发酵工程 第五章 氧的供需与传递

二、取样极谱法
原理：当在发酵液中加入电解电压为0.6-1.0V时，
扩散电流的大小与发酵液中溶解氧的浓度成正比， 通过测定扩散电流的大小就可以测定传氧系数。
极谱法可以通过测定真实培养状态下培养液中的
溶解氧浓度，进而计算出传氧系数，但是取出后 检测会出现误差。
r 斜率 KLa c * cL c * cL
CuSO4 2Na2SO3 + O2 2Na2SO4
2. 剩余的Na2SO3与过量的碘作用 H2O
Na2SO3 + I2
Na2SO4 + 2HI
3. 再用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘 2Na2S2O3 + I2 Na2S4O6 + 2NaI
亚硫酸盐氧化法
操作程序： ◆ 将一定温度的自来水加入试验罐内，开始搅拌， 加入亚硫酸钠晶体，使SO3-2浓度约0. 5mol/L左右； 再加入硫酸铜晶体，使Cu2+浓度约为10-3 mol/L，待 完全溶解；通空气，一开始就接近预定的流量，尽 快调至所需的空气流量；稳定后立即计时，为氧化 作用开始；氧化时间连续4～10min，到时停止通气 和搅拌，准确记录氧化时间。 ◆ 试验前后各用吸管取5～100ml样液，立即移入 新吸入的过量的标准碘液中；然后用标准的硫代硫 酸钠溶液，以淀粉为指示剂滴定至终点。
加而增大。当增加通气量时，空气的线速度也 相应增大，从而增加了溶氧，氧传递系数KLα 也增大。
过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，
气流形成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率 和溶氧速率都大大降低，“过载”现象。
3. 空气分布管
当通风量较小（0.02-0.5 ml/s）时，气泡的直径与空
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氧的供应
（1）实验室中，通过摇瓶机往复运动或偏心旋转运动供 氧。 （2）中试规模和生产规模的培养装臵采用通入无菌压缩 空气并同时进行搅拌的方式。 （3）近年来开发出无搅拌装臵的节能培养设备，如气升 式发酵罐。 （4）细胞对鼓泡通气和机械搅拌产生的剪切作用敏感。
第二节 培养过程中氧的传质理论
搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器
间距以及在罐内的相对位臵等对氧传递系数都有 影响。
从上表可见，搅拌转速对KLα的影响很大，对微生物的摄氧 率也有影响。但过高的搅拌速度不但浪费动力，还会损伤菌体， 引起菌体自溶及减产等。

2. 空气线速度
线速度较小时，氧传递系数KLα随通气量的增
而有较大的比表面积。
5. 表面活性剂
培养液中消泡剂等具有亲水端和疏水端的表面
活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力， 使氧传递系数KL α发生变化。
6. 离子强度
在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件下，
电解质溶液的氧传递系数KLα比水大，而且随电 解质浓度的增加， KLα也有较大的增加。
在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因
DO作为环境因素对微生物反应有直接影响； DO被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代
谢过程，可视为一种营养性底物。
控制溶解氧的意义:
对于好气性发酵来说，氧传递速率是发酵产量和发
酵周期的限制因素。
微生物只能利用溶解氧，故好氧发酵中必须采用强
化供氧。
氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补的损失
3. 氧传递过程中要克服的阻力
供氧阻力 耗氧阻力
二、气体溶解过程中的双膜理论
氧传递首先从气相扩散
到气液两相界面，再进 入液相，界面一侧是气 膜，一侧是液膜。氧传 递的主要阻力存在于气 膜和液膜中。
气液界面附近的氧分压
或溶解氧浓度变化
在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体 主体的传递速率，可表示为：

OTR = KL α ( C* －CL )
OTR — 单位体积培养液中的氧传递速率， mol/(m3· s)
α — 比表面积， m2/m3
KL — 以氧浓度为推动力的传递系数，m/s CL — 液相中氧的浓度，mmol/L C* — 与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和浓度，mmol/L
对难溶气体而言，氧传递过程中液膜阻力是主 要因素；对易溶气体而言，氧传递过程中气膜阻 力是主要因素
气喷口直径成正比，即喷口的直径越小，气泡的直 径也就越小，相应地溶氧系数就越大。
但是，一般发酵工业的通风量远远超过这个范围，
此时，气泡的直径与通风量有关，与喷口的直径无 关。 采用单管或环型管通风效应不受影响，环型管 易堵塞，故发酵工业多采用单管空气分布器。
4. 发酵液性质
发酵液的粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩
微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率表示。 呼吸强度：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧
量，以QO 表示。
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耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的吸
氧量，用r表示。
二、微生物对氧气的需求
临界氧浓度：微生物对发酵液中溶解氧浓度的最
低要求，C临界表示。
好气性微生物深层培养时需要适量的溶解氧以维
或导致细胞代谢转向不需要的化合物的生成。
溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不同的影 响。
对菌体生长的影响显而易见。
谷氨酸、精氨酸和脯氨酸发酵时，若供氧不足，其积 累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。 对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如金霉素 发酵，在生长期短时间停止通风，就可能影响菌体在生产
多的气泡，使比表面积增大。
三、影响氧传递系数的因素

