1、1,第五章,氧的供需与传递,2,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,3,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。,4,一、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、。 (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)/m3,5,二、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。,6,一般对于微生物： CCr: 0.0030.15（mmol/L),某些微生物的临界氧浓度,7,影响需氧的因素,r= QO2 .X,菌体浓度,QO2,微生物种类,菌龄,培养基的组成与浓度,培养条件,代谢类型,8,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
3、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，而被浪费掉。因此必须设法提高传氧效率。,三、溶解氧控制的意义,9, 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。,一、氧的传递途径与传质阻力,第二节 培养过程中氧的传质理论,10,氧传递的各种阻力示意图,11,1、供氧方面的阻力,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
4、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。,12,2、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。,13,供氧方面 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液
5、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。,14,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。,15,1/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,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/
6、kI + 1/kL + 1/kIB + 1/kIC + 1/kIS+ 1/kA + 1/kW + 1/kR,16,二、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,17,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,18,若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，no2=KG(P-P*)=KL(C*-CL)KG以氧分压差为总推动力的总传质系数，KL 以氧浓度差为总推动力的
7、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/m3,19,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）,20,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/(m3s)a 比表面积， m2/m3KL 以氧浓度为推动力的传递系数，m/s,21,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,22,（1） 亚硫酸盐氧化法,原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子
8、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。 当亚硫酸钠浓度为0.0180.5kmol/m3、温度在2045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+O22Na2SO4H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2NaI,23,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，,24,（2）取样极谱
9、法,原理 当电解电压为0.61.0V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 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。,25,(3)物料衡算法,对发酵液中的氧进行物料衡算,稳态时,于是,对大型发酵罐，可用平均推动力,26,（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*
10、,27,将CL对 作图可得一直线，斜率为1/KLa, 在CL轴上截距为C*.,利用动态过程测得的数据求出KLa和C*,28,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。,29,(5)复膜电极法,复膜氧电极,金属电极2个 电解质 透气的薄膜,阴极: Ag/Pt, O2+2H2O 阳极：Pb, Pb,4OH,Pb2+2e,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=KPL,扩散电流和氧
11、浓度之间有一个线性关系.,比较理想的测定方法,30,第四节 影响氧传递速率的主要因素,据氧传质方程OTR = KL a (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。,31,一、 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。,32,二、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
12、布管（几何参数）搅拌：转速N，搅拌功率PG 操作条件 通气：空气线速度发酵液体积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,33,二、影响体积吸收系数KLa的因素,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aKLa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/KLKLKLa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
13、的代谢。,34,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 空气流速 KLa r C*r/min L/Lmin 1/h mg/Lh mg/LPs.ovalis 300 1.0 95 288 5.9 500 1.0 153 360 5.9700 1.0 216 432 5.9啤酒酵母 300 1.0 90 576 6.7500 1.0 169 720 6.7700 1.0 219 864 6.7,35,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
14、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,36,2、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。,37,3、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。,38,4、发酵液的物理性质,包括表面张力，密度，黏度，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。,39,5、 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
15、酵液后，分布在气液界面，会增大传递阻力，使kL下降。,40,6、 离子强度对KLa的影响,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。,41,7. 菌体浓度,细胞浓度 x，KLa,菌丝浓度对KLa的影响,42,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。,43,二、溶解氧的测定方法,化学法 极谱法 压力法,44,
16、（1）化学法 MnSO4+2NaOHMn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O22MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn (OH)2 MnMnO3+2H20 MnMnO3+3H2SO4+2KI 2MnSO4+I2+3H2O+K2SO4 I2+2Na2S2O3 2NaI+Na2S4O6,前四步反应要与空气隔绝，需在具塞麿口瓶中进行，并使反应液充满磨口瓶，不能混有气泡，本法较准确。如果样品中存在氧化还原性物质，测定结果会有偏差，当样品带有颜色，也会影响测定终点的判断，因此不适合于测定发酵液溶解氧浓度,45,（2）极谱法给浸没在待测样品液体中的贵金属阴极和参考电极（阳极）加上直流电压，当电
17、解电压固定在0.8v左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生氧化还原反应而被消耗，阴极表面酸性时：O2+2H+2eH2O2；碱性或中性时：O2+2H2O+2eH2O2+2OH-这样阴极表面与液体主体之间存在氧的浓度差，于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面参加电极反应，使电路中维持一定的电流。当氧的扩散过程达到稳定状态时，可测得回路中的扩散电流。扩散电流和溶解氧浓度成正比，通过测定扩散电流的大小就可测定发酵液中的溶解氧浓度。,46,（3）压力法在恒温密闭的容器中，装入体积为VL的样品液，液面恰好位于容器中的玻璃板处，抽真空除去液体中溶解的气体，然后补充经脱气的溶剂使液体体积恢复到VL。从贮气袋
18、向容器通入氧气，系统的氧压为p1，开始搅拌，使液体不断从玻璃板上翻动，进行气体的吸收，直到气液平衡，这时压强为p2。如果容器中气相体积为VG，可以求出氧在样品中的溶解度。,47,三、控制溶解氧的工艺手段,1.改变通气速率（通气量的改变）,在低通气量的条件下，增大通气量对提高Kla效果明显在通气量已经很大的条件下，再增大通气量，效果不明显，甚至会产生副作用。,48,2.改变搅拌速度 较明显的增加Kla,通气泡沫被充分粉碎，增加了有效气液接触面积；使气泡周围的液膜和菌体周围的液膜厚度减小，并延长了气泡在液体中的停留时间,49,3、改变气体组成中的氧分压,即改变了空气中的氧浓度，因而提高了C*值，从而提高了供氧能力。该法在动植物培养体系中，已用于短时间提高溶氧。,4、改变罐压,效果有限,50,传氧中间介质是不溶于培养液的液体，对微生物无毒，本身具有较高溶氧能力的有机体。传氧中间介质有：血红蛋白烃类碳氢化合物（煤油、石蜡、甲苯与水等）含氟碳化物.,6、加入传氧中间介质,5、改变发酵液的理化性质,
