第五章 氧的供需

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3.溶解氧控制的意义
在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态 下的氧（最近有报道在气-液界处的微生物也能直 接利用气相中的氧）。氧是很难溶解的气体，在 25℃、100MPa下，空气中的氧在水中的溶解度 0.25mmol/L。1.由于微生物不断消耗发酵液中的 氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工环境 内比较集中，浓度大；2.另外在这种稠厚的培养 液氧的溶解度比在水中更小。就必须采用强化供 氧。
由于氧是很难溶于水中的气体，所以在供氧方面液膜阻 力比较显著，是控制因素。
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四、发酵温度的控制
在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却 水冷控却制介。质：深井水或冷冻水
控制方式：手动控制或自动 控制
温度计
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温度控制器
调节阀
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第二节 氧的供需
• 液体发酵类型： 嫌气发酵：乙醇、乳酸、丙酮、丁醇 好氧发酵：
（２）传递阻力主要集中在界面两侧的层 流膜上。
（3）在双膜之间的两相界面上，氧的分压强与
溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系。
（4）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点 的氧浓度不随时间而变化。
当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相 等，即：
nO2 = p－pI = p－p* =CI－CL = C*－CL
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近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步， 以至氧的需求超过现有的生物反应设备的氧传递 的能力，其后果是氧传递速率成为产量的限制因 素。氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补 的损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物 的产生。了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最 适需氧量，就可能分别地合理地供氧。
• 产黄青霉在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养 基中，最大摄氧率分别为3.72×10-3，1.9 ×10-3和1.4 ×10-3mol/(m3.s)。
•
• 培养条件（如pH、温度等） • 有害代谢产物 HAc
3、溶解氧浓度对菌体生长的影响
• 临界氧浓度：培养过程中，当不存在其它限制性
基质时，比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升， 当溶氧浓度高于临界值时，细胞的比耗氧速率不再 上升并保持恒定，则此溶氧临界值为临界氧浓度。 即不影响细胞呼吸所允许的最低溶氧浓度。
1/kG 1/KG 1/kL
1/KL
p — 气相主体氧分压，Pa ;
1/k8
1、气—液相间的氧传递
双膜理论
• 基本前提：
（１）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在 界面气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存 在着一层液膜。气膜内的气体分子与液膜中的液体分 子都处于层流状态，氧分子以扩散方式，即籍浓度差 推动穿过双膜进入液相主流。气泡内除开气膜以外的 气体分子处于对流状态，称为气体主流，主流中的任 一位点氧分子的浓度相等；液体主流中的氧也是如此。
膜扩散到液体主流中。
耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到 细胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生
物利用。 供氧方面的阻力： ①气膜阻力，主流气流与气膜间的气膜阻力 ②气液界面阻力，与空气情况相关 ③液膜阻力，气液界面至液体主流间的液膜阻力
④液流阻力 耗氧方面的阻力： ①细胞周围液膜阻力，与发酵液成分和浓度相关 ②菌丝丛或团内的扩散阻力 ③细胞膜阻力，与微生物的生理特性相关 ④细胞内反应阻力。
生长期 产物合成期
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和氧浓度） 13%
>13%
>8%
• 溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响:
