第5章 氧的供需与传递——【发酵工程】
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是反映发酵罐内氧传递（溶氧）能力的一个重要参数。
cL---溶液中氧的实际浓度，（mol/m3）； c*---与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度
饱和溶氧浓度（mol/m3）
影响氧传递推动力的因素
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）
增加（C*－C源自文库）：必须提高C*，或降低CL
提高饱和溶氧浓度C*的方法
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）
比表面积α 比表面积α越大，氧传递速率越大 气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及
气泡的大小。 截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比
表面积就越大。
增加比表面积
• 搅拌对表面积的影响较大，因为搅拌一方面可使 气泡在液体中产生复杂的运动，延长停留时间， 增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切作用又 使气泡粉碎，减小气泡的直径。 • 增大通气量可增加空气的截留率，从而使比表面 积增大。
•
X ---发酵液中菌体浓度，（g/L）
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数 • 临界氧浓度 • 在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧
浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某 一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的 增加而变化时的溶解氧浓度 。用C临界 表示
C临界
微生物需氧量
• 影响微生物需氧量的因素很多 • 归纳起来主要有菌种的生理特性、培养条件、菌龄等。
细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类 和数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸 氧量或呼吸程度是不同的。
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数 • 呼吸强度（比耗氧速率） • 单位质量的菌体(以干重计)在单位时间内消耗氧的量mmolO2/
（g干细胞·h ）。 • 用Qo2 表示。
培养条件
• 培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等
菌龄
• 幼龄 呼吸强度大 但菌体浓度低，总的耗氧量也低 • 晚龄 呼吸强度弱，但菌体浓度高，总的耗氧量也高
氧在液体中的溶解特性
• 饱和溶氧浓度： • 在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。(mmol/L) • 例：25℃ 1×105Pa 0.25 mmol/L
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数 • 耗氧速率 • 指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量，以 r 表示，单
位为[mmolO2/L·h] 。
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数
• r=Qo2·X
• 式中： r ---耗氧速率mmolO2/L·h；
•
Qo2---菌体呼吸强度 mmolO2/（g干细胞·h ） ；
• 增加罐压
• 但是要注意的是增加罐压虽然提高了氧的分压，从而增加 了氧的溶解度，但其他气体成分（如CO2）分压也相应增 加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中 CO2的排出，而影响了细胞的生长和产物的代谢，所以增 加罐压是有一定限度的。
• 增加空气中氧的含量，进行富氧通气操作。
• 即通过深冷分离法、吸附分离法及膜分离法制得富氧空气， 然后通入培养液。目前由于这三种分离方法的成本都较高， 富氧通气还处于研究阶段。
氧在液体中的溶解特性
• 影响氧饱和浓度的主要因素 • （1）温度
随温度的升高气体分子的运动加快，使溶液中的氧饱和浓度下降
氧在液体中的溶解特性
• 影响氧饱和浓度的主要因素 • （2）溶液的性质
一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的 同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶解度也不同。一般来说，溶 质含量愈高，氧的溶解度就越小
氧的传递阻力与传递途径
对于大多数微生物细胞的培养过程，细 胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，供氧 都是在培养液中通往空气来进行。氧从空气 泡传递到细胞内要克服一系列阻力，首先氧 须从气相溶解于培养基中，然后传递到细胞 内的呼吸酶位置上被利用。
氧的传递
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。
纯氧在不同溶液中的溶解度
25℃及1个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol O2/L)
氧在液体中的溶解特性
• 影响氧饱和浓度的主要因素 • （3）氧分压
气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加 25℃ 1×105Pa 空气中氧溶解度0.25 mmol/L
纯氧溶解度1.26 mmol/L
氧的传递
双膜理论 耗氧
气泡 1
液膜 3
2
气液界面
4
液相主体
液膜
细胞团
生物反应
5
7
细胞
9
6
8
细胞膜
固液界面
氧的传递
• 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。
• 耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞 内
氧的传递速率总方程式
OTR=K Lα（c*-cL）
式中： OTR---单位体积培养液中的传氧速率，[mol/m3·s]； KL---以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) α– 比表面积（m2/m3) KLα---以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）；
降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方 式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液 中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。目前发酵 所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素 之一，故此种方法亦不可取。
影响氧传递推动力的因素
第五章 氧的供需与传递
第五章 氧的供需与传递
• 发酵过程中氧的需求 • 氧在液体中的溶解特性 • 氧的传递 • 控制溶氧的工艺手段
发酵过程中氧的需求
• 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气。 在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长 繁殖，积累所需要的代谢产物。
• 微生物只能利用溶解于液体中的氧。 • 由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、
影响氧传递推动力的因素
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）
传递系数KL
影响传递系数KL的因素
• 搅拌 • 空气线速度 • 空气分布管 • 培养液的性质
表面活性剂 离子强度 菌体浓度
搅拌
采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方法。
