5氧的供需与传递

4
二、临界氧浓度Ccr的定义
微生物的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C临界表示。
5
一般对于微生物： CCr: ＝0.003～0.15（mmol/L) 微生物 临界氧浓度 温度（℃） 30 37
22


优点 氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快， 不需特殊仪器。 缺点 不及极谱法准确； 只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L 以内才较准确可靠； 不能对发酵过程实测，
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（2）取样极谱法

原理 当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大小与液体中溶解氧 的浓度呈正比关系。 由式
包括表面张力σ ，密度ρ ，黏度μ ，离子浓度， 扩散系数等，这些会影响气泡的大小和稳定性和液 体的团流性以及界面活膜的阻力。
38
5、 表面活性剂的影响
由于消泡用的油脂是具有亲水端和疏水端 的表面活性物质，加入发酵液后，分布在气液 界面，会增大传递阻力，使kL下降。
39
6、 离子强度对KLa的影响
15
二、气液相间的氧传递和氧传质方程
气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化
16

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 ：
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
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若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，
mol 2 KG—以氧分压差为总推动力的总传质系数， (m s Pa)
no2=KG(P-P*)=KL(C*-CL)
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
C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3
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二、影响体积溶氧系数KLa的因素
发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布管（几何参数） 搅拌：转速N，搅拌功率PG ② 操作条件 通气：空气线速度 发酵液体积V，液柱高度HL ③发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子 强度、菌体量 ①设备参数
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二、影响体积吸收系数KLa的因素
固氮菌 1.8-4.9×10-2 大肠杆菌 8.2×10-3 粘质沙雷氏菌 1.5×10-2 假单胞菌 9×10-3 酵母 4.6×10-3 产黄青霉 2.2×10-2 米曲霉 2.0×10-3
31
30 34.5 24 30
某些微生物的临界氧浓度
6
影响需氧的因素 r= QO2 .X
菌体浓度
QO2
阴极: Ag/Pt, O2+2H2O 阳极：Pb, Pb
复膜氧电极
4OH－ Pb2++2e
电解质
透气的薄膜
氧从液相主体到阴极表面的推动力是氧分压。
则氧的扩散通量 J=K(PL-PC)
I=4FAJ=4FAKPL=K’PL
扩散电流和氧浓度之间有一个线性关系.
比较理想的测定方法
29
第四节 影响氧传递速率的主要因素
电解质溶液浓度↑,则气泡变小↓,a↑, KLa↑，发酵液中含有多种盐类，Kla随着离子 强度的增大而增大。
40
7. 菌体浓度

细胞浓度 x↑，KLa↓
菌丝浓度对KLa的影响
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第五节 发酵液中溶解氧的测定和控制 一、溶解氧连续检测的意义
溶解氧的大小是发酵过程控制的重要参数。 在发酵过程中连续测定发酵液中溶解氧浓度的变化，可随时 掌握发酵过程的供氧、需氧情况，为准确判断设备的通气效果提 供可靠数据，以便有效控制发酵过程，这实现发酵过程的自动化 控制创造条件。
1、搅拌
作用：
1）把从空气管中引入发酵罐的空气打成碎泡，增加气-液接触面积 “a”,即a↑→KLa↑→溶氧↑ 。
2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。 3）增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体主流中的 流体阻力，即1/KL↓→KL↑→KLa↑→溶氧↑。 4) 减少菌丝结团现象，降低细胞壁表面的液膜阻力，改变细胞对氧 和营养物质的吸收，同时降低细胞周围“废物”和“废气”的浓度， 有利于微生物的代谢。
3
一、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
γ=QO2· x x——细胞浓度，kg(干重)/m3
据氧传质方程
OTR = KL · · - CL) a (C*
影响供氧的主要因素是推动力(C* - CL) 和体 积氧传递系数KLa。
30
一、 影响氧传递推动力(C* - CL)的因素
1、提高氧饱和浓度（ C*） 要提高C*，可降低培养温度、提高氧分压和降低培养 基浓度等。 但这几方面局限性都很大 2、降低溶氧浓度 （CL） 降低CL可通过减少空气流量等方法来达到，但溶氧 浓度不能低于临解氧浓度。另外，减少空气流量本身 会使KLa下降。
微生物种类
菌龄
培养基的组成与浓度 培养条件 代谢类型
7
三、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，所以必须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最 适需氧量。 空气中的氧在发酵液中的溶解度很低，大量经过净化 处理的无菌空气在给发酵液通气过程中因溶解少，而
1）气膜阻力（ 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/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/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/kIB）：液体主流中传递的阻力；也与发酵液 的成分和浓度有关。
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供氧方面
由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/kL ） 是氧溶于水时的限制因素。
◇
良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少 1/kL、1/kIB，加速氧的传递。
◇
13
耗氧方面
◇
在耗氧方面的主要阻力是1/kA、1/kW。
1/kR与微生物生长及代谢的条件有关，若生长条 件合适，代谢产物能及时移去，则1/kR就会减少，否 则就会增大。
◇
14
氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程 中需克服的 总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：
1/kt = 1/kG + 1/kI + 1/kL + 1/kIB + 1/kIC + 1/kIS + 1/kA + 1/kW + 1/kR
1/k1 、1/k2与空气情况有关 1/k3 、1/k4 、1/k5与发酵液成分、浓度有关 1/k6 、1/k7 、1/k8与微生物的种类、特性、生理状态有关
6.7
500
700
1.0
1.0
169
219
Hale Waihona Puke Baidu
720
864
6.7
6.7
34
KLa = K (P/V)(Vs)
K ---经验常数，与设备的形状、几何比例尺寸、通风装
置的型式等有关
P --- 通气时搅拌器的轴功率,
V---发酵罐中发酵液的体积，m3
Vs ---空气线速度， m/h
、为指数，与设备的规模有关，一般通过实验测得
1
本章内容
一、微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制
二、培养过程中氧的传质理论
三、溶氧传递系数的测定方法
四、影响氧传递速率的主要因素
五、发酵液中溶解氧的测定和控制
2
第一节 微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制
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。
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第三节 溶氧传递系数的测定方法

