氧的供需與傳遞

1、第六章 氧的供需與傳遞 溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需 。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而 溶氧往往是最易成為控制因素。 在28氧在發(fā)酵液中的100飽和濃 度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解 度小7000倍。 在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能 達(dá)到100空氣飽和度，若此時中止供氧 ，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒(分)鐘之內(nèi)便耗 竭，使溶氧成為限制因素。 第六章 氧的供需與傳遞 微生物細(xì)胞對氧的需求 氧在液體中的溶解特性 影響氧的傳遞速率的主要因素 控制溶氧的工藝手段 第一節(jié) 微生物細(xì)胞對氧的需求 好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動都需要消耗氧 氣。在發(fā)酵過程中必須供給適量無菌空氣，才

2、能使 菌體生長繁殖，積累所需要的代謝產(chǎn)物。 微生物只能利用溶解于液體中的氧。 由于各種好氣微生物所含的氧化酶體系（如過氧化 氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化酶 等）的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種 需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。 一、發(fā)酵過程中氧的需求 幾個重要基本參數(shù) 呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率） 單位質(zhì)量的菌體(以干重計)在單位時間內(nèi)消耗 氧的量mmolO2/（g干細(xì)胞h ）。 用Qo2 表示。 一、發(fā)酵過程中氧的需求 幾個重要基本參數(shù) 耗氧速率 指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的消耗氧的量， 以 r 表示，單位為mmolO2/Lh 。 一、發(fā)酵過程中氧的需求 幾個重要基本

3、參數(shù) r=Qo2X 式中： r -耗氧速率mmolO2/Lh； Qo2-菌體呼吸強(qiáng)度 mmolO2/（g干細(xì)胞h ）； X -發(fā)酵液中菌體濃度，（g/L） 一、發(fā)酵過程中氧的需求 幾個重要基本參數(shù) 臨界氧濃度 在溶氧濃度低時，呼吸強(qiáng)度 隨溶解氧濃度的增加而增加， 當(dāng)溶氧濃度達(dá)到某一值后， 呼吸強(qiáng)度不再隨溶解氧濃度 的增加而變化時的溶解氧濃 度 。用C臨界表示 C臨界 滿足微生物呼吸的最低溶氧濃度,對產(chǎn)物而言,不 影響產(chǎn)物合成所允許的最低氧濃度。 在臨界氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧 濃度降低而顯著下降。 好氧微生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的1-25。 臨界溶氧濃度CCr: 指不影響呼吸所

4、允許的 最低溶氧濃度。 二、微生物對氧的需求 一般對于微生物： CCr: 115%飽和濃度 例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉 2.2*10-2 mmolL-1, 8.8% 定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度 對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和 度1. 問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是 不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足? 例：以微生物的耗氧速率0.052 mmol O2L-1S-1 計， 0.25/0.052=4.8秒( 0.25 為溶解氧 濃度) 培養(yǎng)液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必須 連續(xù)通氣。 注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條 件

5、，常常不一樣： 頭孢菌素 卷 須霉素 生長 5% (相對于飽和濃度） 13% 產(chǎn)物 13% 8% 細(xì)胞培養(yǎng)中耗氧規(guī)律 培養(yǎng)初期： QO2逐漸增高，x較小。 在對數(shù)生長初期：達(dá)到(QO2 )m，但此時x較低， 并不高。 C. 在對數(shù)生長后期：達(dá)到m, 此時 QO2 (QO2 )m ， xxm D. 對數(shù)生長期末：S, OTR, QO2 而(QO2 , x , OTR), 雖然x=xm,但 QO2、 OTR 占主導(dǎo)地位，所以 E. 培養(yǎng)后期：S0，QO2 , 二、微生物對氧的需求 影響微生物需氧量的因素很多 菌體濃度X Qo2 遺傳因素 菌齡 營養(yǎng)的成分與濃度 有害物質(zhì)的積累 培養(yǎng)條件 r=Qo2