• 溶解氧浓度低于临界氧浓度时，谷氨酸和天 门冬氨酸类氨基酸的产量下降；
• 但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧 浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。
氨基酸生物合成中每消耗1摩尔葡萄糖所生成的
NAD(P)H2和ATP摩尔数
氨基酸 乙醛酸循环
CO2固定
NAD(P)H2(FADH2) ATP NAD(P)H2(FADH2) ATP
谷氨酸 16/3
23
1
谷氨酰胺 6
4/3 3
0
脯氨酸 16/3
4/3 2
0
精氨酸 14/3
-2/3 2
-3
赖氨酸 8/3
2/3 -2
-1
苏氨酸 4
0 -4
-4
异亮氨酸 2
通气的重要性
• 氧在纯水中的溶解度： 0.25mol/m3(25℃,0.1MPa) 8ppm
• 每立方米培养液单位时间内的需氧量 （假设菌体浓度1015/m3）：
菌体浓度×单位菌体单位时间内的需氧量 （生物量×呼吸强度） ==[1015个菌体/m3 ×(10-16m3/个菌体) ×(1000kg/m3)
第二节 培养过程中的氧传递
一、发酵液中氧的传递方程
气泡
液膜 3
1 2
气液界面
4 液相主体
液膜
细胞团
5
7 生物反应 细胞
9
6
8 细胞膜
固液界面
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
源自文库、发酵液中氧的传递方程
氧传递的阻力
• 供氧方面的阻力:
1.从气相主体到气液界面的气膜传递阻力1/kG 2. 气液界面的传递阻力1/kI 3.从气液界面通过液膜的传递阻力1/kL 4.液相主体的传递阻力kLB
• SOUR: 即比耗氧速率。在污水处理中评价活性污泥稳 定的定量指标，是指单位质量的活性污泥在单位时间 内的耗氧量。微生物培养等实验研究中，SOUR 是重 要的生化指标。微生物细胞的比耗氧速率（呼吸强度） 是指单位重量的细胞在单位时间内消耗氧的量
一些微生物的K0值
微生物 好气气杆菌
KO(MOL/M3) 3.10 X 10-5
影响需氧的因素 r = QO2 .X
菌体浓度
QO2
• 碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。 平衡方程式！
C6H12O6 + 6O2 CH3OH + 3/2 O 2 CnH2n+2 + (3n+1)/2O2
6CO2 + 6H2O CO2 + 2H2O nCO2 +(n+1) H2O
结论？
• 当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧 更多，例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培 养微生物时，每消耗碳源中一个碳原子所 需要的氧分别为1.34、1.0和0.4分子。
事实上并不需要发酵液中氧的浓度达到饱和 浓度，只要维持在氧的临界浓度以上即可。因此， 因尽可能了解发酵过程中菌的临界氧浓度和达到 最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵 产物形成过程中的最高需氧量，以便分别合理地 供给足够氧气。
二. 传氧理论 1.氧的传递途径及传质阻力 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液
关系：耗氧——供氧 检测
第一节 细胞对氧的需求
1、比耗氧速率（呼吸强度） 2、摄氧率
3、临界氧浓度CCr 4、溶解氧对细胞生长的影响
5、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
个体——体系
菌体——产物
1、比耗氧速率
• 比耗氧速率（呼吸强度）：单位质量的细胞（干
重）在单位时间内消耗氧的量。 Qo2 mol O2 • kg干细胞-1• s-1 ； mmol O2·g菌-1·h-1
菌体内向发酵液的传递。 ②供给微生物和代谢所需的氧气。 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要 消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分子存在情 况下才能完成生物氧化作用。因此供氧对需氧微 生物是必不可少的，在生物反应过程中必须供给 适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积累所需 要的代谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于 细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于
第四章 传氧与通气搅拌
本章主要内容
• 通气与搅拌目的和意义 • 传氧理论 • 影响传氧速率的因素 • 溶氧系数及其测定 • 搅拌器轴功率的计算 • KLa和溶氧速率的调控
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一. 概述 1.生化反应器通气与搅拌有两个目的:
①使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬 浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从
