氧的供需及对发酵

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 O2 CH3COOH
只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
只考虑呼吸作用，则
C6H12O6→H2O+CO2 ＋能量 上式可知，180g葡萄糖完全氧化需要192g O2,
在常压下（25℃），氧的溶解度仅为6.4 mg /L，比 糖的溶解度小7000倍。只能保证氧化8.3mg葡萄糖， 仅相当于常用培养基葡萄糖浓度的1‰。
在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气 饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒 （分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。
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）。
呼吸强度表示微生物的绝对吸氧量，但当培养液中有固 体成分存在时，测定困难。用耗氧速率(摄氧率)表示.
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。
N——氧传递速率
△C 1、 △C 2 、 △C 8 ——各阶段氧浓度之差
2. 气体溶解过程的双膜理论
氧
在
空p
气
p-pi
中 的
pi
分
压
气液
氧
膜膜
ci 溶
解
ci-cl

于
液
相 cl 的
浓
度
假设条件
氧丛气相经气液界面进入液相，假想界面的一侧为气膜，另一测 为液膜
空气-气液界面推动力为氧分压之差p-pi 气液界面-液体的推动力为氧浓度之差ci-cl 气膜阻力为1/KG 液膜阻力为1/KL
二、氧的传递
1. 氧传递的阻力 微生物发酵过程中，氧需克服从气态→液体→菌体多
方面的阻力，才能参与各种生化反应
1) 气膜传递阻力1/kG
2) 气液界面传递阻力1/kI 3) 液膜传递阻力1/kL
供氧方面的阻力
4) 液相传递阻力1/kLB
5) 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC
6) 固液界面传递阻力1/kIS
则氧的传递速率
NA＝推动力/阻力=κG ·（p-pi)＝κL/(Ci- CL )
NA ——单位接触界面氧传递速率（kmol/m3 ·h） p、pi ——气相，气液界面氧分压（MPa） Ci、 CL ——气液界面，液体氧浓度 κG ——气膜传质系数（kmol/（m2 ·h·Pa）） κL ——液膜传质系数（kmol/（m2 ·h·kmol/m3）
第7章 发酵工业中氧的供 需
主要内容
第1节 细胞对氧的需求(为什么要供氧？为什么要 控制溶氧？）
第2节 发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如何 控制溶氧？）、影响氧传递的因素
第3节 氧对发酵的影响及控制
第一节 细胞对氧的需求
一、氧在微生物发酵中的作用 二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 三、影响耗氧的因素 四、溶解氧控制的意义
如对产物，则是不影响产物合成所允许的最低浓度。
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 对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1
▪菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
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
7) 细胞团内的传递阻力1/kA
耗氧方面的阻力
8) 细胞膜、细胞壁阻力1/kW
9) 反应阻力1/kR
2) 氧传递速率 设总阻力R为
R ＝ 1/k1 ＋ 1/k2 ＋ ···＋1/k8
（7-1）
当总推动力为△C时，氧传递速率为
N＝ △C/R＝ k1△C 1 ＝···＝k8 △C 8 （7-2）
空气饱和度百分数 在一定温度、罐压和通气搅拌下以消后培养基被 空气百分之一百饱和为基准
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
QO2
QO2
QO2 m CL K0 CL
QO2
m
CCr
CL
CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度; 好氧微生物临界氧浓度大约是饱和浓度的1-25％。
而r∝(QO2 , x ), 虽然x=xm,但 QO2占主导地位，所以 r↓ E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, r↓↓
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↓
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
三、影响耗氧的因素
r = QO2 .X
r——微生物摄氧率 mmol(O2)/L·h
QO2——呼吸强度 mmol(O2)/g (干菌体) ·h X ——菌体量 g (干菌体) /L
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，此时x较低, r并不高。 C. 在对数生长后期：达到rm, 此时 QO2< (QO2 )m ， x<xm D. 对数生长期末：S↓, QO2 ↓
(2) 摄氧率r（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时 间内消耗氧的量。 mmolO2 (m3 h) r=QO2·x x——细胞浓度，kg(干重)/m3
溶氧浓度表示方法
氧分压或张力，以大气压或毫米汞柱表示，多在 医疗单位中使用。
绝对浓度，以mgO2/L纯水或ppm表示，电极法 测定不出来绝对浓度，主要用在环保单位
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵 过程中氧很容易满足?
例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计，在28℃氧 在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右
0.25/0.052=4.8秒
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常 常不一样