7 微生物工程 第七章 发酵工业中氧的供给

由下面公式 求得。
KLa
QO2 x C CL
*
kLa亦可称为“通气效率”, 可用来衡量发
酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，
低值表示通气条件贫乏。

在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可 用下式表示：
dCL K L a(C * C L ) QO2 ` X dt
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
(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：
mmolO 2 (m h)
3
γ=QO2· X （7-1） X—细胞浓度，kg(干重)/m3
2. QO2与溶氧浓度CL关系

微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响。

概念：各种微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求，
即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界氧
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。
酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系
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% 氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
空气分散成细小气泡，增大接触界面与接触时间，
促进氧气的溶解。

耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力
搅拌
2.双膜理论
气液接触面
氧 在 空 气 中 的 分 压
气膜 液膜 p p-pi pi CL C i- CL Ci
氧 溶 解 于 液 相 的 浓 度
图7-3
扩散方向
双膜理论的气液接触
2.双膜理论
（1） 基本前提(三点假设)
* 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）。
OTR K L a(C Ckm ol (m h) L)
*
3
OTR：单位体积培养液中氧的传递速率， KLa：以浓度差为推动力的体积溶氧系数， h-1,s-1
三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系

氧传递特征（发酵罐传递性能）

若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提
高传递能力；

若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需
1）双膜界面

气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，一层气 膜，,一层液膜；


氧以浓度差方式透过双膜；
气泡内气膜以外的任一点氧浓度，氧分压相等； 液膜以外的液体任一点氧浓度、氧分压相等。
2）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 ：
Pi Ci
Pi HCi
3）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。
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）。
第七章
发酵工业中氧的供需
工业发酵氧的供需非常重要！
大多数的工业发酵都属于好氧发酵！ 氧是一种难溶性气体！
在水中溶解度为 0.25mol/m3！
T ↑，氧的溶解度↓
盐析作用，氧的溶解度↓ 0.21mol/m3！
仅能维持微生物15~20s的正常代谢！
本章内容
一、微生物对氧的需求
二、发酵过程中氧的传递 三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系 四、影响氧传递的因素 五、发酵过程中氧的传递效率
设
Da
(QO2 ) m X K La C *
K 0 C* , y CL C*
则
1 y y y 2 ( Da 1) y 0 Da y
设
B Da 1
则
B 4 B y 2 2
2
（7-21）
无量纲数Da为Damkö hler 准数，物理意义是细胞的


氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。
提高传氧效率,能大大降低空气消耗量, 降低设备费 和动力消耗,以及减少泡沫形成和染菌的机会, 提高 设备利用率。
二、发酵过程中氧的传递
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： 需氧量大 发酵罐
K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.
2）对于几种电解质的混合溶液：
C lg hi I i C i
式中 hi—第i种离子的常数, m3/kmol
1 I i Z i C Ei 离子强度, kmol/m3 2
* w * e
Zi—第i种离子的价数,
C Ei —第i种离子的浓度, kmol/m3
根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压
与该气体被溶解的分子分数成正比，即：
P HC
*
P HCL
*
Pi HCi
H——亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程
度，与气体、溶剂种类及温度有关。
由式
nO 2 K G ( P P ) K G
*
nO2 P P*
1 P P* P Pi Pi P* P Pi H (Ci CL ) KG nO2 nO2 nO2 nO2 nO2
kG—气膜传质系数， kL—液膜传质系数，m/h
kmol (m2 h MPa)
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，
kmol (m2 h MPa)
KL —以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/h 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 ：
推动力 P Pi Ci CL nO2 阻力 1 kG 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
3 kmol m CL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度，
最大耗氧量与最大供氧量之比。
当Da ＜1时，细胞的耗氧量＜最大供氧量，存在耗
氧限制，整个过程受呼吸速率控制；
当Da ＞1时，细胞的耗氧量＞最大供氧量，存在供
氧限制，整个过程受氧传递速率控制。
对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m
已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则,
Da
(QO2 ) m K La C
转速快，装量少 通无菌空气并搅拌 气升式
1.氧的传递途径与传质阻力
细胞或 细胞团 表面的 液膜阻 力
液膜传递 阻力 气膜传递 阻力
气液界 面传递 阻力
液相传递 阻力
细胞团 内传递 阻力 细胞内 反应阻 力
固液界 面传递 细胞膜 阻力 细胞壁 阻力
供氧方面阻力
耗氧方面阻力

