引言大多數發酵微生物是好氣型的。葡萄糖的氧化可表示為：

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO2+ATP

由于氧是難溶氣體，一次供氧，難以滿足菌體用于碳源完全呼吸所需的氧，所以需要不斷通氣。通氣和攪拌是工業發酵過程的重要內容。當前第1頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第2頁\共有67頁\編于星期四\4點§4通氣與攪拌§4-1微生物的需氧和溶解氧控制一、細胞對氧的需求1、氧是細胞的成分。2、微生物只能利用溶解于基質中的氧。3、不同M有不同的氧需求。當前第3頁\共有67頁\編于星期四\4點二、呼吸強度(比耗氧速率)和耗氧速率(攝氧率)

是兩種表示微生物吸氧量的方法。1、呼吸強度(QO2)：單位重量干菌體在單位時間內的吸氧量。（mg分子氧/g干菌體·h）體現微生物的相對需氧量。當前第4頁\共有67頁\編于星期四\4點2、耗氧速率(γ)：指單位體積培養液在單位時間內吸氧量。(mg分子氧/L·h)

γ＝QO2×X

對一定微生物來說，細胞濃度直接影響培養液的吸氧量。當前第5頁\共有67頁\編于星期四\4點三、影響微生物需氧量的因素1.碳源種類碳源種類不同，利用速度不同。

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO22.碳源濃度與碳源濃度是否成為限制性有關。當前第6頁\共有67頁\編于星期四\4點3.培養條件(pH、T)

pH、T影響生長速率和產物生成速率。4.(有害)代謝產物抑制細胞呼吸作用。5.培養時期的影響不同時期微生物生命活動能力不同。注意：溶解氧濃度對細胞生長和產物生成的影響可能不同。當前第7頁\共有67頁\編于星期四\4點四、微生物的臨界氧濃度Cc

微生物對發酵液中溶解氧濃度的最低要求——臨界氧濃度Cc。當不存在限制性基質時，耗氧速率因基質中氧濃度不同而異。若C>Cc，細胞比耗氧速率保持恒定；若C<Cc，細胞比耗氧速率會下降，并隨C下降而下降。常見微生物的臨界氧濃度見下表。當前第8頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第9頁\共有67頁\編于星期四\4點五、溶解氧控制的意義研究溶解氧控制的意義在于：1.滿足生產需要；2.節能、降耗；當前第10頁\共有67頁\編于星期四\4點1.供氧：氣體主流→氣膜→氣液界面→液膜→液體主流。2.耗氧：液體主流→細胞周圍液膜→菌絲體叢→細胞膜→細胞。氧的傳遞途徑§4-2傳質理論一、氧傳遞途徑與傳質阻力兩個過程，八種阻力，按不同情況，阻力重要性不同。(一)氧在發酵過程中的傳遞途徑當前第11頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第12頁\共有67頁\編于星期四\4點(二)傳質阻力1.氣膜阻力1/k1：氣體主流與氣液界面間的阻力，與空氣情況有關。2.氣液界面阻力1/k2：氧穿過氣液界面的阻力，與空氣情況和氧分子所具有的能量有關。3.液膜阻力1/k3：氣液界面到液體主流間的阻力，與發酵液成分和濃度有關。4.液流阻力1/k4：液體流動對氧傳遞的阻力，與流動程度和流動形式有關。當前第13頁\共有67頁\編于星期四\4點2.耗氧方面(1)液膜阻力1/k5：與發酵液濃度、成分和細胞特性等有關。(2)擴散阻力1/k6：與微生物種類、生理特性有關。(3)胞膜阻力1/k7：與微生物生理特性有關，取決于細胞運載方式和能力。(4)反應阻力1/k8：氧分子與細胞內呼吸酶系反應時的阻力，與微生物種類、生理特性有關。當前第14頁\共有67頁\編于星期四\4點總結分析在供氧方面，液膜阻力(1/k3)比較顯著；在耗氧方面，細胞膜阻力(1/k6)比較顯著；只要發酵條件合適，微生物耗氧不是矛盾的主要方面。氧的溶解問題是影響微生物利用氧效率高低的最大因素。當前第15頁\共有67頁\編于星期四\4點二、氣體溶解過程的雙膜理論

