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1、第六章 氧的供需与传递溶氧(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 中溶氧可在几秒(分)钟之内便耗竭，使溶氧成为 限制因素。 第六章 氧的供需与传递p微生物细胞对氧的需求p氧在液体中的溶解特性p影响氧的传递速率的主要因素p控制溶氧的工艺手段第一节 微生物细胞对氧的需求p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
2、生长繁殖，积累所需要的代谢产物。p微生物只能利用溶解于液体中的氧。p由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、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。一、发酵过程中氧的需求p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。一、发酵过程中氧的需求p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/Lh 。一、发酵过程中氧的需求p几个重要基本参数 r=Qo2X式中： r -耗
3、氧速率mmolO2/Lh；Qo2-菌体呼吸强度 mmolO2/（g干细胞h ）；X -发酵液中菌体浓度，（g/L）一、发酵过程中氧的需求p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临界满足微生物呼吸的最低溶氧浓度,对产物而 言,不影响产物合成所允许的最低氧浓度。p在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随 溶解氧浓度降低而显著下降。p好氧微生物临界氧浓度大约是饱和浓度的1 -25。临界溶氧浓度CCr: 指不影响呼吸所允许的最低溶 氧浓度。二、微生物对氧的需求一般对于
4、微生物： CCr: 115%饱和浓度例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8%产黄青霉 2.2*10-2 mmolL-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.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：以微生物的耗氧速率0.052 mmol O2L-1S-1 计，0.25/0.052=4.8秒( 0.25 为溶解氧浓度) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须 连续通气。注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常 常不一样：头孢菌素 卷须霉素 生长 5% (相对于饱和浓度） 13%
5、产物 13% 8%细胞培养中耗氧规律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，但此时x较低，并不高。C. 在对数生长后期：达到m, 此时 QO2 (QO2 )m ， xxmD. 对数生长期末：S, OTR, QO2 而(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、 OTR 占主导地位，所以 E. 培养后期：S0，QO2 , 二、微生物对氧的需求p影响微生物需氧量的因素很多p 菌体浓度Xp Qo2 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r=Qo2X培养条件p培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等Darlington,1964,酵母成分
6、表示为 C3.92H6.5O1.94从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用 下式表示：7.4CH2+6.135O2=C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O碳源的性质决定着发酵的需氧量。菌龄p幼龄 呼吸强度大 但菌体浓度低，总的耗氧量也低p晚龄 呼吸强度弱，但菌体浓度高，总的耗氧量也高三、培养的目的不同，选取不同的供氧条件三、培养的目的不同，选取不同的供氧条件获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高
7、氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。的微生物的细胞产量。以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况影响有不同的情况代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最 佳需氧量相同。佳需氧量相同。 采用供养的浓度大于临界溶氧浓采用供养的浓度大于临界溶氧浓 度。度。pp代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧量高。尽可能的提高供氧浓度。脯氨最佳需氧量高。尽可能的提高供氧浓度。脯氨酸、谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸等。酸、谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸等。pp
8、代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的代谢产物的生成的最佳需氧量与细胞生长的最佳需氧量低。使氧的满足度小于最佳需氧量低。使氧的满足度小于1 1，如苯丙，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、头孢霉素的生产。氨酸、缬氨酸、亮氨酸、头孢霉素的生产。四、氧在液体中的溶解特性p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 1105Pa 0.25 mmol/L四、氧在液体中的溶解特性p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 0.045 g/L氧的浓度是其它营养物质浓度的10-3以下氧在液体中的溶解特性p影响氧饱和浓度的主
9、要因素（2）溶液的性质l 一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的l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 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p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 1105Pa 空气中氧溶解度0.25 mmol/L纯氧溶解度1.26 mmol/L发酵过程溶氧的变化正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律。（一）发酵过程中溶氧变化分为三个阶段：发酵初期：菌体生长过程，耗氧量剧增，溶氧浓度
10、明显下降，出现一个低峰。发酵中后期: 对分批发酵来说，溶氧变化比较小；在生产后期: 菌体衰老，呼吸减弱，溶氧会逐步上升，当菌体自溶，溶氧上升更明显。发酵过程中，造成溶氧异常变化的原因：溶氧异常下降的原因溶氧异常上升的原因污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降某些设备或工艺控制发生故障或变化，引起溶氧下降主要是好氧出现改变，如代谢异常，耗氧能力下降染上烈性噬菌体，影响最为明显p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。 p氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。p目前,在发酵工业上氧的利用率很低，
11、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。五、溶解氧控制的意义(一) 供氧的实现形式摇瓶水平：摇床转速慢，装量多搅拌缓和，通气缓和表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少通无菌空气并搅拌气升式发酵罐水平需氧量小发酵罐需氧量大(一) 供氧的实现形式摇瓶水平：摇床转速慢，装量多搅拌缓和，通气缓和表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少通无菌空气并搅拌气升式发酵罐水平需氧量小发酵罐需氧量大一、供氧的实现形式摇瓶水平：摇床转速慢，装量多搅拌缓和，通气缓和表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少发酵
12、罐水平需氧量小发酵罐 需氧量大第二节 培养过程中的传质理论气升式通无菌空气并搅拌二、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。213456789气液界面气泡液膜液相主体固液界面细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧的传递 p双膜理论 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。耗氧好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过 通风和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相 。供氧:气
13、液相间的氧传递氧的传递p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。p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从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；通过气液界面；从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体 ；液相溶解氧的传递；从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大细 胞表面；氧通过细胞壁；微生物细胞内氧的传递；通常和步传递阻力最大，是整个过程 的控制步骤二、气体溶解过程：双膜理论氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程。因此，根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。气相（氧）气相（氧）气液接气液接 触界面触界面液膜液膜气膜气膜氧气在气膜中的扩散动力来
14、自于空气中的氧的分压与界面处氧分压之差，即P - Pi，在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度与液体中氧浓度之差，即Ci - CL；两种膜的阻力分别用 和 表示，则单位界面氧的传递速率为：由于不能直接测定气膜和液膜处氧的分压、氧浓度，上试不能直接用于实际操作。如果将两膜合并起来考虑，用总传质系数和总推动力来考虑上式，则：根据亨利定律，气体的溶解度与该气体的分压成正比，可得：为找出总传质系数与上述气膜、液膜的传递系数之 间的关系，将变形，利用亨利定律，将O2浓度换成相 对应的分压来表示，得：再根据提供的关系： ，对于易溶气体如 NH3来讲，H很小， 可以忽略，则 ，此时气体 溶解的阻力主要来自于气
15、膜阻力；同得： ，对 于难溶气体如O2，H很大， ，此时气体溶解的阻力 主要来自于 。第三节 影响氧的传递速率的主要因素氧的传递速率总方程式OTR=K L（c*-cL） 式中： OTR-单位体积培养液中的传氧速率，mol/m3s ；KL-以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) 比表面积（m2/m3)KL-以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）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 L（c*-cL）影响供氧的主要因素是推动力(C* - CL) 和体积氧 传递系数KLa。要提高推动力（C*CL）：必须提高C*，或降低CL 一、提高饱和溶氧浓度C*的方法p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。p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
