第六章-发酵过程中的供氧(课堂PPT).ppt

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1、第六章 发酵过程中的供氧v目前大多数发酵是好氧发酵。好气微生物的生长和代谢需要消耗氧气，只有在氧存好气微生物的生长和代谢需要消耗氧气，只有在氧存在时才能完成生物氧化作用，因此，供氧对需氧微生在时才能完成生物氧化作用，因此，供氧对需氧微生物必不可少。物必不可少。氧气只有溶解到发酵液并进一步传递到细胞内的氧化氧气只有溶解到发酵液并进一步传递到细胞内的氧化酶系后才能被利用。酶系后才能被利用。2矛盾矛盾葡萄糖在微生物内的有氧氧化葡萄糖在微生物内的有氧氧化微生物只能利用溶解于水中的葡萄糖和氧微生物只能利用溶解于水中的葡萄糖和氧3v如果不连续向发酵液中供给氧气，菌体的呼吸就会受到强烈如果不连续向发酵液中供

2、给氧气，菌体的呼吸就会受到强烈抑制。因此，在微生物的能量代谢活动中，氧的供给十分重抑制。因此，在微生物的能量代谢活动中，氧的供给十分重要；不间断地补充发酵液中的溶解氧，保证菌体的正常代谢要；不间断地补充发酵液中的溶解氧，保证菌体的正常代谢活动，是需氧发酵中要解决的重大课题。活动，是需氧发酵中要解决的重大课题。v在各种代谢产物的发酵过程中，随着生产能力的不断提高在各种代谢产物的发酵过程中，随着生产能力的不断提高(新新菌种选育和加富培养技术应用菌种选育和加富培养技术应用)，微生物的需氧量不断增加，微生物的需氧量不断增加，对发酵没备供氧能力的要求也愈来愈高。对发酵没备供氧能力的要求也愈来愈高。v溶解

3、氧浓度已成为发酵生产中提高生产能力的限制因素。所溶解氧浓度已成为发酵生产中提高生产能力的限制因素。所以，处理好发酵过程中的供氧和需氧之间的关系，是研究最以，处理好发酵过程中的供氧和需氧之间的关系，是研究最佳化发酵工艺条件的关键因素之一。佳化发酵工艺条件的关键因素之一。4内容内容第一节第一节 发酵过程中氧的需求发酵过程中氧的需求1第二节第二节 氧在溶液中的传递氧在溶液中的传递2第三节第三节 影响供氧的因素影响供氧的因素3第四节第四节 溶解氧、摄氧率和溶解氧、摄氧率和KLa的测定的测定45第一节 发酵过程中氧的需求6一、微生物对氧的需求一、微生物对氧的需求 不同种类微不同种类微生物对氧的生物对氧的

4、需求不同需求不同对于厌氧微生物而言，氧却是一种对于厌氧微生物而言，氧却是一种有害物质，即使短期接触空气，也有害物质，即使短期接触空气，也会抑制其生长甚至致死。会抑制其生长甚至致死。兼性厌氧微生物如酵母、乳酸菌等兼性厌氧微生物如酵母、乳酸菌等在有氧或无氧条件下均能生长，但在有氧或无氧条件下均能生长，但代谢产物不同；代谢产物不同；好氧微生物只有在溶氧存在时，才好氧微生物只有在溶氧存在时，才能进行生长、繁殖等代谢活动；能进行生长、繁殖等代谢活动；7氧在微生物发酵中的作用氧在微生物发酵中的作用v氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的组氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的组分之一。分之一。虽然培养基中大量

5、存在的水及其他成分如糖可以虽然培养基中大量存在的水及其他成分如糖可以提供氧元素，但许多微生物细胞必须利用分子态提供氧元素，但许多微生物细胞必须利用分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，最后与氢离子结合生成水，同时在呼吸链的电子最后与氢离子结合生成水，同时在呼吸链的电子传递过程中可释放出大量能量，供细胞生长和代传递过程中可释放出大量能量，供细胞生长和代谢使用谢使用。v氧作为中间体直接参与一些生物合成反应。氧作为中间体直接参与一些生物合成反应。乙醇在氧的作用下合成乙酸。乙醇在氧的作用下合成乙酸。8微生物的耗氧量微生物的耗氧量摄氧率（摄氧率（r）呼

6、吸强度（呼吸强度（QO2）微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动变化的影响，常用呼吸强度和耗氧速率微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动变化的影响，常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示两种方法来表示:9v呼吸强度可以表示微生物的相对耗氧量，但是，当培养液中呼吸强度可以表示微生物的相对耗氧量，但是，当培养液中有固定成分存在而测定有固定成分存在而测定QO2有困难时，可用摄氧速率表示。有困难时，可用摄氧速率表示。r=QO2X，其中X为发酵液中菌体浓度，单位为g/L。v r值值的范围一般在的范围一般在 25100 mmol/Lh；vQO2一般在一般在1.515mmol/gh；v从上式可知，微生物在发酵过程中的

