第五章氧的供需與傳遞

第五章氧的供需與傳遞第1頁(yè)，共40頁(yè)。一、供氧與微生物呼吸及代謝產(chǎn)物的關(guān)系氧作為受氫體，氧直接參與一些生物反應(yīng)。好氧微生物所含的氧化酶系：過(guò)氧化氫酶，細(xì)胞色素氧化酶，黃素脫氫酶，多酚氧化酶等。不同好氧微生物所含的氧化酶系的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種微生物的吸氧量或呼吸強(qiáng)度不同。好氣性微生物深層培養(yǎng)時(shí)需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些代謝產(chǎn)物的合成，對(duì)多數(shù)發(fā)酵來(lái)說(shuō)，氧的不足會(huì)導(dǎo)致代謝異常，產(chǎn)量降低。不同種類的微生物的需氧量不同，一般為25-100mmolO2/(L·h)，但也有個(gè)別菌很高。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。

第2頁(yè)，共40頁(yè)。二、溶解氧控制的原因需氧微生物的氧化酶體系是存在細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此微生物只能利用溶解于液體中的氧。氧是難溶氣體，在25℃、100MPa下，氧在純水中的溶解度為0.25mmol/L，在發(fā)酵液中的溶解度為0.2mmol/L；在谷氨酸發(fā)酵的操作條件下，發(fā)酵液中氧的飽和濃度約為0.313mmol/L，這樣的溶氧濃度菌的正常呼吸只能維持20-30s。由于微生物不斷消耗發(fā)酵液中的氧，而氧的溶解度很低，就必須采用強(qiáng)化供氧。第3頁(yè)，共40頁(yè)。氧的溶解度隨著溫度的升高而下降，隨著培養(yǎng)液固形物的增多、或粘度的增加而下降。發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低。如抗生素發(fā)酵，被微生物利用的氧不超過(guò)經(jīng)過(guò)凈化處理的無(wú)菌空氣中含氧量的2%；在谷氨酸發(fā)酵方面氧的利用率為10%-30%。對(duì)于好氣性發(fā)酵來(lái)說(shuō)，氧傳遞速率已成為發(fā)酵產(chǎn)量和發(fā)酵周期的限制因素。同時(shí)，氧的供應(yīng)不足可能引起生產(chǎn)菌種的不可彌補(bǔ)的損失或?qū)е录?xì)胞代謝轉(zhuǎn)向不需要的化合物的生成。第4頁(yè)，共40頁(yè)。供氧對(duì)谷氨酸發(fā)酵的影響（1）通風(fēng)適量生成谷氨酸（2）通風(fēng)過(guò)量生成α-酮戊二酸（3）通風(fēng)不足生成乳酸或琥珀酸谷氨酸發(fā)酵時(shí)不同容積發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速和通風(fēng)比發(fā)酵罐容積m30.050.55102050攪拌轉(zhuǎn)速r/min550300185160140110通風(fēng)比（m3/m3.Min）1:0.5-0.61:0.31:0.18-0.21:0.16-0.171:0.151:0.12第5頁(yè)，共40頁(yè)。氧的供需（1）實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)搖瓶機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)或偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)供氧。（2）中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)裝置采用通入無(wú)菌壓縮空氣并同時(shí)進(jìn)行攪拌的方式。（3）近年來(lái)開發(fā)出無(wú)攪拌裝置的節(jié)能培養(yǎng)設(shè)備，如氣升式發(fā)酵罐。（4）細(xì)胞對(duì)鼓泡通氣和機(jī)械攪拌產(chǎn)生的剪切作用敏感。第6頁(yè)，共40頁(yè)。微生物耗氧量的表示方法

1.攝氧率（r）

單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)消耗氧的量,單位為mmol(O2)/(L?h)。

2.呼吸強(qiáng)度（QO2）

單位重量的菌體（折干）每小時(shí)消耗氧的量，單位為mmol(O2)/g(干菌體)?h。亦稱為氧比消耗速率。

第一節(jié)微生物對(duì)氧的需求第7頁(yè)，共40頁(yè)。攝氧率與呼吸強(qiáng)度之間的關(guān)系：

r＝QO2?X

其中，X：發(fā)酵液中菌絲體濃度，g（干菌體）/L呼吸強(qiáng)度表示微生物的絕對(duì)吸氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，測(cè)定有困難，可用耗氧速率表示。