1）搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加了氧与 液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢， 相应地氧与液体的接触时间也就增长；
cL---溶液中氧的实际浓度，（mol/m3）； c*---与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度
饱和溶氧浓度（mol/m3）
影响氧传递推动力的因素
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）
增加（C*－C源自文库）：必须提高C*，或降低CL
提高饱和溶氧浓度C*的方法
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）
比表面积α 比表面积α越大，氧传递速率越大 气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及
气泡的大小。 截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比
表面积就越大。
增加比表面积
• 搅拌对表面积的影响较大，因为搅拌一方面可使 气泡在液体中产生复杂的运动，延长停留时间， 增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切作用又 使气泡粉碎，减小气泡的直径。 • 增大通气量可增加空气的截留率，从而使比表面 积增大。
•
X ---发酵液中菌体浓度，（g/L）
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数 • 临界氧浓度 • 在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧
浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某 一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的 增加而变化时的溶解氧浓度 。用C临界 表示
C临界
微生物需氧量
• 影响微生物需氧量的因素很多 • 归纳起来主要有菌种的生理特性、培养条件、菌龄等。
细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类 和数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸 氧量或呼吸程度是不同的。
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数 • 呼吸强度（比耗氧速率） • 单位质量的菌体(以干重计)在单位时间内消耗氧的量mmolO2/
（g干细胞·h ）。 • 用Qo2 表示。
培养条件
• 培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等
菌龄
• 幼龄 呼吸强度大 但菌体浓度低，总的耗氧量也低 • 晚龄 呼吸强度弱，但菌体浓度高，总的耗氧量也高
氧在液体中的溶解特性
• 饱和溶氧浓度： • 在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。(mmol/L) • 例：25℃ 1×105Pa 0.25 mmol/L
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数 • 耗氧速率 • 指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量，以 r 表示，单
位为[mmolO2/L·h] 。
发酵过程中氧的需求
• 几个重要基本参数
• r=Qo2·X
• 式中： r ---耗氧速率mmolO2/L·h；
•
Qo2---菌体呼吸强度 mmolO2/（g干细胞·h ） ；
• 增加罐压
• 但是要注意的是增加罐压虽然提高了氧的分压，从而增加 了氧的溶解度，但其他气体成分（如CO2）分压也相应增 加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中 CO2的排出，而影响了细胞的生长和产物的代谢，所以增 加罐压是有一定限度的。
• 增加空气中氧的含量，进行富氧通气操作。
• 即通过深冷分离法、吸附分离法及膜分离法制得富氧空气， 然后通入培养液。目前由于这三种分离方法的成本都较高， 富氧通气还处于研究阶段。
氧在液体中的溶解特性
• 影响氧饱和浓度的主要因素 • （1）温度
随温度的升高气体分子的运动加快，使溶液中的氧饱和浓度下降
氧在液体中的溶解特性
• 影响氧饱和浓度的主要因素 • （2）溶液的性质
一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的 同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶解度也不同。一般来说，溶 质含量愈高，氧的溶解度就越小
氧的传递阻力与传递途径
对于大多数微生物细胞的培养过程，细 胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，供氧 都是在培养液中通往空气来进行。氧从空气 泡传递到细胞内要克服一系列阻力，首先氧 须从气相溶解于培养基中，然后传递到细胞 内的呼吸酶位置上被利用。
氧的传递
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。
纯氧在不同溶液中的溶解度
25℃及1个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol O2/L)
氧在液体中的溶解特性
• 影响氧饱和浓度的主要因素 • （3）氧分压
气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加 25℃ 1×105Pa 空气中氧溶解度0.25 mmol/L
纯氧溶解度1.26 mmol/L
氧的传递
双膜理论 耗氧
气泡 1
液膜 3
2
气液界面
4
液相主体
液膜
细胞团
生物反应
5
7
细胞
9
6
8
细胞膜
固液界面
氧的传递
• 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。
• 耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞 内
氧的传递速率总方程式
OTR=K Lα（c*-cL）
式中： OTR---单位体积培养液中的传氧速率，[mol/m3·s]； KL---以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) α– 比表面积（m2/m3) KLα---以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）；
降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方 式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液 中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。目前发酵 所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素 之一，故此种方法亦不可取。
影响氧传递推动力的因素
第五章 氧的供需与传递
第五章 氧的供需与传递
• 发酵过程中氧的需求 • 氧在液体中的溶解特性 • 氧的传递 • 控制溶氧的工艺手段
发酵过程中氧的需求
• 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气。 在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长 繁殖，积累所需要的代谢产物。
• 微生物只能利用溶解于液体中的氧。 • 由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、
影响氧传递推动力的因素
根据气液传递速率方程： OTR=K Lα（c*-cL）
传递系数KL
影响传递系数KL的因素
• 搅拌 • 空气线速度 • 空气分布管 • 培养液的性质
表面活性剂 离子强度 菌体浓度
搅拌
采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方法。
1）搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加了氧与 液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢， 相应地氧与液体的接触时间也就增长；