微生物发酵氧的供需与传递

临界氧浓度（c临界）
临界氧浓度：指不影响呼吸（或产物合成） 所允许的最低溶氧浓度。
微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L，
为饱和浓度的1~25%。
若不存在其他限制性基质时： •CL＜Ccr时，QO2随CL的增加而增大； •CL＞Ccr时，QO2恒定。
三、控制发酵液中溶解氧的意义
无菌空气中的氧
溶解
发酵液中的溶解氧
传递
细胞内氧化酶系
菌体利用
代谢产物
微生物吸氧量的表示
呼吸强度
• 单位重量干菌体在单位时间内所吸取的氧 的量，QO2 ，单位mmolO2/(g· h)。 • 表示微生物的相对需氧量。
耗氧速率
• 单位体积培养液在单位时间内的吸氧量， r，单位mmolO2/(L· h)。
2
优点：
– 操作简便，且在相当清洁的条件下能得到非常精确的 结果； – 取样均匀； – 不需要特殊仪器。
缺点：
– 发酵罐内如有极少量的表面活性剂，都可导致测定值 不精确； – 亚硫酸钠溶液对菌体生长有影响，且流变学性质与发 酵液差别较大，加之氧传递影响因素较多，故测定值 不能反映真实培养状态下的溶氧； – 只在工作容积为4～80L的设备中测定比较可靠，且 仅能表示培养设备通气效率的优劣。
第四节 影响氧传递速率的主要因素
N K L ac * cL
溶液的性质对氧溶解度的影响 气-液比表面积对氧溶解度的影响 影响氧传递系数的因素
一、溶液的性质对氧溶解度的影响
温度：
– 氧的溶解度随温度的升高而降低。
溶液性质：
– 一般，溶质含量越高，氧的溶解度就越小。
氧分压：
– 增加罐压，但同时会增加CO2的溶解度，不利 于CO2排出，而影响细胞的生长和产物的代谢；
– 富氧通气。
二、气-液比表面积对氧溶解度的影响
氧的传递速率与气-液比表面积成正比。 气-液比表面积取决于气体的截留率和气泡 的直径。 气体的截留率：
– 搅拌延长气泡在发酵液中的停留时间，增大了 气体截留率。 – 增大通风量，增加了气体截留率。
气泡的直径：
– 搅拌的剪切作用减小气泡的直径。
三、影响氧传递系数的因素
（2）搅拌桨参数
搅拌器的形式 搅拌器的间距 下组搅拌器距罐底 (0.8～1)d为好。
搅拌器的相对位臵
搅拌转速和叶径 搅拌组数
搅拌器的形式
搅拌功率相同时： 粉碎气泡能力：平叶式＞弯叶式＞箭叶式 翻动液体能力：平叶式＜弯叶式＜箭叶式 a、圆盘型；b、曲线型；c、螺旋桨型；d、45°角型
圆盘涡轮式搅拌器 产生径向液流。 在搅拌器上下两面形成两个循环的翻腾。
二、取样极谱法
当发酵液中加入的电压为0.6~1.0V时，扩散电流 的大小与溶解氧的浓度成正比。
优点：
– 由于氧的分解电压最低，发酵液中的其他物质 对测定的影响甚微，因此，此法可直接用于发 酵状态的溶氧传递系数的测定。
缺点：
– 溶解氧浓度的测定需要从设备中取样后测定， 样品压力由罐压降至大气压，测定的氧浓度不 准确，且静止条件下测得的摄氧率与实际培养 状态不完全一致，误差较大。
0.052molO2 / m 3 s 187.2molO2 / m 3 h