一、微生物對(duì)氧的需求第8頁(yè)，共40頁(yè)。溶解氧的飽和濃度：

一定溫度與壓力下，氣體分子在氣液兩相中擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)液相中氣體分子的濃度。符號(hào)為：C*C*影響因素：

1.溫度溫度↑，氧飽和度↓

2.溶液性質(zhì)溶質(zhì)含量↑，氧飽和度↓

3.氧分壓氣相中氧濃度↑，氧飽和度↑

第9頁(yè)，共40頁(yè)。呼吸臨界氧濃度（C臨界）

在溶氧濃度低時(shí)，呼吸強(qiáng)度隨溶解氧濃度增加而增加，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強(qiáng)而變化，此時(shí)的溶解氧濃度稱為呼吸臨界氧濃度，以C臨界表示。其為微生物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度的最低要求。在臨界溶氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。

微生物的臨界氧濃度一般為0.003-0.05（mmol/L），為飽和濃度的1-25％。第10頁(yè)，共40頁(yè)。臨界濃度第11頁(yè)，共40頁(yè)。在培養(yǎng)過(guò)程中不需要使溶解氧濃度達(dá)到或接近飽和值，而只要超過(guò)某一臨界氧濃度即可。當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，如果溶氧濃度高于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧濃度低于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率大大下降，這時(shí)細(xì)胞處于半?yún)捬鯛顟B(tài)。＝＝＝＝第12頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié)

傳質(zhì)理論

一、氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力分為供氧和耗氧供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過(guò)氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。耗氧：氧分子自液體主流通過(guò)液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)第13頁(yè)，共40頁(yè)。1.傳遞途徑O2氣膜氣液界面細(xì)胞膜菌絲團(tuán)發(fā)酵液液膜O2O2細(xì)胞液膜第14頁(yè)，共40頁(yè)。氧在溶液中的傳遞（氣體溶解過(guò)程：雙膜理論）

氧氣的溶解過(guò)程是一個(gè)由氣相進(jìn)入液相的過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，氧氣需要跨過(guò)由氣-液界面構(gòu)成的屏障，在界面的一側(cè)有氣膜，另一側(cè)為液膜，氧的溶解需要經(jīng)過(guò)這兩層膜才能實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)這一模型建立起來(lái)的氣體溶解理論稱為雙膜理論。第15頁(yè)，共40頁(yè)。雙膜理論的基本前提（1）在氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)，分子間無(wú)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，因此氧的分子只能以擴(kuò)散方式，即在濃度差推動(dòng)下而透過(guò)雙膜。（2）在空氣主流空間的任一點(diǎn)氧分子的濃度相同，液體主流中也是如此。（3）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡狀態(tài)。

（4）傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧的濃度不隨時(shí)間而變。第16頁(yè)，共40頁(yè)。

二、氣體溶解過(guò)程：雙膜理論氣—液界面氣膜動(dòng)力：P-Pi液膜動(dòng)力：Ci-CL阻力：1/kG阻力：1/kL氣體擴(kuò)散方向氣膜液膜CiCL空氣泡PO2PPi發(fā)酵液第17頁(yè)，共40頁(yè)。氧傳遞的阻力供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過(guò)氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。

耗氧：氧自液體主流通過(guò)液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)。整個(gè)過(guò)程必須克服一系列的阻力，才能被微生物利用。第18頁(yè)，共40頁(yè)。（1）供氧方面的阻力

1/kG

氣流主體與氣-液界面間的氣膜阻力

1/kI

氣-液界面阻力

1/kL

從氣-液界面至液體主流間的液膜阻力，是氧溶于水時(shí)的限制因素

1/kIB

液體主流中的傳遞阻力第19頁(yè)，共40頁(yè)。（2）耗氧方面的阻力

1/kIC

液膜阻力

1/kIS

固-液界面阻力

1/kA

菌絲叢或細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻

1/kW

細(xì)胞壁的阻力

1/kR

細(xì)胞呼吸酶與氧反應(yīng)的阻力

1/kIS，1/kA是該過(guò)程的主要的耗氧阻力。第20頁(yè)，共40頁(yè)。氧在傳遞過(guò)程中要克服的總阻力：

R=1/kG+1/kI+???+1/kR當(dāng)總推動(dòng)力為?C時(shí)，氧的傳遞速率：

N=?C/R=?C1/(1/kG)=???=?C9/(1/kR)?C1、?C2????C9分別為各傳遞階段的氧濃度之差。第21頁(yè)，共40頁(yè)。氧的傳遞方程式：