6、X 培養(yǎng)條件 培養(yǎng)基組成、溶氧濃度和發(fā)酵工藝條件等 Darlington,1964,酵母成分表示為 C3.92H6.5O1.94 從碳?xì)浠衔锖吞妓衔锷山湍傅姆磻?yīng) 可用下式表示： 7.4CH2+6.135O2=C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O 6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O 碳源的性質(zhì)決定著發(fā)酵的需氧 量。 菌齡 幼齡 呼吸強(qiáng)度大 但菌體濃度低，總的耗氧 量也低 晚齡 呼吸強(qiáng)度弱，但菌體濃度高，總的耗氧 量也高 四、氧在液體中的溶解特性 飽和溶氧濃度： 在一定溫度和壓力下，空氣中的氧在水中的 溶解度。

7、(mmol/L) 例：25 1105Pa 0.25 mmol/L 四、氧在液體中的溶解特性 影響氧飽和濃度的主要因素 （1）溫度 隨溫度的升高氣體分子的運(yùn)動加快，使溶液 中的氧飽和濃度下降 0.045 g/L 氧的濃度是其它營養(yǎng)物質(zhì)濃度的10-3 以下 氧在液體中的溶解特性 影響氧飽和濃度的主要因素 （2）溶液的性質(zhì) l 一種氣體在不同溶液中的溶解程度是 不同的 l同一種溶液由于其中溶質(zhì)含量不同，氧 的溶解度也不同。一般來說，溶質(zhì)含量 愈高，氧的溶解度就越小 純氧在不同溶液中的溶解度 25及1個大氣壓下純氧在不同溶液中的溶解度 (mmol O2/L) 氧在液體中的溶解特性 影響氧飽和濃度的主要

8、因素 （3）氧分壓 氣相中氧濃度增加，溶液中溶氧濃度亦隨 之增加 25 1105Pa 空氣中氧溶解度0.25 mmol/L 純氧溶解度1.26 mmol/L 發(fā)酵過程溶氧的變化 正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變 化都有自己的規(guī)律。 （一）發(fā)酵過程中溶氧變化分為三個階段： 發(fā)酵初期：菌體生長過程，耗氧量劇增，溶氧 濃度明顯下降，出現(xiàn)一個低峰。 發(fā)酵中后期: 對分批發(fā)酵來說，溶氧變化比較 ?。?在生產(chǎn)后期: 菌體衰老，呼吸減弱，溶氧會逐 步上升，當(dāng)菌體自溶，溶氧上升更明顯。 發(fā)酵過程中，造成溶氧異常變化的原因： 溶氧異常下降的原因 溶氧異常上升的原因 污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉 菌

9、體代謝發(fā)生異常，需氧量增加，使溶氧下降 某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，引起溶氧下降 主要是好氧出現(xiàn)改變，如代謝異常，耗氧能力下降 染上烈性噬菌體，影響最為明顯 溶解氧濃度對細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同 的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適 需氧量。 氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。 目前,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧 效率,就能大大降低空氣消耗量,從而降低設(shè)備費(fèi)和動 力消耗,且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會, 大大提高設(shè) 備利用率。 五、溶解氧控制的意義 (一) 供氧的實(shí)現(xiàn)形式 搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和 表面通氣，膜透析（擴(kuò)散）

10、搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少 通無菌空氣并攪拌 氣升式 發(fā)酵罐水平 需氧量小 發(fā)酵罐 需氧量 大 (一) 供氧的實(shí)現(xiàn)形式 搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和 表面通氣，膜透析（擴(kuò)散） 搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少 通無菌空氣并攪拌 氣升式 發(fā)酵罐水平 需氧量小 發(fā)酵罐 需氧量大 一、供氧的實(shí)現(xiàn)形式 搖瓶水平：搖床轉(zhuǎn)速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和 表面通氣，膜透析（擴(kuò)散） 搖瓶水平：轉(zhuǎn)速快，裝量少 發(fā)酵罐水平 需氧量 小 發(fā)酵罐 需氧量 大 第二節(jié)第二節(jié) 培養(yǎng)過程中的傳質(zhì)理論培養(yǎng)過程中的傳質(zhì)理論 氣升式 通無菌空氣并攪 拌 二、氧的傳遞阻力與傳遞途徑 對于大多數(shù)微生物細(xì)胞的培養(yǎng)過程， 細(xì)

