第七节 溶解氧对发酵的影响及控制

3、溶氧浓度对产物合成的影响 、
根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： 根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足， a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈 抑制； 抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 谷氨酸，精氨酸， b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受 b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限， 供氧充足条件下 影响不明显； 影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 异亮氨酸，赖氨酸， c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物； c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物； 若供氧受限 若供氧充足，产物形成反而受抑制； 若供氧充足，产物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等 亮氨酸，缬氨酸，
N O2
N O2
推动力 ∆pi = = 阻力 1 k i
-氧的传递通量，mol/(m2.s)；∆pi-各阶段的推动力 氧的传递通量， 氧的传递通量 ； 各阶段的推动力 分压差）， ），Pa； 各阶段的传递阻力， （分压差）， ；1/ki-各阶段的传递阻力，N.s/mol。 各阶段的传递阻力 。
气体溶解过程： 气体溶解过程：双膜理论
1.传递途径 传递途径
气 胞
→气膜 气液界面 气膜→气液界面 气膜 气液界面→ 液膜→细胞膜 细胞膜→细胞 液膜 细胞膜 细胞 菌 丝 细胞膜 团
液→ 液
气液界面 气膜 发 酵 液 O2 液膜 O2 液膜 O2 细胞
问题：氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面， 问题：氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面，请 分别指出这两个过程的传氧路线？ 分别指出这两个过程的传氧路线？
最低通气条件) 供氧与耗氧至少必须平衡 (最低通气条件 最低通气条件
N = KLa c − cL = QO2 ⋅ X
KLa = QO2 ⋅ X c∗ − cL
(
∗
)
dcL ∗ = KLa c − cL − QO2 ⋅ X dt dcL 在 定状 下 恒 态 ， =0 dt QO2 ⋅ X ∗ ⇒ cL = c − KL a
p = Hc∗ 根据亨氏定律， 根据亨氏定律，有： ∗ p = Hcl pi = Hci
的表达式可以写为： 则NA的表达式可以写为：
p − pi pi − p* p − pi H(ci − cL ) = + = + NA NA NA NA
1 p − p* = kG NA
p − pi 1 ci − cL 1 因 ： = 为 ， = kG NA kL NA
• 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，为了计算 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度， 方便，通常情况下，改用总传质系数和总推动力表示， 方便，通常情况下，改用总传质系数和总推动力表示， 在稳定状态时， 在稳定状态时，有：
N o 2 = K L (c − cL ) = K G ( p − p )
Ccritical
Dissolved Oxygen Concentration
一般微生物生长临界氧浓度是饱和浓度的1%-30%。 。 一般微生物生长临界氧浓度是饱和浓度的
某 些 微 生 物 的 临 界 氧 浓 度
温度（ ） 微 生 物 温度（˚C） 临界氧浓度 （mmol/L） ） 固氮菌 30 0.018 大肠杆 菌 酵 母 产黄青 霉 37 30 24 0.008 0.004 0.022
N = K Lα ( c − c L )
*
N：氧的传递速率[kmol/（m3·h）]； ：氧的传递速率 （ ）； KLa：以浓度差为动力的体积溶氧系数（h-1）； ：以浓度差为动力的体积溶氧系数（ KGa：以分压差为动力的体积溶氧系数 ：以分压差为动力的体积溶氧系数[kmol/（m3·h·M pa）]； （ ）； cL：发酵液中氧浓度（kmol/m3）； 发酵液中氧浓度（ c*：与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）； 平衡的发酵液氧浓度（ ：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 p：气相中氧分压（M Pa）； ：气相中氧分压（ ）； p*：与液相中氧浓度 平衡的氧分压（M Pa）； 平衡的氧分压（ ：与液相中氧浓度c平衡的氧分压 ）； H：亨利常数（m3·M Pa/kmol） ：亨利常数（ ）
• 氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力，传递 氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力， 过程中的总推动力就是气相与细胞内的氧分压之差， 过程中的总推动力就是气相与细胞内的氧分压之差，这 一总推动力消耗于从气相到细胞内的各项串联的传递阻 当氧的传递达到稳态时， 力。当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各 步传递速率相等，这时通过单位面积的传递速率为： 步传递速率相等，这时通过单位面积的传递速率为：
气体扩散方向
气—液界面 液界面 气相 P 空气 泡PO2 Pi
气 液 膜 膜
液相 Ci 发 酵 液 CL 液膜动力： 液膜动力：Ci-CL 阻力： 阻力：1/kL
气膜动力： 气膜动力：P-Pi 阻力： 阻力：1/kG
• 微生物发酵过程中，通入发酵罐内的氧不断溶解于培 微生物发酵过程中， 养液中，以供菌体细胞代谢之用。 养液中，以供菌体细胞代谢之用。这种由气态氧转变 成溶解态氧的过程与液体吸收气体的过程相同， 成溶解态氧的过程与液体吸收气体的过程相同，所以 可用描述气体溶解于液体的双膜理论中的传质公式表 示发酵过程氧的传质速率： 示发酵过程氧的传质速率：
一、溶解氧浓度对发酵的影响
1、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 呼吸强度： /g干菌体 干菌体·h 呼吸强度：QO2（mmol O2/g干菌体 h） • 耗氧速率：r （mmol O2/L h） /L·h 耗氧速率：
r = QO2 • X
---发酵液中菌体浓度，（kg/m 发酵液中菌体浓度，（ X ---发酵液中菌体浓度，（kg/m3）；
3、溶氧浓度对产物合成的影响 、
• 产物合成临界氧浓度？ 产物合成临界氧浓度？ • 最佳产物合成氧浓度不一定与最适生长溶氧浓度或生 长临界氧浓度相同。 长临界氧浓度相同。
4、发酵过程的溶氧变化 、