式中，NA:氧的傳遞速率，mmolO2/L?hC*:溶液中溶氧飽和濃度，mmolO2/LCL:溶液主流中的溶氧濃度，mmolO2/LKLa:液相體積氧傳遞系數(shù)，又稱通氣效率，單位為1/h。KLa可以用來(lái)衡量發(fā)酵罐的通氣效率，KLa越大，通氣效率越高。

NA=KLa?(C*-CL)第22頁(yè)，共40頁(yè)。一、亞硫酸鹽氧化法1.原理

利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時(shí)被氧迅速氧化的特性來(lái)估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效果。當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.018-0.47mol/L，溫度20-45℃之間時(shí)，與氧反應(yīng)的速度在較大范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無(wú)關(guān)，用碘量法測(cè)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(lái)求得氧的溶解量。第三節(jié)

溶氧傳遞系數(shù)測(cè)定方法

第23頁(yè)，共40頁(yè)。2.操作反應(yīng)原理：剩余的亞硫酸根與過(guò)量的碘反應(yīng)：再用Na2S2O3滴定剩余的碘：

①將一定溫度（20-45℃）的自來(lái)水加入實(shí)驗(yàn)罐，加入化學(xué)純的Na2SO3晶體，使亞硫酸根約為1M，再加化學(xué)純的CuSO4晶體，使Cu2+濃度約為10-3M，待完全溶解后，開閥通氣，空氣閥一開就接近預(yù)定流量。當(dāng)氣泡從噴管中冒出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí),氧化時(shí)間控制在5～20min。第24頁(yè)，共40頁(yè)。3.計(jì)算方法:N：體積溶氧系數(shù)S：取樣量C：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時(shí)間間隔P：發(fā)酵罐的罐壓②實(shí)驗(yàn)前后各用移液管取10-100mL樣液，立即移入新吸取的過(guò)量標(biāo)準(zhǔn)碘液中，以淀粉為指示劑，用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn)第25頁(yè)，共40頁(yè)。優(yōu)點(diǎn)：氧溶解和亞硫酸鹽濃度無(wú)關(guān)，反應(yīng)速度快，不需要特殊儀器。測(cè)定方法簡(jiǎn)單，測(cè)定的是亞硫酸鹽的水溶液，不是發(fā)酵醪，具有相對(duì)意義。缺點(diǎn)：影響因素多，工作容積只能在4-80L以內(nèi)測(cè)定才比較可靠第26頁(yè)，共40頁(yè)。kLa測(cè)定的其他方法二、取樣極譜法三、物料衡算法四、排氣法五、復(fù)膜電極法第27頁(yè)，共40頁(yè)。第四節(jié)影響氧傳遞速率的主要因素液體的性質(zhì)對(duì)氧的溶解度的影響液體的比表面積氧傳遞系數(shù)OTR=KLa?(C*-CL)第28頁(yè)，共40頁(yè)。液體的性質(zhì)對(duì)氧的溶解度的影響溶液的溫度：氧氣的溶解度隨溫度的升高而降低。

CW*=14.6/(t+31.6)溶液中電解質(zhì)的濃度：?jiǎn)我浑娊赓|(zhì)㏒(CW*/Ce*)=KCECe*：氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度（mol/m3)CE：電解質(zhì)溶液的濃度（kmol/m3);CW*：與空氣平衡的水中氧濃度（mol/m3)；K:Sechenov常數(shù)；多元電解質(zhì)㏒(CW*/Ce*)=∑hiIi,Ii=(1/2)ZiCEi;式中hi:第I種離子的Sechenov常數(shù)，m3/kmol,Ii；離子強(qiáng)度kmol/m3;CEi；第I種離子的濃度,kmol/m3非電解質(zhì)溶液中，氧氣的溶解度隨溶質(zhì)濃度的升高而降低。㏒(CW*/Cn*)=KCN,Cn*氧在非電解質(zhì)溶液中的溶解度（mol/m3)；CN：非電解質(zhì)溶液的濃度（kg/m3);i第29頁(yè)，共40頁(yè)。培養(yǎng)基中含有電解質(zhì)和非電解質(zhì)，氧的溶解度㏒(CW*/Cm*)=∑hiIi+∑