7、摄氧速率取决于微生物从上式可知，微生物在发酵过程中的摄氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受到菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综又受到菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合影响。合影响。10v 从上式可知，微生物在发酵过程中的耗氧速从上式可知，微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受到菌龄、液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受到菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的菌种性能、培养基及培养条件

8、等诸多因素的综合影响。综合影响。11溶氧对菌体生长和产物形成都会产生不同的影响。溶氧对菌体生长和产物形成都会产生不同的影响。例例1 1：谷氨酸发酵：谷氨酸发酵v供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。珀酸。12v例例2 2：维生素：维生素 v薛氏丙酸菌发酵生产维生素薛氏丙酸菌发酵生产维生素B12B12中，维生素中，维生素B12B12的组成部分咕的组成部分咕啉醇酰胺（又称因子）的生物合成前期的两种主要酶会受啉醇酰胺（又称因子）的生物合成前期的两种主要酶会受到氧的阻遏，限制氧的供给才能积累大量的因子，因子到氧的阻遏，限制氧的供给

9、才能积累大量的因子，因子又在供氧的条件下才能转变成维生素又在供氧的条件下才能转变成维生素B12B12，因而采用厌氧和，因而采用厌氧和供氧相结合的方法有利于维生素供氧相结合的方法有利于维生素B12B12的合成。的合成。v据实验研究，当溶氧下降到据实验研究，当溶氧下降到45%45%时，就从好气培养转为厌气培时，就从好气培养转为厌气培养，酶的活力可提高养，酶的活力可提高6 6倍，这说明控制溶氧的重要性。倍，这说明控制溶氧的重要性。13例例3 3：金霉素发酵：金霉素发酵v对抗生素发酵来说，氧的供给更为重要。对抗生素发酵来说，氧的供给更为重要。v金霉素发酵，在生长期中短时间停止通风，就可能影响菌体金霉素

10、发酵，在生长期中短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由途径转向途径，使在生产期的糖代谢途径，由途径转向途径，使金霉素合成的产量减少。金霉素合成的产量减少。v金霉素金霉素上的氧还直接来源于溶解氧，所以，溶氧对菌体上的氧还直接来源于溶解氧，所以，溶氧对菌体代谢和产物合成都有影响。代谢和产物合成都有影响。14二、微生物的临界氧浓度二、微生物的临界氧浓度v微生物的呼吸强度的大小受微生物的呼吸强度的大小受多种因素的影响，其中发酵多种因素的影响，其中发酵液中的溶解氧浓度液中的溶解氧浓度(C(CL L)对呼对呼吸强度吸强度(Q(QO2O2)的影响如图的影响如图所示。所示。v当溶氧浓度低时，当

11、溶氧浓度低时，呼吸强度呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加，随溶解氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达某一值后，呼当溶氧浓度达某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓增加而变化，此时的溶氧浓度称为度称为呼吸临界氧浓度呼吸临界氧浓度，以，以C C临界临界表示。表示。v好气性微生物的临界氧浓度好气性微生物的临界氧浓度一般为一般为0.003-0.05 mmol/L。C临界15v影响微生物呼吸临界氧浓度的主要因素有以下几点。影响微生物呼吸临界氧浓度的主要因素有以下几点。v(1)(1)微生物的种类与培养温度：微生物的种类与培养温度：不同的微生物其呼吸临界氧浓度不同的微

12、生物其呼吸临界氧浓度不同，同一种微生物在不同的培养温度下其呼吸临界氧浓度也不不同，同一种微生物在不同的培养温度下其呼吸临界氧浓度也不相同。相同。v某些微生物的临界氧浓度某些微生物的临界氧浓度16v(2)微生物的生长阶段：微生物的生长阶段：次级代谢产物的发酵过程可分为次级代谢产物的发酵过程可分为菌体菌体生长阶段生长阶段和和产物合成阶段产物合成阶段，两个阶段的呼吸临界氧浓度分别，两个阶段的呼吸临界氧浓度分别以以C长临长临和和C合临合临表示，随菌种的生物学特性不同，两者表现出表示，随菌种的生物学特性不同，两者表现出不同的关系：不同的关系：C长临和C合临大致相同；C长临C合临，如卷曲卷曲霉素，C长临为