亚硫酸盐氧化法 取样极谱法 物料衡算法 动态法 排气法 复膜电极法
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（1） 亚硫酸盐氧化法

原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速 氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。 3 当亚硫酸钠浓度为0.018～0.5kmol/m 、温度在20～ 45℃之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。 用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧传递 速率OTR, 再由式OTR=KLaC*求出 KLa 。 2Na2SO3+O2→2Na2SO4 H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+ I2→Na2S4O6+2NaI
18
根据亨利定律，可以推导下式
H表示气体溶解于相应溶液的难度（亨利常数）
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氧传质方程

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
OTR = KL a ( C* －CL )
OTR — 单位体积培养液中的氧传递速率， mol/(m3· s)
a — 比表面积， m2/m3
KL —以氧浓度为推动力的传递系数，m/s
* *
ln
(C i C L )
*
(C o C L )
*
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（4）动态法
发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求KLa。
dCL/dt=KLa(C* －CL )-r 可改写为： CL=(-1/KLa)( dCL/dt+r)+ C*
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将CL对（ dC L ) 作图可得一直线，斜率为－1/KLa, 在CL
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2、空气线速度
KLa随空气速度的增加而增大。
若空气速度过大，将使叶轮发生“过载”，即叶轮不能 分散空气，此时气流形成大气泡在轴的周围逸出。
◆
当空气速度超过“过载”速度后，K La 并不随之而增加。
36
3、空气分布管 分布管的形式、喷口直径、管口与罐底的相 对距离对氧传递系数有影响。
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4、发酵液的物理性质
dt 轴上截距为C*.
利用动态过程测得的数据求出KLa和C*
27

优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解
氧浓度，并可计算出溶氧系数。

缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连
续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止
通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定 的误差。
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(5)复膜电极法
金属电极2个
11
2、耗氧方面的阻力
1）细胞周围液膜阻力（1/kIC） 与发酵液的成分和浓度有关。 2）固液界面的传递阻力1/kIS 与微生物的生理特性有关。 3）菌丝丛或细胞团内的扩散阻力（1/kA） 与微生物的种类、生理特性状态有关。 4）细胞壁的阻力（1/kW）： 与微生物的生理特性有关。 5）细胞内反应阻力（1/kR）： 与微生物的种类、生理特性有关。
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几种微生物在不同搅拌转速下发酵时的KLa、r和C*值 微生物
搅拌器转速 r/min 空气流速 L/L· min
KLa
1/h
r
mg/L· h
C*
mg/L
Ps.ovalis
300 500
1.0 1.0
95 153
288 360
5.9 5.9
700
1.0
216
432
5.9
啤酒酵母
300
1.0
90
576
KLa

C * CL

QO 2 X 斜率 * C * CL C CL
求得KLa

优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算 出溶氧系数。

缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的
氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵 罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。
被浪费掉。因此必须设法提高传氧效率。
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第二节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
◆ 在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中 的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上 而被利用。
◆ 传递过程又可分为供氧及耗氧两个方面。
9
供氧阻力
耗氧阻力
氧传递的各种阻力示意图
10
1、供氧方面的阻力
24
(3)物料衡算法

对发酵液中的氧进行物料衡算
dC L K L a (C * C L ) dt
稳态时
dC L 0 dt
于是
K L a /(C* CL )
*
对大型发酵罐，可用平均推动力 (C C L ) m
(C i C L ) (C o C L )