㏒(CW*/Cnj*),式中Cm*氧在混合溶液中的溶解度（mol/m3)液體的比表面積α=｛VG/[(π/6)?dB3]｝·[(πdB2)/V]=6VG/(dBV),令H0=VG/V,α=6H0/dB氣液比表面積與氣體的截流率成正比，與氣泡的平均直徑成反比.通常，氣泡的dB與液體的流體性質(zhì)（表面張力σ，密度ρ，黏度μ）和外部操作條件H0

和攪拌功率PG、發(fā)酵液的高度HL,，氣泡的上升速度ωB，通氣量QG相關(guān)，α=6QGHL/(dBωBV)氣泡個(gè)數(shù)第30頁(yè)，共40頁(yè)。如何提高飽和溶氧濃度C*？1.降低培養(yǎng)溫度

2.降低培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量

3.提高發(fā)酵罐內(nèi)的氧分壓以上三種方法有較大的局限性

4.通入富集氧的空氣：值得深入研究第31頁(yè)，共40頁(yè)。氧傳遞系數(shù)攪拌：使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)氣體的停留時(shí)間，增大氣體的截流率，同時(shí)將氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。空氣的線速度：在一定的范圍內(nèi)，速度的提高會(huì)導(dǎo)致氧傳遞系數(shù)的提高。當(dāng)超過(guò)一定的范圍，反而會(huì)降低空氣分布管：與分布管的形式、噴口直徑、管口與罐低的相對(duì)距離對(duì)氧傳遞系數(shù)有影響。培養(yǎng)液的性質(zhì)：包括表面張力σ，密度ρ，黏度μ，離子濃度，擴(kuò)散系數(shù)等，這些會(huì)影響氣泡的大小和穩(wěn)定性和液體的團(tuán)流性以及界面活膜的阻力。第32頁(yè)，共40頁(yè)。表面活性劑：具有親水端和疏水端的物質(zhì)，分布在氣液界面，增大了傳質(zhì)阻力，使氧的傳遞系數(shù)KLa發(fā)生改變(下降）離子強(qiáng)度：菌體濃度：在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小，因而有較大的比表面積。因而在同樣的條件下，電解質(zhì)溶液的KLa比水大，并且隨著電解質(zhì)濃度的增加，KLa也有較大的增加。培養(yǎng)液中的菌體濃度隊(duì)也有很大的影響。一般地，菌體濃度高，KLa降低。如圖所示。第33頁(yè)，共40頁(yè)。第五節(jié)溶氧的測(cè)定和控制化學(xué)法極譜法壓力法測(cè)定方法第34頁(yè)，共40頁(yè)。MnSO4+2NaOH------Mn(OH)2+Na2SO42Mn(OH)2+O2-------MnO(OH)2MnO(OH)2+Mn(OH)2-----MnMnO3+2H2OMnMnO3+3H2SO4+2KI------2MnSO4+I2+3H2O+K2SO4I2+2Na2S2O3----2NaI+NaS4O6受樣品顏色和還原性的影響一分子的溶氧----一分子的碘-----兩分子的硫代硫酸鈉化學(xué)法第35頁(yè)，共40頁(yè)。溶解氧在一定的條件下，被還原成H2O2酸性時(shí)：O2+2H++2e------H2O2中性或堿性時(shí)：O2+2H2O+2e------H2O2+OH-在待測(cè)樣液中，加入一個(gè)固定電壓（0.8V)，在陰極處發(fā)生上述反應(yīng)，使待測(cè)液主體與陰極表面附近的液體存在溶氧濃度差，通過(guò)測(cè)定電流的大小，求出液體的溶氧濃度。CL=(i·L)/(2F·DL·A)式中：i;電流(A);F:法拉第常數(shù)；A:陰極表面的表面積；CL:待測(cè)液的溶氧濃度（mol/m3),L:液膜厚度（m）DL—氧在液相中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;.反映的準(zhǔn)確性受溶液的其它氧化還原物質(zhì)的影響極譜法第36頁(yè)，共40頁(yè)。壓力法恒溫密閉容器中,有體積為VL的液體。通入氣體壓力為P1,體積為VG的氣體至平衡時(shí)為P2。即有(P1-P2)VG=nRTn=SVL,S=(P1-P2)VG/RTVL,S:氧的溶解度（mol/m