13、1323%，而C合临为8%以下；C长临C合临，如头孢菌素C，C长临为57%，而C合临为10%20%。已知多数品种的发酵中C长临C合临。v提示提示：v生长临界溶氧浓度生长临界溶氧浓度不一定与不一定与产物合成临界溶氧产物合成临界溶氧浓度浓度相同。相同。v临界溶氧溶度并不等于其临界溶氧溶度并不等于其最适生长氧浓度最适生长氧浓度。v在培养过程中并在培养过程中并不是维持溶氧越高越好不是维持溶氧越高越好。过高。过高的溶氧对生长可能不利。的溶氧对生长可能不利。v顶头孢霉生长的临界氧浓度在顶头孢霉生长的临界氧浓度在07%的氧饱和度间，但低于的氧饱和度间，但低于10-20%就抑制抗生素生物合成；因此，在生产头孢

14、菌素时，应使就抑制抗生素生物合成；因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值。其溶氧浓度远大于临界值。v顶头孢霉产生卷曲霉素，临界氧浓度在顶头孢霉产生卷曲霉素，临界氧浓度在1323%，但高于，但高于8%就抑制抗生素生物合成；因此，在生产卷曲霉素时，则应使其就抑制抗生素生物合成；因此，在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。溶氧浓度低于临界值。17v不同种类的微生物的需氧量不同不同种类的微生物的需氧量不同 一般为一般为mmol/（Lh）。）。v同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件的不同而异。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件的不同而异。a、菌体生长和形成产物时的耗氧量往往不同

15、；、菌体生长和形成产物时的耗氧量往往不同；b、一般幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培一般幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培养阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低；养阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低；c、晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，由于菌体浓、晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，由于菌体浓度高，耗氧量大。度高，耗氧量大。18举例：举例：v青霉素产生菌培养青霉素产生菌培养80的耗氧速率为的耗氧速率为40mmol/（Lh）；）；v链霉素产生菌培养链霉素产生菌培养12的耗氧速率为的耗氧速率为5mmol/(Lh)；v黑曲霉生长的最大耗氧速率为黑曲霉生长的最大耗氧速率为50-55 mm

16、ol/(Lh)，而产，而产淀粉淀粉酶时的最大耗氧速率为酶时的最大耗氧速率为20 mmol/(Lh)；v谷氨酸生产菌在种子培养谷氨酸生产菌在种子培养7的耗氧速率为的耗氧速率为13 mmol/(Lh)，发酵发酵13的耗氧速率为的耗氧速率为50 mmol/(Lh)，发酵的耗氧速，发酵的耗氧速率为率为51mmol/(Lh)。19v为避免发酵处于限氧条件下，需考查为避免发酵处于限氧条件下，需考查临界氧浓度临界氧浓度和和最适氧浓最适氧浓度度，并使发酵过程保持在最适浓度。，并使发酵过程保持在最适浓度。v最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这由

17、实验来确定。由实验来确定。v举例：举例：青霉素发酵的临界氧浓度在青霉素发酵的临界氧浓度在mol/Lmol/L之间，低于此之间，低于此值就会对青霉素合成带来损失，时间愈长，损失愈大。值就会对青霉素合成带来损失，时间愈长，损失愈大。20三、氧在液体中的溶解特性三、氧在液体中的溶解特性v氧溶解于水的过程是气体分子在水中的的扩散过程。氧溶解于水的过程是气体分子在水中的的扩散过程。空气与液体相接触，氧气分子就会溶解于液体之中，空气与液体相接触，氧气分子就会溶解于液体之中，经过一定的接触时间，氧气分子在气液两相中的浓经过一定的接触时间，氧气分子在气液两相中的浓度就会达到动态平衡。度就会达到动态平衡。v若外

18、界条件如温度、压力等不再变化，氧气在液体若外界条件如温度、压力等不再变化，氧气在液体中的浓度就不再变化，此时的浓度即为中的浓度就不再变化，此时的浓度即为该条件下该条件下在在该溶液中的该溶液中的溶解氧的饱和浓度。溶解氧的饱和浓度。用用C C*表示。表示。v单位可用单位可用mmol/Lmmol/L、mg/Lmg/L等表示。等表示。21v影响影响氧饱和浓度氧饱和浓度的主要因素有三。的主要因素有三。v1、温度：随着温度升高，气体分子运动加快，使溶液中的溶解氧的饱随着温度升高，气体分子运动加快，使溶液中的溶解氧的饱和浓度下降。和浓度下降。0.1MPa下下纯氧在水中的溶解度纯氧在水中的溶解度v当纯水与自然

