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1、第七章,发酵工业中氧的供需,本章内容,一、细胞对氧的需求(为什么要供氧？为什么要 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,一、细胞对氧的需求,（一）微生物对氧的需求 （二）可利用氧的特征 （三）微生物的耗氧特征 （四）影响微生物耗氧的因素 （五）溶解氧控制的意义,一、细胞对氧的需求 （一）、氧在微生物发酵中的作用 （对于好气性微生物而言）,呼吸作用(呼吸链电子传递受体) 直接参与一些生物合成反应,（二）、可利用氧的特征,只有溶解状态的氧才能被微生物利用。,（三）、微生物的耗氧特征,(1)呼吸强度（比耗氧速率）
2、 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：当培养液中有固定成分存在而测定QO2 有困难时，可用耗氧速率来表示。=QO2x x细胞浓度，kg(干重)/m3,发酵过程中： 耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度； 菌体呼吸强度取决于菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等。,1、Ccr的定义,微生物的比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Ccr表示。 CL Ccr，QO2 保
3、持恒定 CLCcr时， QO2 (QO2)m(2) 当CL1.,4、培养过程中细胞耗氧的一般规律,培养初期： QO2逐渐增高，x较小。 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 培养基浓度浓度大, QO2 ; 浓度小, QO2；抑制剂，促进剂。 3.菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,老龄菌QO2小,（四）、影响微生物耗氧的因素（续）,4.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 有害代谢产物的积累 5.代谢类型(发酵类型)的影响若产物通过TCA循环获取,则QO
4、2高,耗氧量大（谷氨酸、天冬氨酸）若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小（苯丙氨酸、亮氨酸）,1、溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解菌生长阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。例如：谷氨酸发酵生长阶段：供养过量，生物素不足，抑制菌体生长；合成阶段：供氧不足，丙酮酸 乳酸；过量，-酮戊二酸积累。 2、氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。 3、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。,（五）、溶解氧控制的意义,二、发酵过程中氧的传递,（一）供氧的
5、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,(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、鼓泡,发酵罐水平,需氧量小,发酵罐,需氧量大,（二）、发酵过程中氧的传递 1.氧的传递途径与传质阻力,图：氧从气泡到细胞的传递过程示意图,气膜传递阻力1/kG 气液界面传递阻力1/kI液膜传递阻力1/kL 液相传递阻力1/kLB 细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 固液界面传递阻力1/kIS 细胞团内的传
6、递阻力1/kA 细胞膜、细胞壁阻力1/kW 反应阻力1/kR,供氧方面的阻力,耗氧方面的阻力,供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力 耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力,(1)双膜理论的基本前提(三点假设),气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界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都处于层流状态，氧以浓度差方式透过双膜；气泡内除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。,2、气体溶解过程的双膜理论,在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度
7、处于平衡关系 ：H：亨利常数 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。,(2)、 传质理论,两个推动力与两个阻力,双膜理论的气液接触,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/h,不能单独使用,若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，KG以氧分压差为总推动力的总传质系数，kmol/(m2hMPa)KL 以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/hP*与液相中氧浓度CL相平
8、衡时氧的分压，MPaC*与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，kmol/m3,根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体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。,由式,同理：由于氧气难溶于水，H值很大， ,说明这一过程液膜阻力是主要因素。 其它理论，如渗透理论、表面更新理论等。,3.氧传递方程,KL并不包含传质界面积，而传质设备都不可能存在间壁，需用两相直接接触的内界面来代替间壁面积计算。所谓的内界面很难测定，因此，需考虑一种传质系数能包括内界面。 内界面以a表示（m2/m3），在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶
9、氧系数或体积传质系数。 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单位体积培养液中氧的传递速率， 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,4. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系,细胞呼吸的本征要求: 溶解氧浓度取决于氧的传递和被微生物利用两方面的相对速率之差。 氧传递特征（发酵罐传递性能） 若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力； 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。 供氧应至少保证耗氧的需要量，当二者达到平衡时可用下式表示：OTR=,令,则,变换,设,无
10、量纲数Da，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。,y= =1- 所以，y随着X增大而减小。 由,可得，,所以，当X增大时，CL减小，,QO2,(QO2)m,也随之减小。,式中，X=X0e,t,（X0为初始菌体浓度），设=t，x=X/X0,(x为细胞生长倍数),则x=e,在非稳态过程中，不同的KLa条件下，x和y随着的增加呈现如下变化规律：由于初始菌体浓度X0较低，y的起始值将随着供氧能力（KLa）的提高而增加，但随着菌体生长时间延
11、长和菌体浓度的增加（即值的增加），y将由起始值逐渐下降；而x则相反，它将随着值的增加呈指数增长，且其增长随着KLa的增加而增加。,在稳态时,则 ，则,由气液传递速率方程,B、 kLa的影响因素,三、影响氧传递的因素,A、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：,1、温度,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,（一）影响推动力的因素,2、溶质,电解质1)对于单一电解质 Ce*氧在电解质溶液
12、中的溶解度,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.,在电解质溶液中，由于发生盐析作用是氧的饱和浓度降低，因此氧传递的推动力随发酵液中电解质浓度的增加而下降。,2、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/m3,2、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,
13、 m3/kg,在非电解质溶液中，氧的溶解度一般也随着溶质浓度的增加而下降。,2、溶质（续）,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度, mol/m3,溶质 ， Cm*,3、溶剂,通常溶剂为水; 氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高，因此，实际发酵过程中，可以通过合理添加有机溶剂来降低水的极性，增加溶解氧的浓度。,4、氧分压,增加氧分压也能通过提高氧的溶解度来增加氧传递的推动力。方法之一是提高空气总压，即增加罐压，从而提高了氧分压，对应的氧溶解度也得到提高。例如，国外抗生素发酵中罐压一般为0.61105Pa（表压），明显高于国内。但是，增加罐压虽然提高了氧分压，但其它
14、气体成分，如二氧化碳的分压也同时增加。由于二氧化碳的溶解度比氧大得多，因此，增加罐压不利于液相中溶解的二氧化碳的排出，所以，增加罐压有一定限度。方法之二是保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如进行富氧通气，但此方法成本较高。,（二）影响KLa的因素,发酵罐的形状，结构搅拌器，空气分布器通气：表观线速度Ws 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,以搅拌器直径d作为基本参数,以Ws、N为基本参数,综合三类影响因素，用函数式表示：其中 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/s2,1、KLa的准数关联式,
