【发酵工程】第七章_发酵工业中氧的供给

酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系
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疣孢漆斑霉在分批培养时呼吸强度的变化
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气液接触面
氧 在 空 气 中 的 分 压
气膜 液膜 p p-pi pi CL Ci- CL Ci
氧 溶 解 于 液 相 的 浓 度
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3. 培养过程中细胞耗氧的一般规律
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
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扩散方向
双膜理论的气液接触
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稳态过程中，在KLa一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响
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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
* *
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OTR—单位体积培养液中氧的传递速率， kmol (m3 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,
kmol (m3 h MPa)
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K C* , y CL C*
则
1 y y y 2 ( Da 1) y 0 Da y
B 2 4 B y 2 2 B Da 1
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无因次数Da为Damkö 准数，物理意义是细胞的 hler
OTR K L a(C * CL ) QO2 x (QO2 ) m
传递
消耗
CL x K CL
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变换
(QO2 ) m x CL CL (1 * ) * C K L aC K CL
令
Da
(QO2 ) m x K La C *

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。
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(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
K L k L ,说明这一过程液膜阻力是主要因素。
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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
1 OTR K L a(C C L ) K G a( P P ) K L a ( P P* ) H
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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 )
* *
mol KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数， (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
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Da
(QO2 ) m K LaC
*
x 1x
β为常数,则
B Da 1 1x 2 (1, 2为常数)
（一）氧在微生物发酵中的作用 （二）可利用氧的特征 （二）微生物的耗氧特征 （四）溶解氧控制的意义
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（一）氧在微生物发酵中的作用 （对于好气性微生物而言）

呼吸作用 直接参与一些生物合成反应
CH3CH 2OH CH3COOH
O2
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推动力 P Pi Ci CL nO2 阻力 1 kG 1 kL
kmo nO2—单位接触界面的氧传递速率， lO2 (m2 h) P、Pi—气相中和气、液界面处氧的分压，MPa kmol m3 CL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度， kmol (m2 h MPa) kG—气膜传质系数， kL—液膜传质系数，m/h
4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系

细胞呼吸的本征要求: x QO2 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：
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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
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一、细胞对氧的需求
γ=QO2· x x——细胞浓度，kg(干重)/m3
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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 ) m C L k 0 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。
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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· -1, 8.8% L 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.
C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3
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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。
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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

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。
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(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 ：
菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小

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4. 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
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（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。
需氧量小
摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和 发酵罐水平 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
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1.氧的传递途径与传质阻力
氧从气泡到细胞的传Biblioteka Baidu过程示意图
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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,
P Pi 1 P Pi nO2 1 kG kG nO2
Ci CL no2 1/ kL
1 1 H KG kG kL
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1 Ci CL kL nO2
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， G ＜＜ Hk
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供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力 耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力

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(1)双膜理论的基本前提(三点假设)

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；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。
（二）可利用氧的特征

只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
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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：mmolO (m3 h) 2
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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
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(一) 供氧的实现形式
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由式 n O 2 K G ( P P ) K G
*
nO2 P P*
1 P P* P Pi Pi P* P Pi H(Ci CL ) KG nO2 nO 2 nO 2 nO 2 nO2
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↓↓
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4. 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↓