19、状态的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度的影响可用下当纯水与自然状态的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度的影响可用下列经验公式来计算（适用浓度为列经验公式来计算（适用浓度为433C)C*=14.68/(31.6+t)C*：自然状态下水中氧的饱和浓度，：自然状态下水中氧的饱和浓度，mol/m3 t：溶液的温度，：溶液的温度，C 温度（）010152025303540溶解度mmolO2/L2.181.701.541.381.261.161.091.032225及及0.1MPa下纯氧在不同溶液中的溶解度，下纯氧在不同溶液中的溶解度，mmol/L溶液浓度mol/L盐酸硫酸氯化钠纯水0.11.211.211.0

20、71.01.161.120.891.262.01.121.020.712、溶液的性质n溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度不同。n溶质含量：通常浓度越高，氧的溶解度越低。n空气中的氧，在0.1MPa空气压下，25时在n纯水中的饱和度C*=0.26mmol/L；n发酵液中的饱和度C*=0.20mmol/L。n发酵液中的溶解度比纯水中的溶解度要小。233、氧分压v在系统总压力小于在系统总压力小于0.5MPa 0.5MPa 的情况下，氧的溶解度与总压和其的情况下，氧的溶解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用HenryHenry定律定

21、律表示：表示：v气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度随之增加，向溶液中通气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度随之增加，向溶液中通入纯氧时，溶液中的氧饱和浓度可达入纯氧时，溶液中的氧饱和浓度可达43mg/L43mg/L。v总之，氧在液体中，温度越高溶解度越低，溶液越浓溶解度总之，氧在液体中，温度越高溶解度越低，溶液越浓溶解度越低，氧分压越高溶解度越高。越低，氧分压越高溶解度越高。C*：与气相：与气相PO2达平衡时溶液中的氧浓度，达平衡时溶液中的氧浓度，mmol/LPO2：氧分压，：氧分压，MPaH：Henry常数（与溶液性质、温度等有关），常数（与溶液性质、温度等有关），MPaL/mmol24四、影响微

22、生物需氧量的因素四、影响微生物需氧量的因素v影响微生物需氧量的因素很多，主要有：影响微生物需氧量的因素很多，主要有：菌种的生理特性；培养基组成；溶解浓度；发酵工艺条件等。25(一一)微生物种类和生长阶段微生物种类和生长阶段v微生物微生物种类不同种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同不同；同样是需氧菌，细菌、放线菌和真菌的需氧量也不同。；同样是需氧菌，细菌、放线菌和真菌的需氧量也不同。某些微生物的呼吸强度某些微生物的呼吸强度QO2mmol/gh黑曲霉黑曲霉 3.0 灰色链霉菌灰色链霉菌 3.0 产黄青霉产黄青霉 3.9产气克雷伯菌产气克雷伯菌 4

23、.0 啤酒酵母啤酒酵母 8.0 大肠埃希菌大肠埃希菌 10.8v一般来说，微生物的一般来说，微生物的细胞结构越简单细胞结构越简单，其，其生长速度就越快生长速度就越快，单位时间内单位时间内消耗的氧就越多消耗的氧就越多。26v从菌体的生理阶段看：从菌体的生理阶段看：同一种微生物的不同生长阶段，其需氧量同一种微生物的不同生长阶段，其需氧量也不同。也不同。在延迟期，由于菌体代谢不活跃，需氧量较低；在延迟期，由于菌体代谢不活跃，需氧量较低；进入对数生长期，菌体代谢旺盛，呼吸强度高，需氧量随之增加；进入对数生长期，菌体代谢旺盛，呼吸强度高，需氧量随之增加；到了稳定期，需氧量不再增加。到了稳定期，需氧量不再

24、增加。在生产后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐步上升，在生产后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。v从菌体的生长阶段看：从菌体的生长阶段看：菌体生长期的摄氧率大于产物合成期的摄菌体生长期的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。氧率。因此认为培养液的摄氧率达最高值时，培养液中菌体浓度因此认为培养液的摄氧率达最高值时，培养液中菌体浓度也达到了最大值。也达到了最大值。27举例：举例：v谷氨酸和红霉素发酵前期，菌大量繁殖，需氧量不断增大，需溶氧浓度谷氨酸和红霉素发酵前期，菌大量繁殖，需氧量不断增大，需溶氧浓度下降，出现一个

25、低峰，菌的摄氧率、菌浓、黏度也同时出现一个高峰。下降，出现一个低峰，菌的摄氧率、菌浓、黏度也同时出现一个高峰。这都说明产生菌正处在对数生长期。这都说明产生菌正处在对数生长期。v过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段（如谷过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段（如谷氨酸发酵）或随之上升（如抗生素发酵）后，就开始形成产物，溶氧也氨酸发酵）或随之上升（如抗生素发酵）后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。不断上升。v谷氨酸发酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在谷氨酸发酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力的，低峰出