1.氣液兩相間存在穩定的相界面，界面兩側各有一層有效膜，溶質(氧)以分子擴散的傳質方式由氣相主體進入液相主體。

2.在相界面處，氣液兩相達到平衡。

3.在氣、液兩相主體中，溶質(氧)濃度均勻。過程：氧由氣相→→→氣液界面→→→液相氣膜液膜當前第16頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第17頁\共有67頁\編于星期四\4點ppip-piCi-CL氣膜液膜氣液界面CiCL當前第18頁\共有67頁\編于星期四\4點氧溶解必需穿過兩層膜：氣體主流→→氣液界面，氧分壓差(p-pi)；氣液界面→→液體主流，氧濃度差(Ci-CL)；與推動力分壓差和濃度差相對應的阻力分別是氣膜阻力(1/kG)和液膜阻力(1/kL)。當前第19頁\共有67頁\編于星期四\4點單位接觸面氧的傳遞速率NA為：NA：氧的傳遞速率(Kg分子O2/M2·h)p,pi：氣相和氣液界面處氧分壓(atm)Ci,CL：氣液界面和液相中氧濃度(Kg分子O2/M3)kG：氣膜傳質系數(Kg分子O2/M2·h·atm)kL：液膜傳質系數(M/h)當前第20頁\共有67頁\編于星期四\4點氧分壓pi和氧濃度Ci難測定，改用總傳質系數KG或KL和總推動力。則，在穩定傳遞狀態時，p*：與液相氧濃度CL平衡的氧分壓；C*：氣相中氧分壓P達平衡時的氧濃度；KG：以氧分壓差為推動力總傳質系數；KL：以氧濃度差為推動力總傳質系數；當前第21頁\共有67頁\編于星期四\4點其中，kG或kL與KG或KL的關系，可根據亨利定律來求得，即：當前第22頁\共有67頁\編于星期四\4點根據式（5－1）有：當前第23頁\共有67頁\編于星期四\4點同樣可以證明：由式(5-4)和(5-5)，有如下討論：(1)易溶氣體，H很小，則KG≈kG。為氣膜控制過程。(2)難溶氣體。H很大，則KL≈kL。為液膜控制過程。(3)氧為難溶氣體，為液膜阻力(傳質系數)控制，所以下面介紹氧傳質方程。當前第24頁\共有67頁\編于星期四\4點三、氧傳質方程式采用體積溶氧系數或體積傳質系數：KLa(或KGa)，據此氧傳質(溶氧速率)方程可表示為：當前第25頁\共有67頁\編于星期四\4點發酵體系中，若供氧與好氧達到平衡，則有：當前第26頁\共有67頁\編于星期四\4點實際發酵體系中，這種平衡是暫時的。即體系中氧濃度是動態變化的，可表示：

KLa值高，表明罐的通氣狀況好（？？？），反之則差。當前第27頁\共有67頁\編于星期四\4點§4-3影響氧供給的因素根據氣液傳質速率方程式：可知：凡影響推動力(C*－CL)或(p－p*)、比表面積a和傳質系數KL的因素，都會影響氧傳遞速率。當前第28頁\共有67頁\編于星期四\4點一、影響推動力的因素1.溫度氧是氣體，它在水中的溶解度隨溫度升高而降低。在常壓、4-33℃內，純水中氧的濃度CW*為：當前第29頁\共有67頁\編于星期四\4點2.電解質鹽析作用可降低氧的溶解。在電解質溶液中，有如下關系式：：氧在水的溶解度；mol/M3

：氧在電解質溶液中的溶解度;mol/M3

：電解質溶液的濃度；kmol/M3K：Sechenov常數；當前第30頁\共有67頁\編于星期四\4點存在幾種電解質時，有：當前第31頁\共有67頁\編于星期四\4點3.非電解質在非電解質溶氧中，氧的溶解度隨溶質濃度增加而降低，其規律類似于電解質溶液：：氧在非電解質溶液中的溶解度；：非電解質中溶質的濃度或有機物濃度；當前第32頁\共有67頁\編于星期四\4點4.氧分壓(1)增加罐壓提高罐壓可提高氧分壓。(2)提高空氣中氧的含量(富氧通氣)a.深冷分離

