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1、 http:/ 控制溶氧？） 二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如 何控制溶氧？） 三、影响氧传递的因素 四、摄氧率、溶解氧、KLa的测定http:/ （二）可利用氧的特征 （二）微生物的耗氧特征 （四）溶解氧控制的意义http:/ （对于好气性微生物而言）n呼吸作用 n直接参与一些生物合成反应 http:/ 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（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时 间内消耗氧的量。单位：=QO2x x细胞浓度，kg(干重)/m3http:/ QO2与溶氧浓度CL关系(1) 当CLCcr时， QO2 (QO
2、2)m(2) 当CL Ccr，QO2 保持恒定nCL1.http:/ 培养过程中细胞耗氧的一般规律n 培养初期： QO2逐渐增高，x较小。 n 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葡萄糖 蔗糖 乳糖 n培养基浓度浓度大, QO2 ; 浓度小, QO2 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小http:/ 影响微生物耗氧的因素（续）n 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 n 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
3、途径获取,则QO2低,耗氧量小http:/ 同的，所以须了解长长菌阶阶段和代谢产谢产 物形成阶阶段的 最适需氧量。 n氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素 。n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。（四）溶解氧控制的意义http:/ （一）供氧的实现形式 （二）发酵过程中氧的传递 1. 氧的传递途径与传质阻力 2. 气体溶解过程的双膜理论 3. 氧传递方程 4.发酵过程耗氧与供氧的动态关系http:/ 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
4、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http:/ http:/ 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 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 7) 细胞团内的传递阻力1/kA 8) 细胞膜、细胞壁阻力1/kW 9) 反应阻力1/kR供氧方面的阻力耗氧方面的阻力http:/ n耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力http:/ 面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧 存在着一层液膜；气膜内气体分子和液膜内液体 分子
5、都处于层流状态，氧以浓度差方式透过双膜 ；气泡内气膜以外的气体分子处于对流状态，称 为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；液膜 以外的液体分子处于对流状态，称为液体主流， 任一点氧浓度、氧分压相等。http:/ 氧浓度处于平衡关系 ：n氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上 各点的氧浓度不随时间而变化。http:/ 传质理论n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 ：nO2单位接触界面的氧传递速率， P、Pi气相中和气、液界面处氧的分压，MPaCL、Ci液相中和气、液界面处氧的浓度，kG气膜传质系数，kL液膜传质系数，m/hhttp:/ 以氧浓度差为
6、总推动力的总传质系数，m/sP*与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，PaC*与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m3http:/ 被溶解的分子分数成正比，即：H亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体 、溶剂种类及温度有关。http:/ ,说明这一过程液膜阻力是主要因素。http:/ 积溶氧系数或体积传质系数。n在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质传质 的基本 方程式）为http:/ KLa以浓度差为推动力的体积溶氧系数 ，h-1,s-1 KGa以分压差为推动力的体积溶氧系数,http:/ 发酵过程耗氧与供氧的动态关系n细胞呼吸的本征要求:n氧传递特征（发酵罐传递性能）n若需氧
7、量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提 高传递能力；n若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高 产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 n供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：传递消耗http:/ 准数，物理意义是细胞的最大耗氧量与最大供氧量之比。 当Da 1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在耗氧限制，整个过程受呼吸速率控制； 当Da 1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在供氧限制，整个过程受氧传递速率控制。 对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则,http:/ y亦x的函数,有形式 http:/ 对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式
8、求得。 kLa亦可称为“通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。http:/ 化可用下式表示:n在稳态时,则 ，则http:/ kLa的影响因素（一）影响氧传递的因素1. 影响推动力C*-CL的因素影响比表面积a的因素 影响液膜传递系数kL的因素可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：http:/ 温度n氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在 1.01105Pa和温度在433的范围内，与空气平衡 的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:t温度,T ，Cw* ，推动力http:/ 溶质n 电解质1)对于单一电解质 Ce*氧在电解质溶液中的溶
9、解度,mol/m3 Cw*氧在纯水中的溶解度, mol/m3CE电解质溶液的浓度,kmol/m3KSechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度 变化.http:/ 溶质（续）2）对于几种电解质的混合溶液：式中 hi第i种离子的常数, m3/kmol离子强度, kmol/m3Zi第i种离子的价数, 第i种离子的浓度, kmol/m3 http:/ 溶质（续）B. 非电解质式中 Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3CN非电解质或有机物浓度, kg/m3k非电解质的Sechenov常数, m3/kghttp:/ 溶质C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加Cm*氧在混合溶液中的溶解
10、度, mol/m3溶质 ， Cm*http:/ 溶剂n通常溶剂为水; n氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。 http:/ 氧分压n提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧 分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是 有一定限度的。n保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空 气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。 http:/ 操作条件 搅拌：转速N，搅拌功率PG发酵液体积V，液柱高度HL发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量设备参数http:/ d搅拌器直径，m ; 搅拌器转速，s-1 ;液体密度，kg/m3; 液体粘度，Pas ;DL扩散系数, m2/s ; 界面张力，N/m;Ws 表观线速度，m/s ; g重力加速度, 9.81m/s2KLa的准数关联式 http:/ 准数http:/ ：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：合并化简得：0.06KLa=0.06http:/