26、现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力的不同而异。不同而异。28(二二)培养基的组成培养基的组成v微生物对不同营养物质的利用情况不同，因而培养基的组成对生产菌种微生物对不同营养物质的利用情况不同，因而培养基的组成对生产菌种的代谢及需氧量有显著的影响。的代谢及需氧量有显著的影响。碳源的种类和浓度碳源的种类和浓度对微生物的需氧量的对微生物的需氧量的影响尤为显著；影响尤为显著；v原理：碳源物质分解利用与氧化过程密切相关。碳源物质经过有氧氧化原理：碳源物质分解利用与氧化过程密切相关。碳源物质经过有氧氧化最后被氧化成最后被氧化成COCO2 2、水并放出能量。、水并放出能量。各种碳源对点青霉摄氧

27、率的影响各种碳源对点青霉摄氧率的影响有机物有机物 摄氧率增摄氧率增 加的百分率加的百分率有机物有机物 摄氧率增摄氧率增 加的百分率加的百分率有机物有机物 摄氧率增摄氧率增 加的百分率加的百分率有机物有机物 摄氧率增摄氧率增 加的百分率加的百分率葡萄糖葡萄糖 130麦芽糖麦芽糖 115半乳糖半乳糖 115纤维糖纤维糖 110甘露糖甘露糖 80糊精糊精 60乳酸钙乳酸钙 55蔗糖蔗糖 45甘油甘油 40果糖果糖 40乳糖乳糖 30木糖木糖 30鼠李糖鼠李糖 30阿拉伯糖阿拉伯糖 2029v在补料分批发酵过程中，微生物的需氧量随补入的碳源浓度在补料分批发酵过程中，微生物的需氧量随补入的碳源浓度而变化

28、，一般补料后，摄氧率均有不同程度的增大。而变化，一般补料后，摄氧率均有不同程度的增大。容易被微生物分解利用的碳源，消耗的氧就比较多；不容易被微生物分解利用的碳源消耗的氧就少(取决于微生物体内分解该物质的酶活力的大小。v除了碳源物质直接影响摄氧率外，其他培养基成分，如磷酸除了碳源物质直接影响摄氧率外，其他培养基成分，如磷酸盐、氮源对微生物的摄氧率也有一定的影响。盐、氮源对微生物的摄氧率也有一定的影响。30(三三)培养液中溶解氧浓度培养液中溶解氧浓度CL的影响的影响v在发酵过程中，培养液中的在发酵过程中，培养液中的溶解氧浓度溶解氧浓度CL菌体的菌体的C长临长临时，时，菌体的呼吸就不受影响，菌体的各

29、种代谢活动不受干菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰；扰；如果培养液中的如果培养液中的CL低于低于C长临长临或或C合临合临时，时，多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制菌体生长和产物合成的现象。抑制菌体生长和产物合成的现象。31(四四)培养条件培养条件v微生物呼吸强度的临界值除受到微生物呼吸强度的临界值除受到培养基组成培养基组成的影响的影响外，还与培养液的外，还与培养液的pH、温度等培养条件、温度等培养条件相关。相关。v温度愈适合生长，营养成分愈丰富，其呼吸强度的温度愈适合生长，营养成分愈丰富，其呼吸强度的临界值也相应地增长

30、。最适临界值也相应地增长。最适pH值亦然。值亦然。32(五五)CO2的影响的影响v在发酵过程中，微生物在吸收氧气的同时，也呼出在发酵过程中，微生物在吸收氧气的同时，也呼出CO2废气，如不废气，如不及时从发酵液中除去，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代及时从发酵液中除去，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。谢活动。v在相同压力下，在相同压力下，CO2在水中的溶解度是在水中的溶解度是O2溶解度的溶解度的30倍，由于倍，由于O2和和CO2的运输都是靠胞内外浓度差进行的被动扩散，发酵培养基中的运输都是靠胞内外浓度差进行的被动扩散，发酵培养基中积累的积累的CO2如果不能及时地被排出，就会影响菌

31、体内如果不能及时地被排出，就会影响菌体内CO2的排出；的排出；再则再则CO2的溶解也会改变发酵液的的溶解也会改变发酵液的pH值。值。v另外，另外，排除有毒代谢产物如挥发性的有机酸和过量的氨，也有利排除有毒代谢产物如挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。于提高菌体的摄氧量。33第二节 氧在溶液中的传递34一、氧传递的阻力一、氧传递的阻力n在需氧发酵过程中，气态氧必须先溶解于发酵液中，然在需氧发酵过程中，气态氧必须先溶解于发酵液中，然后才可能传递至细胞表面，再经过扩散作用进入细胞内，后才可能传递至细胞表面，再经过扩散作用进入细胞内，参与菌体内的生物化学反应。参与菌体内的生物化学反应。