供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力
所以对于微生物生长，一般要 控制发酵过程中氧饱和度>1
（3）影响微生物耗氧的因素
1. 分批发酵过程中的细胞耗氧规律
A. B.
培养初期： QO2逐渐增高，X较小。 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时X较低， γ并不高。 在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2< (QO2 )m ， X<Xm
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
六、溶解氧、摄氧率、KLa的测定
一、微生物对氧的需求
（1）氧在微生物发酵中的作用

呼吸作用（末端电子受体） 直接参与一些生物合成反应
CH3CH 2OH CH3COOH
O2
（2）微生物的耗氧特征
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）。
P Pi 1 P Pi nO2 1 kG kG nO2
Ci CL no2 1/ kL
1 Ci CL kL nO2
1 1 H K G kG k L
同理：
1 1 1 K L HkG k L
1 kL
1 由于氧气难溶于水，H值很大， ＜＜ HkG
K L kL
X X 0e

t
X0：初始菌液浓度
在稳态时,则 dC L 0 ，则
dt
CL C
*
QO2 X KLa

非稳态过程，如图7-5
（7-25）
四、影响氧传递的因素
气液传递速率方程：
OTR K L a(C CL )
*
1、影响推动力C*-CL的因素
2、KLα的影响因素
影响比表面积α的因素
因素。
,说明这一过程液膜阻力是主要
KL —以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/h
kL —液膜传质系数，m/h
3.氧传递方程
nO2—单位接触界面的氧传递速率

a：气液比表面积
在气液传质过程中，通常将 KLa作为一项处理，称
为体积溶氧系数或体积传质系数。

在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质
的基本方程式）为:

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

发酵条件的影响
pH值→影响酶活;
14.6 C t 31.6
* w
C.
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↓ (OTR: 单位体积培养液的氧传递速率） E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
图7-1 疣孢漆斑霉在分批培养时呼吸强度的变化
2、影响微生物耗氧的因素
影响液膜传递系数kL的因素
1、影响推动力C*-CL的因素
（1）温度 （2）溶质 （3）溶剂 （4）氧分压
（1）温度

氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在
1.01×105Pa 和温度在 4 ～ 33℃的范围内，与空气平
衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算：
14.6 C t 31.6
* w
筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。

供氧与耗氧至少保证平衡பைடு நூலகம்此时可用下式表示：
CL X OTR K L a(C CL ) QO2 X (QO2 ) m K 0 CL
*
OTR
X QO
2
传递
消耗
变换
(QO2 ) m X CL CL (1 * ) * C K L aC K 0 CL
*
x 1 X
Da为X的线性函数
CL QO 2 X y 1 C K L C
QO 2 QO 2 m
QO 2 也↓ QO 2 m
1 K0 1 CL
图7-4
随X的↑ ，CL ↓ y ↓ ，
稳态过程中，在KLa一定时，细胞
浓度对呼吸强度的影响
对于一个培养物来说，最低的通气条件可
浓度（Ccr）。
CL>
Ccr，QO2 保持恒定
CL< Ccr， QO2 大大下降
(1) 当CL>Ccr时， QO2＝ (QO2)m (2) 当CL< Ccr时，
QO 2
(QO 2 ) m C L k0 CL
k0：
亲和常数（半饱和常数），单位：mol/m3
k0特征： k0越大，亲和能力越小， QO2越小。