• nO2 ：氧的传递通量，mol/（m2 • S） • Δpi ：各阶段的推动力（分压差），Pa • 1/ki ：各阶段的传递阻力，N.s/mol • ki ：传递系数 mol/(m2 • s • Pa) 气体
nO2 = C = C 1 = C 2 = …… = C 8
K 1/k1 1/k2
×(1-80%) kg干菌体/kg菌体] ×(2.6 ×10-3molO2/kg干菌体.s) ==0.052molO2/(m3.s) • 培养液中的氧维持菌体正常生存的时间不超过：
0.25/0.052=4.81s
一、细胞对氧的需求
二、培养过程中的氧传递
三、影响供氧的因素
四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法
液体中的氧气。
2. 微生物的临界氧浓度
微生物的耗氧速率受发酵液的浓度的影响，各
种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求
这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度”。不同的微 生
物的需氧量不同。同一种微生物的需氧量，随
菌龄和培养条件(生长曲线图)不同而异。菌体 生长和形成代
谢产物的耗氧量也往往不同。
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氧浓度和比耗氧速率的关系:
(Qo2)mCL Qo2=
Ko + CL
氧为唯一的限制性基质 (QO2)m：最大比耗氧速率 K0： 氧的米氏常数，最大比耗氧速率为半值时的氧浓度
• BOD(生化需氧量) • OUR（耗氧速率） • SOUR（比耗氧速率）目前多采用分批实验法和呼吸测
量仪测量耗氧速率
• OUR: 单位体积溶液在单位时间内消耗氧量称为耗氧速 率（摄氧率）。测定活性污泥耗氧速率(OUR)，可判 断有无毒物流入、负荷条件和排泥平衡情况，以更好 的控制污水处理过程。
耗氧能力
影响QO2的因素
遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件
2、摄氧率
• 摄氧率：单位体积培养液在单位时间内
消耗氧的量。 r mol O2 • m-3 •s-1；mmol O2·L-1·h-1
r = Qo2 • X 细胞浓度直接影响培养液的摄氧率，在分
批实验过程中，摄氧率发生很大变化。
2/3 -3
-1
缬氨酸 0
2
亮氨酸 2
2
苯丙氨酸 0
-7/5
酪氨酸 6/5
-7/5
色氨酸 11/8
-7/5
总结
细胞对氧的需求：
• 表示方法： 比耗氧速率：表示微生物的相对需氧量 摄氧率：表示培养液的相对需氧量 临界氧浓度：表示细胞正常生长的最低氧 浓度
• 溶解氧对细胞生长的影响 • 溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
巨大芽孢杆菌
5.97 X 10-4
弱氧化醋酸菌
1.57 X 10-3
啤酒酵母
10-3
德巴利酵母
10-3
副流感嗜血菌
2 X 10-3
菌体对氧的亲和力
一些微生物的最大比耗氧速率
微生物 黑曲霉 灰色链霉菌 产黄青霉菌 产气克雷伯氏菌 啤酒酵母 大肠杆菌
(QO2)MMOL O2/(KG 干细胞·S) 8.3 X 10-4 8.3 X 10-4 1.1 X 10-3 1.1 X 10-3 2.2 X 10-3 3.0 X 10-3
• 耗氧方面的阻力:
5.细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 6.固液界面的传递阻力1/kIS 7.细胞团内的传递阻力1/kA 8.细胞壁的阻力1/kW 9.胞内反应阻力1/kR
氧的传递通量
• 氧的传递通量(nO2)：通过单位面积的氧传递速率。
• nO2 =推动力/阻力=Δpi/（1/ki） =ΔCi/（1/ki）
• 1.从代谢的角度看:低于临界氧对部分品
种的代谢可能是致命的，所以最好调整 供应条件不要越雷池! 2.从成本的角度:供氧是需要空气\搅拌等 动力协调的,知道了临界氧就会心中有数 不会过度浪费资源!
临界氧浓度CCr的测定
一些微生物的呼吸临界氧浓度CCr
微生物
Ccr(mol/m3)
温度(0C)
维涅兰德固氮菌
不同培养时间的临界氧浓度
时间 （hr）
4
8
临界氧 时间 浓度（%） （hr）
34.3 20
30.9 22
临界氧 浓度（%）
7.2
9.3
启
10
29.7 24
14.9
示
12
13.4 30
17.1
？
14
8.3
32
22.1
18
6.6
4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响
产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样
1.8~4.9X10-2
30
大肠杆菌
8.2X10-3
37.8
3.1X10-3
15
粘质沙雷氏菌
-1.5X10-2
31
脱氮假单胞菌
-9X10-3
30
酵母 产黄青霉菌
米曲霉
4.6X10-3 3.7X10-3 -2.2 X10-2 -9 X10-3 -2.0X10-3
34.8 20 24 30 30
举例: Bacillus thuringiensis发酵过程临界氧 浓度问题