32、n氧的这一系列传递过程需要克服氧的这一系列传递过程需要克服供氧方面供氧方面和和需氧方面需氧方面的的各种阻力才能完成。各种阻力才能完成。O2气膜发酵液351、供氧方面的阻力、供氧方面的阻力v1)气膜阻力（气膜阻力（1/K1;1/KG）：）：气体穿越气气体穿越气-液界面的气膜阻力，液界面的气膜阻力，与空气情况有关。与空气情况有关。v 2)气液界面阻力（气液界面阻力（1/K2;1/KI）：）：只有具备高能量的氧分子才能透只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气到液相中去，而其余的则返回气相。与空气情况有关。相。与空气情况有关。v 3)液膜阻力（液膜阻力（1/K3;1/KL）：）：从气

33、从气-液界面至液体液膜阻力，液界面至液体液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。与发酵液的成分和浓度有关。v4)液流阻力（液流阻力（1/K4;1/KLB）：）：液体主流中传递的阻力；与发酵液液体主流中传递的阻力；与发酵液的成分和浓度有关。的成分和浓度有关。气膜362、耗氧方面的阻力、耗氧方面的阻力v1）菌丝团周围液膜阻）菌丝团周围液膜阻力（力（1/K5;1/KLC）：）：与与发酵液的成分和浓度有发酵液的成分和浓度有关。关。n2）菌丝丛或菌丝团内的扩散阻力（）菌丝丛或菌丝团内的扩散阻力（1/K6；1/KA）：）：与微与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母生物的种类、生理特性状态有关，单

34、细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。37v3）细胞膜的阻力）细胞膜的阻力（1/K7;1/KW）：）：与与微生物的生理特性微生物的生理特性有关。有关。v4）细胞呼吸酶与氧）细胞呼吸酶与氧反应阻力反应阻力（1/K8;1/KR）：）：氧氧分子与细胞内呼吸分子与细胞内呼吸酶系反酶系反 应时的阻力；应时的阻力；与微生物的种类、与微生物的种类、生理特性有关。生理特性有关。38v影响阻力的因素：影响阻力的因素：空气：空气：1/K1、1/K2；发酵液成分、浓度：发酵液成分、浓度：1/K3、1/K4、1/K5；微生物种类、生理状态：微生物种

35、类、生理状态：1/K6、1/K7、1/K8。v影响阻力的限制因素：影响阻力的限制因素：由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/K3）是氧溶于水时的限制因素。）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，良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少可减少1/K3、1/K4，加速氧的传递。，加速氧的传递。39v由于氧是难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个控制由于氧是难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个控制过程，即过程，即1/k3是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生的湍动可以

36、减少这方面的阻力。的湍动可以减少这方面的阻力。v在耗氧方面，液体主流和细胞壁上氧的浓度相差很小，也就在耗氧方面，液体主流和细胞壁上氧的浓度相差很小，也就是说氧通过细胞周围液膜的阻力很小，但此液膜阻力随细胞是说氧通过细胞周围液膜的阻力很小，但此液膜阻力随细胞外径的增加而增大。在有搅拌的情况下，结团现象减少，液外径的增加而增大。在有搅拌的情况下，结团现象减少，液体和菌丝间的相对运动增加，因而减少了膜厚，也减少了阻体和菌丝间的相对运动增加，因而减少了膜厚，也减少了阻力。力。40v通常耗氧方面阻力主要是通常耗氧方面阻力主要是1/k6与与 1/k7，即由菌丝丛内扩散阻力，即由菌丝丛内扩散阻力与细胞膜阻力

37、所引起，但搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因与细胞膜阻力所引起，但搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。此也可降低这方面的阻力。v至于细胞内反应阻力至于细胞内反应阻力1/k8，可因下列情况而产生：，可因下列情况而产生：（）培养基成分与其相应的酶的作用失活；（）培养基成分与其相应的酶的作用失活；（）一些生理条件如温度、（）一些生理条件如温度、pH值等不适于酶的反应；值等不适于酶的反应；（）一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去。（）一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去。41v氧在传递过程中，需克服的总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力氧在传递过程中，需克服的总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力

38、之和，即：之和，即：R=1/K1+1/K2+1/K3+1/K8v当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时氧的传递速率为：率相等，这时氧的传递速率为：NO2=C C 1 C 2 C 8 R 1/K1 1/K2 1/K8 C 为克服总阻力的动力，是氧在发酵液中的浓度和细胞内之差。C n为各步传递阶段的氧浓度之差。42二、氧的传递方程式二、氧的传递方程式v氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实现这一过程，氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实现这一过程，氧气需要跨过由气氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障，在界

