气中的氧，在0.1MPa空气压下，25℃时在 纯水中的饱和度C* = 0.26mmol/L； 发酵液中的饱和度C* =0.20mmol/L。 发酵液中的溶解度比纯水中的溶解度要小。
8
一、微生物对氧的需求
(2)微生物的生长阶段：次级代谢产物的发酵过程可 分为菌体生长阶段和产物合成阶段，两个阶段的呼 吸临界氧浓度分别以C长临和C合临表示，随菌种的生 物学特性不同，两者表现出不同的关系： ①C长临∽C合临； ②C长临＞C合临，如卷须霉素，C长临为13~23%， 而C合临为8%以下； ③C长临＜C合临，如头孢菌素C，C长临为5~7%， 而C合临为10%~20%。 已知多数品种的发酵中C长临＞C合临。
9
二、氧在液体中的溶解特性
氧溶解于水的过程是气体分子在水中的的扩散 过程。空气与液体相接触，氧气分子就会溶解 于液体之中，经过一定的接触时间，氧气分子 在气液两相中的浓度就会达到动态平衡。 若外界条件如温度、压力等不再变化，氧气在 液体中的浓度就不再变化，此时的浓度即为该 条件下在该溶液中的溶解氧的饱和浓度。用C* 表示。 单位可用mmol /L、mg /L等表示。
当纯水与自然状态的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度 的影响可用下列经验公式来计算（适用浓度为4~33º C) C* = 14.68/ (31.6 + t) C*：自然状态下水中氧的饱和浓度，mol/m3 t：溶液的温度，º C
《氧的供需与传递》PPT课件
注意：由于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 5% (相对于饱和浓度） 13%
产物 >13%
>8%
细胞培养中耗氧规律
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<
② 则： N A k G P P k L C C L
根据亨利定律，气体的溶解度与该气体的分压成正比，
可得：
PHC
P HCL
Pi HCi
为找出总传质系数与上述气膜、液膜的传递系数之间 的关系，将②变形，利用亨利定律，将O2浓度换成相对 应的分压来表示，得：
1 P P P P i P i P P P i H C i C L
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：以微生物的耗氧速率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计，
0.25/0.052=4.8秒( 0.25 为溶解氧浓度)
培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须 连续通气。
《氧的供需与传递》PPT 课件
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 中溶氧可在几秒(分)钟之内便耗竭，使溶氧成为 限制因素。
(QO2 )m ， x<xm
7 微生物工程 第七章 发酵工业中氧的供给
温度→影响酶活及溶氧：T ↑, CL ↓
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 谷氨酸、天冬氨酸 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小 苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸
（4）溶解氧控制的意义
重点1
溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不
同的（发酵不同阶段需氧要求不同）。
* w * m * w * nj
Cm*—氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3
溶质↑ ， Cm*↓
（3）溶剂
通常溶剂为水;
氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。
可合理添加有机溶剂降低水的极性，增加溶解
氧浓度。
（4）氧分压
一、提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧
分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一 定限度的（CO2 浓度↑，不利于发酵）。
t—温度,℃
Cw*： 与空气平衡时水中的氧浓度
T ↑ ，Cw* ↓ ，推动力↓
（2）溶质 A、电解质
1)对于单一电解质
C lg KCE C
* w * e
(CE , C )
* e
Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3 Cw*—氧在纯水中的溶解度, mol/m3
CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3
B. 非电解质
C lg KCN C
* w * n
(CN , C )
* n
Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3 CN—非电解质或有机物浓度, kg/m3 K—非电解质的Sechenov常数, m3/kg
C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加
C C lg hi I i lg C C i j
5氧的供需与传递精品PPT课件
1/kL、1/kIB，加速氧的传递。
13
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。
14
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。
12
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
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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
17
▪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
16
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
第六章发酵工业中的传氧
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
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↓
（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。
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。
▪ 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
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
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 ↓
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↓
（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。
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。
▪ 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
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
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 ↓
《发酵工业中的传氧》课件
pH调节
保持适宜的发酵液pH值， 有助于菌体对氧的吸收和 利用，提高传氧效果。
搅拌速度
适当的搅拌速度可以增加 发酵液的湍流度，有利于 氧的溶解和传递。
选择合适的发酵设备