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
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； 2）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而 是作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，增 加了气液的接触时间； 3）搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液 膜的厚度，减少液膜阻力； 4）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中 的接触面积的增加，使推动力均一，同时也减少 了菌体表面液膜厚度，有利于氧的传递。
1）气膜阻力（ 1/k1 ; 1/KG）：为气体主流及气-液界 面的气膜阻力，与空气情况有关。 2） 气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关， 只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其 余的则返回气相。
3）液膜阻力（1/k3; 1/KL）：为从气-液界面至液体 主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。 4）液流阻力（1/k4; 1/KLB）：液体主流中传递的阻 力；也与发酵液的成分和浓度有关。
持其呼吸代谢和某些代谢产物的合成，对多数发 酵来说，氧的不足会导致代谢异常，产量降低。
微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05mmol/L。
一般微生物需氧量为25-100mmolO2/L· h。
同一微生物在不同条件下需氧量不同。
影响微生物需氧量的因素（熟悉）
1. 微生物种类
2. 培养基的组成与浓度 种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同
CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因而发酵过程中不及时 将培养液中的CO2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌 的代谢。
三、控制发酵液中溶解氧（DO; Dissolved Oxygen)的意义
难溶：25℃、一个大气压，空气中的O2在纯水中
的溶解度仅0.25 mol/m3。发酵液中含有各种成分， 其溶解度更低。
降低；
提高氧在溶液中的方法：适当增加罐压，进行
富氧通气。
二、气-液比表面积（α）对氧溶解度的影响
氧的传递速率与气-液比表面积成正比，因此凡
是能影响比表面积的因素，均能够影响氧在溶液 中的溶解度。
搅拌对比表面积影响较大，截留的气体越多，气
泡越小，比表面积越大。
适当增大通气量可以增加空气的截留率，形成更
一、氧的传递途径与传质阻力
氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再
传递到细胞内的呼吸酶位臵上而被利用，这个传 递过程分为供氧和耗氧两方面。
供氧：指空气中氧气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：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、
细胞膜扩散到细胞内。
1. 供氧方面的阻力
YSI dissolved oxygen sensor
第四节 影响氧传递速率的主要因素
OTR = KL α ( C* －CL ) 一、溶液的性质对氧溶解度的影响
与空气平衡的水相中氧浓度为0.265mol/m3。 随着温度的升高，水中氧溶解度降低； 电解质溶液中，由于发生盐析作用，氧溶解度
本章内容
第一节 微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 第二节 培养过程中氧的传质理论 第三节 溶氧传递系数的测定方法 第四节 影响氧传递速率的主要因素 第五节 发酵液中溶解氧的测定和控制
第一节 微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制
一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
微生物只能利用溶解于液体中的氧。
散系数等会影响到气泡的大小、气泡的稳定性， 进而对氧传递系数KLα带来很大的影响。
当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传递系数
KLα就降低。发酵液粘度的改变还会影响到液体的 湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传递 系数KLα。
发酵液中泡沫的大量形成会使菌体与泡沫形成稳
定的乳浊液，影响氧传递系数。

第三节 溶氧传递系数的测定方法
溶氧传递系数（传氧系数）——KLα OTR = KL α ( C* －CL )
测定溶氧传递系数值对于确定其通气效率和确定操 作变数对溶氧的影响是十分必要的。
一、亚硫酸盐氧化法
1. Cu2+作催化剂，溶解在水中O2能立即氧化SO3-2，使之成 为SO4-2。（氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉）
2. 耗氧方面的阻力
1）细胞周围液膜阻力（1/k5; 1/KLC）
与发酵液的成分和浓度有关。
2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6; 1/KA） 与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和 酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。 3）细胞壁wenku.baidu.com膜的阻力（1/k7; 1/KW）： 与微生物的生理特性有关。 4）细胞内反应阻力（1/k8; 1/KR） 氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力；与微生物的种 类、生理特性有关。
3. 菌龄 培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种 类和浓度影响尤为显著。 4. 培养条件 不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程
度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。 一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度 pH、温度等 5. 有毒产物的形成及积累 的增加而增加。 例如：菌龄为 24小时的产黄青霉呼吸强度最高 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高 CO 2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼 吸作用密切相关。
期的糖代谢途径，由HMP途径转向EMP途径，使金霉素
产量减少。
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在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。即使是专性好 氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形 成新生O，超氧化物基O2-和过氧化物基O22-等破坏细胞体现 的。另外，次级代谢产物的生产，控制生长不使过量是必须 的，否则产量会减少。 如，亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞 呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足， 产物形成反而受到抑制。
第二篇 发酵工程机理与过程控制
第五章 氧的供需与传递
第六章 微生物发酵机理 第七章 发酵动力学 第八章 发酵设备与反应器 第九章 发酵过程工艺控制 第十章 发酵染菌及其防治
第五章 氧的供需与传递
好氧微生物在新陈代谢过程中（基质的氧化、菌 体的生长、产物的形成）需要氧气，而氧气本身是 难溶性的气体，在培养过程中不能向其它的可溶性 营养物质一样，一次供应就满足要求，而只能维持 很短的时间（15-20 s）。 在生产过程中必须不断地向培养基中提供足够的 氧。

溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发 酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是 最易成为控制因素。 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，比糖的溶解度小 7000倍。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 液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为 限制因素。