11、胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用溶解氧 ，供氧都是在培養(yǎng)液中通往空氣來進(jìn)行 。氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞內(nèi)要克服一系 列阻力，首先氧須從氣相溶解于培養(yǎng)基 中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上 被利用。 2 1 3 4 5 6 7 8 9 氣液界面 氣泡 液膜 液相主體 固液界面 細(xì)胞團(tuán)液膜 細(xì)胞膜 細(xì)胞 生物反應(yīng) 氧的傳遞 p雙膜理論 供氧空氣中的氧從空氣泡 里通過氣膜、氣液界面 和液膜擴(kuò)散到液體主流 中。 耗氧 好氧微生物只能利用溶解態(tài)的氧，發(fā)酵過程中不斷地通過 通風(fēng)和攪拌，使氣態(tài)中的氧經(jīng)過一系列的傳遞步驟到液相 。 供氧:氣液相間的氧傳遞 氧的傳遞 供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液 界面和液膜擴(kuò)

12、散到液體主流中。 耗氧：氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、 細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi) 從氣泡中的氣相擴(kuò)散通過氣膜到氣液界面； 通過氣液界面； 從氣液界面擴(kuò)散通過氣泡的液膜到液相主體 ； 液相溶解氧的傳遞； 從液相主體擴(kuò)散通過包圍細(xì)胞的液膜到大細(xì) 胞表面； 氧通過細(xì)胞壁； 微生物細(xì)胞內(nèi)氧的傳遞； 通常和步傳遞阻力最大，是整 個過程的控制步驟 二、氣體溶解過程：雙膜理論 氧氣的溶解過程是一個由氣相進(jìn)入液相的過程。 因此，根據(jù)這一模型建立起來的氣體溶解理論稱為 雙膜理論。 氧氣在氣膜中的擴(kuò)散動力來自于空氣中的氧的分壓 與界面處氧分壓之差，即P - Pi，在液膜中擴(kuò)散的動力 來自于界面處氧濃度與液體中氧濃度

13、之差，即Ci - CL； 兩種膜的阻力分別用 和 表示，則單位界面氧 的傳遞速率為： G k 1 L k 1 CCkPPk k CC k PP N LiLiG L Li G i A 11 阻力 推動力 由于不能直接測定氣膜和液膜處氧的分壓、氧濃 度，上試不能直接用于實(shí)際操作。如果將兩膜合并 起來考慮，用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動力來考慮上式， 則： 根據(jù)亨利定律，氣體的溶解度與該氣體的分壓成正 比，可得：CCkPPkN LLGA CHP L CHP ii CHP 為找出總傳質(zhì)系數(shù)與上述氣膜、液膜的傳遞系數(shù)之為找出總傳質(zhì)系數(shù)與上述氣膜、液膜的傳遞系數(shù)之 間的關(guān)系，將變形，利用亨利定律，將間的關(guān)系，將變形

14、，利用亨利定律，將O O2 2濃度換成相濃度換成相 對應(yīng)的分壓來表示，得：對應(yīng)的分壓來表示，得： 再根據(jù)提供的關(guān)系：再根據(jù)提供的關(guān)系： ，對于易溶氣體如，對于易溶氣體如 NHNH3 3來講，來講，H H很小，很小， 可以忽略，則可以忽略，則 ，此時氣體，此時氣體 溶解的阻力主要來自于氣膜阻力；同得：溶解的阻力主要來自于氣膜阻力；同得： ，對，對 于難溶氣體如于難溶氣體如O O2 2，H H很大，很大， ，此時氣體溶解的阻力，此時氣體溶解的阻力 主要來自于主要來自于 。 A Li A i A i A i AG N CCH N PP N PP N PP N PP K 1 LGG k H kK 11