39、面的一侧有液界面构成的屏障，在界面的一侧有气膜气膜，另，另一侧为一侧为液膜液膜，氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根据，氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。气膜液膜气液界面CIPIPCL气相液相P-PICI-CL气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化v从空气主流扩散到气从空气主流扩散到气-液界面液界面的推动力是空气中氧的分压与的推动力是空气中氧的分压与界面处氧分压之差，即界面处氧分压之差，即P-PP-PI I，氧穿过界面溶于液体，继续，氧穿过界面溶于液体，继续扩散到液体中的推动力是界面扩散到液体

40、中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之处氧的浓度与液体中氧浓度之差，即差，即C CI I-C CL L。43v在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率可在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率可表示为：表示为：vN N 单位体积培养液中的氧传递速率，单位体积培养液中的氧传递速率，mmol/mmol/L Lh h；vC C*溶液中溶氧饱和浓度，溶液中溶氧饱和浓度，mmol/Lmmol/L；vC CL L液相中溶氧浓度，液相中溶氧浓度，mmol/Lmmol/L；va a 比表面积比表面积（即单位体积的液体中所含的气（即单位体积的液体中所含的气-液接触面积），液接触面

41、积），m m2/2/m m3 3；v K KL L以氧浓度差为推动力的氧传递系数，以氧浓度差为推动力的氧传递系数，m/hm/h；v由于由于“a a”不易测得，因此常将不易测得，因此常将 K KL La a作为一项来处理，称为作为一项来处理，称为体积氧体积氧传递系数传递系数或或供氧系数供氧系数，单位为，单位为 1/h1/h。N=KL a(C*CL)v对于难溶性气体，如氧气从气相主体扩散到液相主体，对于难溶性气体，如氧气从气相主体扩散到液相主体，气膜传递阻力气膜传递阻力远小于远小于液膜传递阻力，液膜传递阻力，可忽略不计，因此，可忽略不计，因此，氧的传递速率氧的传递速率也就只与也就只与液液相中溶氧浓

42、度有关。相中溶氧浓度有关。44v当发酵液中的溶解氧浓度不是菌体生长和产物合当发酵液中的溶解氧浓度不是菌体生长和产物合成的限制因素时，则此状态下的总需氧速率为：成的限制因素时，则此状态下的总需氧速率为：v N=QO2 X=rN：需氧速率，mmol/Lh；QO2：氧比消耗速率(呼吸强度)，mmol/gh；X：菌体浓度，g/L；r：培养物的摄氧率，mmol/Lh。45v发酵过程中，当发酵液中的溶氧浓度不随时间而变化发酵过程中，当发酵液中的溶氧浓度不随时间而变化时，时，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率，即该发酵系统的供氧能力与耗氧量达到了平衡状态，

43、即该发酵系统的供氧能力与耗氧量达到了平衡状态，亦即亦即：v KLa(C*-CL)=QO2 X=rv据上式可知：当微生物的摄氧率不变，同时在此条件据上式可知：当微生物的摄氧率不变，同时在此条件下下C*也不改变，也不改变，KLa越大，发酵液中的越大，发酵液中的CL越高，所以越高，所以可用可用KLa的变化来衡量发酵罐的通气效率，的变化来衡量发酵罐的通气效率，高，表示通高，表示通气富裕，低则表示贫乏。气富裕，低则表示贫乏。KLa =rC*-CLv若供氧若供氧速率速率摄摄氧氧速率，即速率，即KLa(C*-CL)，则则发酵液溶氧浓度发酵液溶氧浓度CL会不断增加，趋近于会不断增加，趋近于C*；v若供氧若供氧

44、速率速率摄摄氧氧速率，即速率，即KLa(C*-CL)，则则发酵液溶氧浓度发酵液溶氧浓度CL会逐渐下降，趋近于会逐渐下降，趋近于0。46v实验用的实验用的摇瓶，其摇瓶，其KLa值约为值约为10100 h-1，v带搅拌装置的发酵罐，其带搅拌装置的发酵罐，其KLa值为值为2001000 h-1。v特殊设计的发酵罐的特殊设计的发酵罐的KLa值可达值可达3000 h-1以上，但因以上，但因泡沫太多而无实用价值。泡沫太多而无实用价值。v以上数据是在非生产状态下用亚硫酸钠法测定的，以上数据是在非生产状态下用亚硫酸钠法测定的，在实际生产中，吸收系数只有上述数值的在实际生产中，吸收系数只有上述数值的1/51/3