即每小时在 1m3 培养液中的需氧量是氧溶解量的 750 倍。
影响溶解度的主要因素
温度 溶液性质 氧分压
温度升高，气体分子运动加快，会使氧的 溶解度下降。
25℃，1atm下纯氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)
固定速率进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧迅速生
成硫酸钠。 亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率，该反应 的速度由气液相的氧传递速度控制，在一定范围内 （0.018~0.5 kmol/m3）与亚硫酸钠浓度无关。
氧一溶解于液体中就立即被还原，溶液中氧 浓度为0：
剩余的Na2SO3与过量碘作用： 用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘：
第三节 溶氧传递系数的测定方法
测定发酵设备的溶氧传递系数Kla（又称传氧 系数）值对于确定其通气效率和确定操作变量 对溶氧的影响是十分必要的。
– 亚硫酸盐氧化法 – 取样极谱法 – 物料衡算法
– 动态法
– 排气法 – 复膜电极测定KLa和氧分析仪测定KGa
一、亚硫酸盐氧化法
在反应器中加入0.5mol/L的亚硫酸钠溶液，10-3mol/L 的硫酸铜溶液（或镁离子、钴离子作催化剂），以
– 培养基的组成
– 培养液中溶解氧浓度（cL）
c、培养温度有关。 – 培养条件 与pH L>c临，呼吸不受影响； cL＜c临，微生物代谢受影响。 – CO2 相同压力下，二氧化碳溶解度是氧气的 30 倍，所以必须及时除去二氧化碳，否则会 影响微生物的呼吸，甚至是代谢。
碳源种类不同， QO2不同。 一般，在一定范围内，碳源浓度越高， QO2越大。 碳源
r QO2 cX
r：微生物耗氧速率，mmol/(L· h)
QO2：菌体呼吸强度， mmol/(g· h)
cX：发酵液中菌体的质量浓度，g/L
影响微生物耗氧速率的因素
微生物种类不同， QO2不同。 菌体浓度 对数期早期，QO2达到最大值。 菌体生长时期＞产物合成时期 QO2：
– 微生物种类和生长阶段
搅拌 空气线速度 空气分布管 发酵液性质 表面活性剂 离子强度 菌体浓度
1、搅拌
搅拌系统
– 搅拌桨
• 搅拌桨的功能 • 搅拌桨参数
– 挡板
（1）搅拌桨的功能
将大的空气泡分散成细小气泡，防止小气泡的凝聚， 增加了氧与液体的接触面积； 使培养液作涡流运动，延长了气泡在发酵液中的停 留时间； 使菌体分散，避免菌丝结团，有利于固液传递中的 接触面积的增加，使推动力均一；同时减少了菌体 表面液膜的厚度，有利于菌体对氧的吸收； 强化发酵液的湍流程度，降低了气/液接触界面的液 膜厚度，减小氧传递过程的阻力； 使罐内温度和营养物质浓度均一，气、液、固三相 充分混合； 可尽快排除细胞代谢产生的“废气”和“废物”， 有利于细胞的代谢活动。
搅拌器的间距
非牛顿型发酵液（霉菌、放线菌）
三、物料衡算法
dc K L a c * cL QO 2 c X dt
例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为
100L/h，发酵液的溶氧浓度为25%，空气进
入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为
19.8%，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的
K La 。
四、动态法
先提高发酵液中的溶 氧浓度，使其远高于 临界氧浓度(cc)； 达到平衡后，停止通 气而继续搅拌，溶氧 浓度直线下降； 待尚未降至cc之前， 恢复通气，溶氧逐渐 升高，恢复至平衡。
例：已知菌体浓度为 1015 个/m3，每个菌体的体积为 10-16m3（即直径为 5.8μm） ， 细胞的呼吸强度为 2.6×10-3mol O2/(kg 干细胞·s)，菌体密度为 1000kg/m3，含 水量为 80%，计算每立方米培养液的需氧量。
3 molO m 个菌体 kg kg干菌体 2 2.6 103 1016 1015 1000 0 . 2 kg干菌体 s 个菌体 kg 解： m3 m3
发酵液中的供氧和需氧始终处于动态平衡中
供氧：
N K L ac * cL
2
耗氧： r QO cX
某瞬间溶氧浓度变化：
dc K L a c * cL QO 2 c X dt
在稳定状态下：
KLa
QO2 c X c * c L QO2 c x K La
cL c *
V c N , m olO2 / m l min 4000tVS N K L ac * N V c Kd , m olO2 / m l min MPa p 4000tVS p
N：平均溶氧速率，mol O2/(ml· min)； VS：取样量，ml； c：Na2S2O3标准溶液的浓度，mol/L； Δt：两次取样间隔时间，min； ΔV：两次滴定所用Na2S2O3标准溶液的体积差，ml； Kd：以压力差为推动力的体积溶氧系数， molO /(ml· min· MPa) 。
微生物培养的供氧方式
摇瓶
• 摇床的往复运动或偏心旋转运动。
发酵罐
• 通风：通入无菌压缩空气 • 搅拌：提高供氧效率
第二节 培养过程中氧的传质理论
氧的传递途径与传质阻力 气体溶解过程的双膜理论
一、氧的传递途径与传质阻力
氧的传递途径： 气相中的氧
溶解
溶解氧
传递
呼吸酶
供氧：空气中氧气从空气泡里通过气膜、

当向溶液中通入纯氧时，溶液中氧的溶解 度可达43mg/L。
25℃、1×105Pa时，空气中的氧在纯水中的 溶解度为0.25mmol/L左右，在培养基中的 溶解度更低，约为0.21mmol/L。 微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05
mmol/L ，只能维持菌体正常生命活动20～
50s。因此，必须采取强化供氧。
以cL对时间t作图。 在停止供气阶段，直 线斜率为摄氧率r。
对氧进行物料衡算： dCL K L a C * C L QX dt 1 dCL 则：C L QX C * K L a dt


1 dCL 以C L 对 QX 作图，得直线，其斜率 为 ，截距为C *。 KLa dt
溶液浓度mol/L 0 0.5 1.0 2.0
盐酸 1.26 1.21 1.16 1.12
硫酸 1.26 1.21 1.12 1.02
氯化钠 1.26 1.07 0.89 0.71
一般，溶质含量越高，氧的溶解度就越小。
系统总压力小于0.5MPa，氧在溶液中的溶
解度只与氧的分压成直线关系。