15、 L k H GG kK LGL kkHK 111 LL kK L k 第三節(jié) 影響氧的傳遞速率的主要因素 氧的傳遞速率總方程式OTR=K L（c*-cL） 式中： OTR-單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率， mol/m3s； KL-以濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s) 比表面積（m2/m3) KL-以濃度差為推動力的體積傳遞系數(shù)， （s-1） 是反映發(fā)酵罐內(nèi)氧傳遞（溶氧）能力的一個重要 參數(shù)。 cL-溶液中氧的實(shí)際濃度，（mol/m3） c*-與氣相中氧分壓p平衡時溶液中氧濃度 飽和溶氧濃度（mol/m3） 影響氧傳遞推動力的因素 根據(jù)氣液傳遞速率方程： OTR=K L（c*-cL） 影響供氧的

16、主要因素是推動力(C* - CL) 和體積氧 傳遞系數(shù)KLa。 要提高推動力（C*CL）：必須提高C*，或降低 CL 一、提高飽和溶氧濃度C*的方法 增加罐壓 但是要注意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓，從 而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分（如CO2） 分壓也相應(yīng)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，而影響了細(xì)胞的生 長和產(chǎn)物的代謝，所以增加罐壓是有一定限度的。 增加空氣中氧的含量，進(jìn)行富氧通氣操作。 即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富 氧空氣，然后通入培養(yǎng)液。目前由于這三種分離方 法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。 二、降低發(fā)酵液中的CL 降低

17、發(fā)酵液中的CL，可采取減少通氣量 或降低攪拌轉(zhuǎn)速等方式來降低KLa，使發(fā)酵液 中的CL降低。但是，發(fā)酵過程中發(fā)酵液中的CL 不能低于C臨界，否則就會影響微生物的呼吸。 目前發(fā)酵所采用的設(shè)備，其供氧能力已成為限 制許多產(chǎn)物合成的主要因素之一，故此種方法 亦不可取。 影響氧傳遞推動力的因素 根據(jù)氣液傳遞速率方程： OTR=K L（c*-cL） 比表面積 比表面積越大，氧傳遞速率越大 氣液比表面積的大小取決于截留在培養(yǎng)液的氣體 體積以及氣泡的大小。 截留在液體中的氣體越多，氣泡的直徑越小，那 么氣泡比表面積就越大。 三、增加比表面積 攪拌對表面積的影響較大，因?yàn)閿嚢枰环矫婵?使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的

18、運(yùn)動，延長停留時 間，增大氣體的截留率，另一方面攪拌的剪切 作用又使氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。 增大通氣量可增加空氣的截留率，從而使比表 面積增大。 影響氧傳遞推動力的因素 根據(jù)氣液傳遞速率方程： OTR=K L（c*-cL） 傳遞系數(shù)KL 四、影響傳遞系數(shù)KL的因素 攪拌 空氣線速度 空氣分布管 培養(yǎng)液的性質(zhì) p表面活性劑表面活性劑 p離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度 p菌體濃度菌體濃度 1、攪拌 采用機(jī)械攪拌是普通提高溶氧系數(shù)的行之 有效的方法。 1）攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，增 加了氧與液體的接觸面積，而且小氣泡的上升 速度要比大氣泡慢，相應(yīng)地氧與液體的接觸時 間也就增長； 2）攪拌使液體作渦