b.吸附分離

c.膜分離(3)提高H/D當前第33頁\共有67頁\編于星期四\4點二、影響KLa的因素

KLa是a與KL合并作為一個參數，實際中影響該參數的因素有：(一)操作條件1.攪拌A.攪拌的作用：(1)打碎，防合并，增大氣液接觸面積；(2)產生渦流，螺旋，延長停留時間；(3)產生湍流，減厚度，降阻力；(4)均勻混合，利吸收和積累；主要形式有：當前第34頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第35頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第36頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第37頁\共有67頁\編于星期四\4點B.攪拌器(1)型式：旋槳式，軸向推動；渦輪式，徑向推動，形成上下兩個翻動；后者常被采用。多組時，上常為平槳式，下常為渦輪式；(2)轉速n和直徑d：影響溶氧水平和混合程度。P∝H攪Q攪∝n3d5，攪拌循環量Q攪∝nd3，H攪∝n2d2；增加n對提高溶氧有利，增加d對均勻混合有利。當前第38頁\共有67頁\編于星期四\4點當前第39頁\共有67頁\編于星期四\4點(3)間距(相對位置)：太大，產生攪拌死角；太小，相互干擾；因流體力學性質不同而有所差別，牛頓型:d=(3-4)D，非牛頓型:d<2D；(4)位置(距罐底的距離)：h太大，最底部液體難提升，造成局部缺氧。太小，造成功率損失。一般為：(0.8-1)d。(5)組數：確定與H/D有關，綜合考慮溶氧和功率消耗等因素。當前第40頁\共有67頁\編于星期四\4點2.通氣的影響對特定發酵罐，α、β是定值。隨增加,增加；增加，增加。影響α、β的因素可以影響KLa值，與罐的形狀、結構有關，隨罐徑增加而降低。通氣表觀線速度當前第41頁\共有67頁\編于星期四\4點(二)液體性質的影響(1)液體密度ρ：(2)粘度μ：(3)表面張力σ：(4)擴散系數DL：綜上所述，影響可歸納為：當前第42頁\共有67頁\編于星期四\4點(三)其它因素的影響(1)表面活性劑：定向排列；(2)離子強度：KLa比水大(見圖1)；(3)細胞濃度：非牛頓型增加(見圖2)；溶質濃度(g/L)X圖1圖2當前第43頁\共有67頁\編于星期四\4點§4-4溶氧系數的測定化學方法：亞硫酸鹽氧化法極譜法電極法取樣排氣當前第44頁\共有67頁\編于星期四\4點一、亞硫酸鹽氧化法1、作用原理：利用SO32-在Cu2+或Mg2+催化下，能迅速被O2氧化為SO42-的特性來間接得到氧濃度的方法。其反應式：當前第45頁\共有67頁\編于星期四\4點A.氧化的特點：(1)ν反應恒定；(2)ν消耗>>ν溶解；當前第46頁\共有67頁\編于星期四\4點B.主要過程：(1)將配制好的Na2SO3和Cu2+離子置于發酵罐或三角瓶中;(2)通氣、攪拌或搖瓶，2SO32-＋O2→2SO42-。(3)某時刻，取樣，+過量I2液。

2SO32-＋I2→2SO42-；用標準Na2S2O3反滴定。記錄體積數V1。

(2S2O32-＋I2→2S4O62-)，(4)間隔△t后，重復測定，記錄體積數V2。當前第47頁\共有67頁\編于星期四\4點兩次測定，消耗的Na2S2O3體積差△V=V2-V1，按一定關系體現為這段時間溶入的O2的量。即有：當前第48頁\共有67頁\編于星期四\4點由此可得氧的平均溶解速率N：見P67:4-17當前第49頁\共有67頁\編于星期四\4點則溶氧系數Kd：因為：溶液中氧濃度為零(一溶入即被消耗)。所以:p*=0當前第50頁\共有67頁\編于星期四\4點此法特點：(1)氧溶解速率與氧濃度無關，反應速度快，簡單；(2)只能測定反應器中Na2SO3溶液的溶氧系數，不能真實反映發酵液狀況；當前第51頁\共有67頁\編于星期四\4點二、極譜法當前第52頁\共有67頁\編于星期四\4點(一)取樣極譜法取出樣品置入極譜儀中，記下對應時刻的氧濃度CL。以CL對t作圖，得如圖所示的曲線。當前第53頁\共有67頁\編于星期四\4點時間(min)CLC*當前第54頁\共有67頁\編于星期四\4點從圖可以看出，曲線的斜率：(此時只有耗氧，而無氧溶解)再根據體系處于平衡時來計算KLa：γ當前第55頁\共有67頁\編于星期四\4點取樣極譜法的特點：(1)簡單，快速；(2)在罐外測定，不是發酵狀況，因而也存在一定誤差；當前第56頁\共有67頁\編于星期四\4點(二)排氣極譜法也是一種非發酵狀態下的測定方法。其方法是：(1)充氮氣，趕出其中的氧；(2)通氣和攪拌，測定溶氧濃度值。作圖可得到下圖：當前第57頁\共有67頁\編于星期四\4點時間tCLC*當前第58頁\共有67頁\編于星期四\4點在這種狀態下有：即：積分后可得:當前第59頁\共