发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加， 发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超 过供氧， 过供氧，溶氧明显下降 发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、 发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、 时机和方式等 发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升， 发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体 自溶， 自溶，溶氧就会明显地上升
P − Pi ci − cL NO2 = = = kG ( p − pi ) = kL (ci − cL ) 1 kG 1 kL
NO2-单位接触界面的氧传递速率，kmol／（㎡ ）；P，Pi-气相中及 单位接触界面的氧传递速率， ／（㎡·h）； 气相中及 单位接触界面的氧传递速率 ／（㎡ ）； 气、液界面处氧的分压，MPa；CL，Ci-液相中及气、液界面处氧的 液界面处氧的分压， ； 液相中及气、 液相中及气 浓度，kmol／m3；kG-气膜传质系数，kmol／(㎡.h.MPa)； kL-液膜 浓度， ／ 气膜传质系数， ／㎡ ； 液膜 气膜传质系数 传质系数，m/h。 传质系数， 。
(
)
二、发酵液溶氧浓度的控制
氧传质方程
Nv = K l a (c * − c )
Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h Kla: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1 为推动力的体积溶氧系数 根据气液传递速率方程： 根据气液传递速率方程： N=K Lα（c*-cL） （ 凡是影响推动力c*比表面积α 凡是影响推动力c*-cL、比表面积α和传递系数的因素 c* 都会影响氧传递速率。 都会影响氧传递速率。
• 主要是设法提高氧传递的推动力和液相 体积氧传递系数KLα。 体积氧传递系数 。 • 发酵液中氧的饱和度 主要受温度、罐 发酵液中氧的饱和度C*主要受温度、 主要受温度 压及发酵液性质的影响。 压及发酵液性质的影响。而这些参数在 优化了的工艺条件下，已经很难改变。 优化了的工艺条件下，已经很难改变。 因此， 因此，在实际生产中通常从提高氧的体 积传质系数KLα着手，提高设备的供氧 着手， 积传质系数 着手 能力。 能力。
思考： 思考：溶氧明显下 降的原因？ 降的原因？ 从溶氧浓度变化如 何判断菌体生长情 况？
二、发酵液溶氧浓度的控制
• （一）、氧的传递途径与传质阻力 ）、氧的传递途径与传质阻力 • 分为供氧和耗氧两方面 • 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、 气液界面和液膜扩散到液体主流中。 气液界面和液膜扩散到液体主流中。 •来自百度文库耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝 耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、 丛、细胞膜扩散到细胞内
（1）.供氧方面的阻力 ） 供氧方面的阻力
1 1 1 1 液膜； : 气膜； 气液界面； : 发酵液 气膜； k :气液界面； k : 液膜； k1 k4 2 3
1 是该过程的主要阻力 k3
（2）.耗氧方面的阻力 ） 耗氧方面的阻力
1 胞外液膜； : 胞外液膜； k5
1 : 胞内传递； 胞内传递； k8
1 1 细胞膜； : 菌丝丛； : 细胞膜； 菌丝丛； k6 k7
1/ k6 ,1/ k7 是该过程的主要的耗氧阻力
由此可见， 由此可见，氧从空气泡到达细胞的总传递阻力为 上述各阻力之和： 上述各阻力之和：
1 1 1 1 1 1 1 1 1 = + + + + + + + k t k1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 k 7 k 8
第五节、 第五节、溶解氧浓度对发酵的影响及控制
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 是需氧微生物生长所必需。 溶氧 是需氧微生物生长所必需 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制 控制因 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 ℃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 左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生 倍 长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若 长期即使发酵液中的溶氧能达到 ％空气饱和度， 此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒 几秒（ 钟之内便 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。 耗竭，使溶氧成为限制因素。
* *
KG-以氧分压差为总推动力的总传质系数，kmol／(㎡·h·MPa）； 以氧分压差为总推动力的总传质系数， 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，m/h；cL-发酵液中氧的 以氧浓度差为总推动力的总传质系数， 以氧浓度差为总推动力的总传质系数 ； 发酵液中氧的 实际浓度， 与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 实际浓度，kmol/m3； c*-与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度， ； 与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度， kmol/m3；p-气相中氧分压，MPa；p*-与液相中氧浓度 平衡的氧分 气相中氧分压， 与液相中氧浓度c平衡的氧分 ； 气相中氧分压 ； 与液相中氧浓度 压，MPa。 。
1 1 H 所 ： = 以 + KG kG kL
同样的方法可得出K 的表达式： 同样的方法可得出 L的表达式：
1 1 1 = + KL H ⋅ kG kL
对难溶气体来讲： 对难溶气体来讲：
KL ≈ kL
1 1 1 = + KG Hk G k L
对易溶气体来讲： 对易溶气体来讲：
KG ≈ kG
• 在实际应用中，常以包含传质界面积的容积传质系数 在实际应用中， 计算，因此，在单位体积的培养液中， 计算，因此，在单位体积的培养液中，氧的传质速率 可表示为： 可表示为：
2、微生物的临界氧浓度（C临界） 微生物的临界氧浓度（
菌体进行某种生理活 动时， 动时，对发酵液中溶氧 浓度的最低要求； 浓度的最低要求； 不同菌种、 不同菌种、同种菌在 不同生理期具有不同的 C临界值； 一般来说， 一般来说， C临界为 0.003-0.05mmol/L 而r为25~100mmol/L.h 为