19、流運(yùn)動，使氣泡不是直線上 升而是作螺旋運(yùn)動上升，延長了氣泡的運(yùn)動路 線，增加了氣液的接觸時間； 3）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳 遞中的接觸面積的增加，使推動力均一，同時 也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳 遞。 4）攪拌使發(fā)酵液產(chǎn)生湍流而降低氣液界面的液 膜厚度，減少氧傳遞過程的阻力，增大了KL 值 攪拌N并不是越大越好 剪切力，對細(xì)胞損傷，對形態(tài)破壞 PG,發(fā)酵期間攪拌熱,增加傳熱負(fù)荷 N 2、空氣線速度 空氣的線速度增大，增加了溶氧，氧傳遞系數(shù) KL相應(yīng)地也增大。 過大的空氣線速度會使攪拌槳葉不能打散空氣， 氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率 和溶氧速率都大大降低。

20、 3、空氣分布管 空氣分布管的型式、噴口直徑及管口與罐底距 離的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。 4、培養(yǎng)液的性質(zhì) 微生物的生命活動，引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別 是粘度、表面張力、離子液度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等， 從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對氧傳 遞系數(shù)KL帶來很大的影響。 發(fā)酵液粘度的改變還會影響到液體的湍流性以及界面 或液膜阻力，從而影響到氧傳遞系數(shù)KL。當(dāng)發(fā)酵液濃 度增大時，粘度也增大，氧傳遞系數(shù)KL就降低。 發(fā)酵液中泡沫的大量形成會使菌體與泡沫形成穩(wěn)定的 乳濁液，影響到氧傳遞系數(shù)。 5、表面活性劑 培養(yǎng)液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端 的表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增

21、大了傳遞 的阻力，使氧傳遞系數(shù)KL等發(fā)生變化， 表面活性劑的影響 氣液界面厚度, 1/kL, kL 氣泡變小, a 低濃度表面活性劑時,以a為主, KLa 添加至一定量時, kL降至最低, KLa下降顯著 再繼續(xù)增加時，kL維持最低水平不再下降，而a， 此時KLa從最低點(diǎn)有所回升 表面活性劑的濃度 KLa受兩種 趨勢影響 表面活性劑月桂基磺酸鈉（NaLSO4）濃度對KLa、KL和da的影響 6、離子強(qiáng)度 一般在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小得 多，因而有較大的比表面積。在同一氣液接觸 的發(fā)酵罐中，在同樣的條件下，電解質(zhì)溶液的 氧傳遞系數(shù)KL比水大，而且隨電解質(zhì)濃度的增 加，KL也有較大的增加

22、。 7、菌體濃度 培養(yǎng)液中的菌體濃度對KL也有很大的影響。 p細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度 xx，K KL La()a() 菌絲濃度對KLa的影響 第四節(jié) 體積氧傳遞系數(shù)的測定 一、亞硫酸鹽氧化法 使用復(fù)膜氧電極進(jìn)行測量的動態(tài)法 1.原理 利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑 時被氧迅速氧化的特性來估計發(fā)酵設(shè)備的通 氣效果。 當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.0180.47mol/L，溫 度2045之間時，與氧反應(yīng)的速度幾乎不 變，用碘量法測定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便 可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化量來求得氧的溶解量 。 1）Cu2+作催化劑，溶解在水中O2能立即氧化 SO3-2， 使之成為SO4-2。（氧分子一經(jīng)溶入液相，立即 就被還原掉） 反應(yīng)原理： CUSO4 2Na2SO3 + O2 2Na2SO4 2）剩余的Na2SO3與過量的碘作用 H2O Na2SO3 + I2 Na2SO4 + 2HI 3）再用標(biāo)定的Na2S2O3滴定剩余的碘 2Na2S2O3 + I2 Na2S4O6 + 2NaI 2.操作程序： 將一定溫度的自來水加入試驗(yàn)罐內(nèi)，開始 攪拌，加入亞硫酸鈉晶體，使SO3-2濃度約0. 5mol/L左右；再加入硫酸銅晶體，使Cu2+濃度 約為10-3 mol/L，待完全溶解；