第五章氧的供需與傳遞第1頁，共40頁。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：過氧化氫酶，細胞色素氧化酶，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度不同。好氣性微生物深層培養(yǎng)時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，對多數(shù)發(fā)酵來說，氧的不足會導(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，共40頁。二、溶解氧控制的原因需氧微生物的氧化酶體系是存在細胞內(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，就必須采用強化供氧。第3頁，共40頁。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經(jīng)過凈化處理的無菌空氣中含氧量的2%；在谷氨酸發(fā)酵方面氧的利用率為10%-30%。對于好氣性發(fā)酵來說，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，氧的供應(yīng)不足可能引起生產(chǎn)菌種的不可彌補的損失或?qū)е录毎x轉(zhuǎn)向不需要的化合物的生成。第4頁，共40頁。供氧對谷氨酸發(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，共40頁。氧的供需（1）實驗室中，通過搖瓶機往復(fù)運動或偏心旋轉(zhuǎn)運動供氧。（2）中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)裝置采用通入無菌壓縮空氣并同時進行攪拌的方式。（3）近年來開發(fā)出無攪拌裝置的節(jié)能培養(yǎng)設(shè)備，如氣升式發(fā)酵罐。（4）細胞對鼓泡通氣和機械攪拌產(chǎn)生的剪切作用敏感。第6頁，共40頁。微生物耗氧量的表示方法

1.攝氧率（r）

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

2.呼吸強度（QO2）

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

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

r＝QO2?X

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

一、微生物對氧的需求第8頁，共40頁。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散達到動態(tài)平衡，此時液相中氣體分子的濃度。符號為：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，共40頁。呼吸臨界氧濃度（C臨界）

在溶氧濃度低時，呼吸強度隨溶解氧濃度增加而增加，當(dāng)溶氧濃度達到某一值后，呼吸強度不再隨溶解氧濃度的增強而變化，此時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，共40頁。臨界濃度第11頁，共40頁。在培養(yǎng)過程中不需要使溶解氧濃度達到或接近飽和值，而只要超過某一臨界氧濃度即可。當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時，如果溶氧濃度高于臨界值，細胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧濃度低于臨界值，細胞的比耗氧速率大大下降，這時細胞處于半?yún)捬鯛顟B(tài)。＝＝＝＝第12頁，共40頁。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氣膜、氣液界面和液膜擴散到液體主流中。耗氧：氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜擴散到細胞內(nèi)第13頁，共40頁。1.傳遞途徑O2氣膜氣液界面細胞膜菌絲團發(fā)酵液液膜O2O2細胞液膜第14頁，共40頁。氧在溶液中的傳遞（氣體溶解過程：雙膜理論）

氧氣的溶解過程是一個由氣相進入液相的過程，為實現(xiàn)這一過程，氧氣需要跨過由氣-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)過這兩層膜才能實現(xiàn)。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。第15頁，共40頁。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)，分子間無對流運動，因此氧的分子只能以擴散方式，即在濃度差推動下而透過雙膜。（2）在空氣主流空間的任一點氧分子的濃度相同，液體主流中也是如此。（3）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強與溶于液體中的氧的濃度處于平衡狀態(tài)。

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

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

耗氧：氧自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜擴散到細胞內(nèi)。整個過程必須克服一系列的阻力，才能被微生物利用。第18頁，共40頁。（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，是氧溶于水時的限制因素

1/kIB

液體主流中的傳遞阻力第19頁，共40頁。（2）耗氧方面的阻力

1/kIC

液膜阻力

1/kIS

固-液界面阻力

1/kA

菌絲叢或細胞團內(nèi)的傳遞阻

1/kW

細胞壁的阻力

1/kR

細胞呼吸酶與氧反應(yīng)的阻力

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

R=1/kG+1/kI+???+1/kR當(dāng)總推動力為?C時，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，共40頁。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，共40頁。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0.018-0.47mol/L，溫度20-45℃之間時，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關(guān)，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。第三節(jié)

溶氧傳遞系數(shù)測定方法

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

①將一定溫度（20-45℃）的自來水加入實驗罐，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，立即計時,氧化時間控制在5～20min。第24頁，共40頁。3.計算方法:N：體積溶氧系數(shù)S：取樣量C：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時間間隔P：發(fā)酵罐的罐壓②實驗前后各用移液管取10-100mL樣液，立即移入新吸取的過量標準碘液中，以淀粉為指示劑，用Na2S2O3標準液滴定至終點第25頁，共40頁。優(yōu)點：氧溶解和亞硫酸鹽濃度無關(guān)，反應(yīng)速度快，不需要特殊儀器。測定方法簡單，測定的是亞硫酸鹽的水溶液，不是發(fā)酵醪，具有相對意義。缺點：影響因素多，工作容積只能在4-80L以內(nèi)測定才比較可靠第26頁，共40頁。kLa測定的其他方法二、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，共40頁。第四節(jié)影響氧傳遞速率的主要因素液體的性質(zhì)對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，共40頁。液體的性質(zhì)對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：單一電解質(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，共40頁。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)氣泡個數(shù)第30頁，共40頁。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，共40頁。氧傳遞系數(shù)攪拌：使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運動，延長氣體的停留時間，增大氣體的截流率，同時將氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。空氣的線速度：在一定的范圍內(nèi)，速度的提高會導(dǎo)致氧傳遞系數(shù)的提高。當(dāng)超過一定的范圍，反而會降低空氣分布管：與分布管的形式、噴口直徑、管口與罐低的相對距離對氧傳遞系數(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，擴散系數(shù)等，這些會影響氣泡的大小和穩(wěn)定性和液體的團流性以及界面活膜的阻力。第32頁，共40頁。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，共40頁。第五節(jié)溶氧的測定和控制化學(xué)法極譜法壓力法測定方法第34頁，共40頁。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，共40頁。溶解氧在一定的條件下，被還原成H2O2酸性時：O2+2H++2e------H2O2中性或堿性時：O2+2H2O+2e------H2O2+OH-在待測樣液中，加入一個固定電壓（0.8V)，在陰極處發(fā)生上述反應(yīng)，使待測液主體與陰極表面附近的液體存在溶氧濃度差，通過測定電流的大小，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:待測液的溶氧濃度（mol/m3),L:液膜厚度（m）DL—氧在液相中的分子擴散系數(shù)，m2/s;.反映的準確性受溶液的其它氧化還原物質(zhì)的影響極譜法第36頁，共40頁。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的氣體至平衡時為P2。即有(P1-P2)VG=nRTn=SVL,S=(P1-P2)VG/RTVL,S:氧的溶解度（mol/m