第六章 发酵工业中的传氧

(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.
2) 溶质
2）对于几种电解质的混合溶液：
C* lg w hiIi * Ce i
式中 hi—第i种离子的常数, m3/kmol
1 Ii ZiCEi 离子强度, kmol/m3 2
Zi—第i种离子的价数,
C Ei —第i种离子的浓度, kmol/m3
2) 溶质（续）
B. 非电解质
* Cw lg * KCN Cn
(C ,C ) N
* n
式中 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
2) 溶质（续）
C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加
* * C C w lg w h I lg i i * * C C i j m nj
A.
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
(一) 供氧的实现形式
需氧量小
摇瓶水平：摇床转速慢，装量多
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
滞流区 气泡 滞流区
细胞团 生化反应 细胞膜
细胞
液相主体
气-液界面
C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/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 HC L
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。
P i HC i
n O 2 K ( P P ) K 由式 n O 2 G G * P P

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。
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（三）培养过程中细胞好氧的一般规律
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↓↓
14 .6 C t 31 .6
* w
t—温度,℃
Cw*—氧在纯水中的溶解度, mol/m3 T ↑ ，Cw* ↓ ，推动力↓
2) 溶质
A.
电解质 1) 对于单一电解质
C* lg w KCE * Ce
* (C , C ) E 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 K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化。
1 * OTR K a ( C C ) K a ( P P ) K a ( P P ) L L G L H
* *
OTR—单位体积培养液中氧的传递速率， 3 km ol ( m h ) KLa—以浓度差为推动力的体积溶氧系数， h-1,s-1 KGa—以分压差为推动力的体积溶氧系数,
若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
* * n K ( P P ) K ( C C ) O G L L 2
2 ( m s Pa ) KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数，mol
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
K a f ( d , N , W , D ,,,, g ) L s L
其中 d—搅拌器直径，m ; Ν—搅拌器转速，s-1 ; — 液体粘度，Pa· ρ—液体密度，kg/m3; s; DL—扩散系数, m2/s ; σ—界面张力，N/m; Ws— 表观线速度，m/s ; g —重力加速度, 9.81m/s2
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 p 空 气 中 i 的p 分 压
气 膜 液 膜
p p i
L C i -C
氧 溶 C i 解 于 液 相 的 浓 C L 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;
3 km ol ( m h MPa )
4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系

细胞呼吸的本征要求: xQ O 2 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：
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

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: dC * L K a ( C C ) Q x L L O 2 ` dt
在稳态时,则

dC L 0 ，则 dt
*
CL C
Q x O 2 KLa
（一）影响氧传递的因素
* K a ( C C ) 由气液传递速率方程 OTR L L
2. QO2与溶氧浓度CL关系
(1) 当CL>Ccr时， QO2＝ (QO2)m
(2) 当CL< Ccr时， Q O 2
( Q O 2) mC L k 0 C L
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。

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。
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。
氧的传递阻力
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 气膜传递阻力1/kG 气液界面传递阻力1/kI 供氧方面的阻力 液膜传递阻力1/kL 液相传递阻力1/kLB 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 固液界面传递阻力1/kIS 细胞团内的传递阻力1/kA 耗氧方面的阻力 细胞膜、细胞壁阻力1/kW 反应阻力1/kR
可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有： 1. 影响推动力C*-CL的因素 影响比表面积a的因素 影响液膜传递系数kL的因素
2. kLa的影响因素
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:

呼吸作用 直接参与一些生物合成反应
O 2 CH CH OH CH COOH 3 2 3
（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）。 (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
*
* * 1P P P P P P P P ( C C ) i i i H i L K n n n n G n O O O O O 2 2 2 2 2
P P P 1 P i i n O 2 1 k k n G G O 2
Ci CL no2 1/ kL
影响KLa的因素
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。 ①设备参数
KLa的准数关联式
综合①②③三类影响因素，有
1 1 H KG kG kL
1 Ci CL kL nO2
同理：
1 1 1 KL Hk kL G
1
G
由于氧气难溶于水，H值很大，Hk
＜＜
1 k
L
,说明这一过程液膜阻力是主要因素 。 K k L L
3.氧传递方程


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
(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 ：
P P C C 推动力 i i L n O 2 阻力 1 k 1 k G L
2 lO m h ) nO2—单位接触界面的氧传递速率， kmo 2( P、Pi—气相中和气、液界面处氧的分压，MPa 3 m CL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度， k mol 2 kG—气膜传质系数， kmol ( m h MPa ) 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）
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。
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。
4) 氧分压


保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的 组分浓度，如：进行富氧通气等。
液-细胞团界面
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；
C x * L OTR K a ( C C ) Q x ( Q ) L L O O 2 2m K C L 传递 消耗
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
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。