设备材质
设备规模
选择导热性好、耐腐蚀的设备材质， 有利于保持发酵液的温度稳定，提高 传氧效率。
根据生产需求选择适宜的设备规模， 过大的设备可能导致传氧效果不佳， 过小的设备则可能影响生产效率。
详细描述
膜生物反应器发酵技术是一种新型的传氧技术，通过膜过滤将氧气传递到发酵液中，以满足微生物的需氧代谢需 求。该技术具有传氧效率高、操作简便、环保等优点，是未来发酵工业中传氧技术的发展方向之一。
04
CATALOGUE
提高传氧效率的方法和策略
优化发酵工艺条件
01
02
03
温度控制
合理设定发酵温度，以适 应不同菌种的生长和代谢 需求，提高氧的传递效率 。
的产量。同时，提高传氧效率还可以降低能耗和生产成本。
06
CATALOGUE
未来展望与研究方向
பைடு நூலகம்
提高传氧效率的研究方向
开发新型传氧设备
研究新型的传氧设备，以提高传氧效率，降低能耗。
优化传氧工艺参数
通过实验和模拟研究，优化传氧工艺参数，提高氧气的传递速率和 利用率。
强化传氧过程的控制
采用先进的控制策略和算法，实现对传氧过程的精确控制，提高生产 效率和产品质量。
氨基酸发酵中提高传氧效率的案例
总结词
在氨基酸发酵过程中，通过优化传氧技术可以提高氨基酸的产量和降低能耗。
详细描述
氨基酸发酵是微生物在缺氧条件下通过厌氧代谢产生氨基酸的过程。为了提高氨基酸的 产量，可以采用多种方法来提高传氧效率，如增加通气量、优化发酵罐设计、采用高剪 切混合设备等。这些措施可以增加溶氧量，促进微生物的生长和代谢，从而提高氨基酸
5发酵过程控制溶氧-43页PPT文档资料
再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)
N akLa(c*c)
Na：体积传氧速率 kmol/m3.h
k L a : 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1
27.09.2019
长江大学生科院生物工程系
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（二）供氧的调节
N akLa(c*c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过 kLa 和C*来调节
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例 某一产品的发酵
d N PG/V C 产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455
提高d、N显著提高C（溶氧浓度），提高了产量
例 黑曲霉生产糖化酶
N 通气比 产量
230 1:0.8 1812
27.09.2019
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氨 基 酸 的 相 对 产 量
氧的满足程度
16 返回
四、发酵过程中溶解氧的变化
在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自己的规律。
27.09.2019
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在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁殖，需氧量不断增加。 此时的需氧量超过供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰， 发酵液中的菌浓同时出现一个高峰。过了生长阶段，需氧量 有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段后，就开始形成产 物，溶氧也不断上升。
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培养基的成分与浓度
培养基成分尤其是碳源对细胞的耗氧量有很大影响。
培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。营养丰富，菌
体生长快，耗氧量大.
此外，若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也回受
第6章 发酵过程的供氧PPT课件
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31
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发酵工艺学
Technology of Fermentation
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1
理论授课内容及学时分配 发酵工艺学
第1章 绪论（2学时） 第2章 发酵设备（2学时） 第3章 菌种选育理论与技术（4学时） 第4章 培养基、灭菌与除菌（3学时） 第5章 生产菌种的制备与保藏（2学时） 第6章 发酵过程的供氧（2学时） 第7章 发酵过程的控制（4学时） 第8章 次生代谢产物的生物合成（2学时） 第9章 抗生素发酵工艺（3学时） 第10章 氨基酸与核苷酸发酵（3学时） 第11章 维生素与核苷酸（3学时） 第12章 酶制剂与免疫抑制剂（3学时） 第13章 研究进展和课程总结（2学时）
可编辑课件
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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，而且随电解质浓度的增加， K Lα也有较大的增加。
问题
电解液浓度的增加，氧传递系数是增加还是减 少？氧的溶解度呢？
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9、菌体浓度
培养液中的菌体浓度对
K Lα也有很大的影响。如图 是黑曲霉菌体浓度与K Lα的 关系。
KLα
100
（相 对
）值）
黑曲霉菌体浓度对KLα的影响
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六、控制溶氧的工艺手段
控制溶氧的工艺手段主要是从供氧和需氧两方
面来考虑，前已述及影响供氧效果的主要因素有：
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二、培养过程中氧的传质理论
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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
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↓↓
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
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
▪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
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分来自压气膜 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。
(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
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）
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
细胞
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；
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
(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
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）。