45、。47双膜理论的局限性双膜理论的局限性v由于传质理论随着生产实践的发展而不断发展，目前双膜理由于传质理论随着生产实践的发展而不断发展，目前双膜理论不足以完全说明气液间传质的现象。论不足以完全说明气液间传质的现象。v例如，膜的存在是以分子扩散为依据，但实际是否存在双膜例如，膜的存在是以分子扩散为依据，但实际是否存在双膜还有疑问，传质不仅仅是分子扩散，还包括各种因素。所以还有疑问，传质不仅仅是分子扩散，还包括各种因素。所以说双膜理论尚不完善，以后又提出过许多理论，如渗透理论、说双膜理论尚不完善，以后又提出过许多理论，如渗透理论、表面更新理论等，但同样尚待完善表面更新理论等，但同样尚待完善.48第三

46、节 影响供氧的因素49v从氧传递方程从氧传递方程 N=KL a(C*CL)v可以看出，影响发酵过程中供氧的主要因素有可以看出，影响发酵过程中供氧的主要因素有氧传递的推动力(C*CL)溶液中饱和溶氧浓度和液相中溶氧浓度之差。液相体积氧传递系数KLa。v所以，凡是影响以上两者的因素，便是影响供氧的所以，凡是影响以上两者的因素，便是影响供氧的因素。因素。50一、影响氧传递推动力一、影响氧传递推动力(C*CL)的因素的因素v要提高推动力，只要能提高要提高推动力，只要能提高C*或减少或减少CL就可以就可以。1、提高饱和溶氧浓度、提高饱和溶氧浓度C*的方法的方法v首先看：影响氧在溶液中饱和浓度的因素：首先

47、看：影响氧在溶液中饱和浓度的因素：v温度温度：随温度升高溶液中的溶解氧的饱和浓度降低。：随温度升高溶液中的溶解氧的饱和浓度降低。这是因为这是因为温度升高，气体分子运动加快所致。温度升高，气体分子运动加快所致。v溶液的组成溶液的组成：随溶质浓度增加氧饱和浓度下降。：随溶质浓度增加氧饱和浓度下降。v氧分压：氧分压：气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度随之增加。气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度随之增加。v罐压：罐压：罐压增加，溶解氧浓度增加。罐压增加，溶解氧浓度增加。51v因此，要因此，要提高提高C*，可，可降低发酵培养温度；降低培养基中营养物质的浓度和黏度；提高氧分压：v但这几方面实施起来局限性都很大

48、：但这几方面实施起来局限性都很大：通过降低发酵的培养温度，可以提高通过降低发酵的培养温度，可以提高C C*。但一般情况。但一般情况下，对于一定发酵产物的工业化发酵生产过程，发酵温度下，对于一定发酵产物的工业化发酵生产过程，发酵温度是依微生物生理特征已经确定，再降低温度的可能性很小。是依微生物生理特征已经确定，再降低温度的可能性很小。提高发酵罐罐压；通人纯氧气：52 提高罐压会减小气泡体积，减少了气提高罐压会减小气泡体积，减少了气-液接触面积，影响液接触面积，影响氧的传递速率，降低氧的溶解度，影响菌体的呼吸强度，同氧的传递速率，降低氧的溶解度，影响菌体的呼吸强度，同时增加设备的耐压负担；时增加设

49、备的耐压负担；还有，还有，提高罐压，提高罐压，但同时但同时CO2的溶解浓度也会增加且更高，的溶解浓度也会增加且更高，因因CO2的溶解度比的溶解度比O2高高30倍，这会影响倍，这会影响pH和菌的生理代谢。和菌的生理代谢。通入纯氧能显著提高通入纯氧能显著提高C*，但此种方法既不经济又不安全，但此种方法既不经济又不安全，同时易出现微生物的氧中毒现象。同时易出现微生物的氧中毒现象。发酵培养基的组成是依据生产菌种的生理特性和生物合成发酵培养基的组成是依据生产菌种的生理特性和生物合成代谢产物的需要确定的，一般不能随意改动，但在发酵的中代谢产物的需要确定的，一般不能随意改动，但在发酵的中后期，由于发酵液黏度

50、太大，显著影响氧气的传递时，可通后期，由于发酵液黏度太大，显著影响氧气的传递时，可通过补水降低发酵液的黏度，改善供氧效率，促进代谢产物的过补水降低发酵液的黏度，改善供氧效率，促进代谢产物的合成。合成。532、降低发酵液中的溶氧浓度、降低发酵液中的溶氧浓度 CL减少通气量；减少通气量；降低搅拌转速。降低搅拌转速。v但是，但是，发酵过程中发酵液中的发酵过程中发酵液中的CL不能低于不能低于C临界临界，否则就，否则就会影响微生物的生长和代谢产物积累。会影响微生物的生长和代谢产物积累。在实际发酵生产中，为了增加发酵的产量，增加菌体在实际发酵生产中，为了增加发酵的产量，增加菌体浓度是普遍采用的方式。在高菌