第六章第六章 氧的供需与传送氧的供需与传送 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要素，而溶氧往往是最易成为控制要素。 在28氧在发酵液中的100饱和浓度只需0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。 在对数生长期即使发酵液中的溶氧能到达100空气饱和度，假设此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒(分)钟之内便耗竭，使溶氧成为限制要素。 第六章第六章 氧的供需与传送氧的供需与传送p微生物细胞对氧的需求微生物细胞对氧的需求p氧在液体中的溶解特性氧在液体中的溶解特性p影响氧的传送速率的主要要素影响氧的传送速率的主要要素p控制溶氧的工艺手段控制溶氧的工艺手段第一节第一节 微生物细胞对氧的需求微生物细胞对氧的需求p好气性微生物的生长发育和代谢活动都需求耗费氧好气性微生物的生长发育和代谢活动都需求耗费氧气。在发酵过程中必需供应适量无菌空气，才干使气。在发酵过程中必需供应适量无菌空气，才干使菌体生长繁衍，积累所需求的代谢产物。菌体生长繁衍，积累所需求的代谢产物。p微生物只能利用溶解于液体中的氧。微生物只能利用溶解于液体中的氧。p由于各种好气微生物所含的氧化酶体系如过氧化由于各种好气微生物所含的氧化酶体系如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种等的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。一、发酵过程中氧的需求一、发酵过程中氧的需求p几个重要根本参数几个重要根本参数p呼吸呼吸强度比耗氧速率度比耗氧速率p 单位位质量的菌体量的菌体( (以干重以干重计) )在在单位位时间内耗内耗费氧的量氧的量mmolO2/mmolO2/g g干干细胞胞h h 。p 用用Qo2 Qo2 表示。表示。一、发酵过程中氧的需求一、发酵过程中氧的需求p几个重要根本参数几个重要根本参数p耗氧速率耗氧速率p 指指单位体位体积培育液在培育液在单位位时间内的耗内的耗费氧的量，以氧的量，以 r r 表示，表示，单位位为mmolO2/Lh mmolO2/Lh 。一、发酵过程中氧的需求一、发酵过程中氧的需求p几个重要根本参数几个重要根本参数p r=Qo2X r=Qo2Xp式中：式中： r - r -耗氧速率耗氧速率mmolO2/LhmmolO2/Lh；p Qo2- Qo2-菌体呼吸菌体呼吸强度度 mmolO2/ mmolO2/g g干干细胞胞h h ；p X - X -发酵液中菌体酵液中菌体浓度，度，g/Lg/L一、发酵过程中氧的需求一、发酵过程中氧的需求p几个重要根本参数几个重要根本参数p临界氧浓度临界氧浓度p 在溶氧浓度低时，在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度呼吸强度随溶解氧浓度的添加而添加，当溶氧的添加而添加，当溶氧浓度到达某一值后，呼浓度到达某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓吸强度不再随溶解氧浓度的添加而变化时的溶度的添加而变化时的溶解氧浓度解氧浓度 。用。用C C临界表临界表示示C C临界临界p 满足微生物呼吸的最低溶氧浓度,对产物而言,不影响产物合成所允许的最低氧浓度。p在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。p好氧微生物临界氧浓度大约是饱和浓度的1-25。临界溶氧浓度临界溶氧浓度CCr: 指不影响呼吸所允许的最低指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。溶氧浓度。二、微生物对氧的需求二、微生物对氧的需求普通普通对于微生物：于微生物： CCr: CCr: 1 115%15%饱和和浓度度例：酵母例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉黄青霉 2.2*10-2 mmolL-1, 8.8% 2.2*10-2 mmolL-1, 8.8%定定义：氧：氧饱和度和度发酵液中氧的酵液中氧的浓度度/ /临界溶氧溶度界溶氧溶度对于微生物生于微生物生长，只需控制，只需控制发酵酵过程中氧程中氧饱和度和度1.1.问题：普通微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发问题：普通微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足酵过程中氧很容易满足? ?例：以微生物的耗氧速率例：以微生物的耗氧速率0.052 mmol O2L-1S-1 0.052 mmol O2L-1S-1 计， 0.25/0.052=4.8 0.25/0.052=4.8秒秒( 0.25 ( 0.25 为溶解氧溶解氧浓度度) ) 培育液中的溶解氧最多可用培育液中的溶解氧最多可用4.84.8秒，因此必需延秒，因此必需延续通通气。气。留意：由于留意：由于产物的构成和菌体最适的生物的构成和菌体最适的生长条件，条件，经常不一常不一样： 头孢菌素菌素 卷卷须霉素霉素生生长 5% ( 5% (相相对于于饱和和浓度度 13% 13%产物物 13% 8% 13% 8%细胞培育中耗氧规律A.A.培育初期：培育初期： QO2 QO2逐逐渐增高，增高，x x较小。小。B.B.在在对数生数生长初期：到达初期：到达(QO2 )m(QO2 )m，但此，但此时x x较低，低，并不高。并不高。C.C.C. C. 在在对数生数生长后期：到达后期：到达m, m, 此此时 QO2 QO2 (QO2 )m (QO2 )m ， xxm xxmD. D. 对数生数生长期末：期末：S, OTR, QO2 S, OTR, QO2 而而(QO2 , x , OTR), (QO2 , x , OTR), 虽然然x=xm,x=xm,但但 QO2QO2、 OTR OTR 占主占主导位置，所以位置，所以 E. E. 培育后期：培育后期：S0S0，QO2 , QO2 , 二、微生物对氧的需求二、微生物对氧的需求p影响微生物需氧量的要素很多影响微生物需氧量的要素很多p 菌体浓度菌体浓度X Xp Qo2 Qo2 遗传要素遗传要素p 菌龄菌龄p 营养的成分与浓营养的成分与浓度度p 有害物质的积累有害物质的积累p 培育条件培育条件 r=Qo2X r=Qo2X培育条件培育条件p培育基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等培育基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件等Darlington,1964,酵母成分表示为酵母成分表示为 C3.92H6.5O1.94从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反响可用从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反响可用下式表示：下式表示：7.4CH2+6.O2=C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O碳源的性质决议着发酵的需氧量。碳源的性质决议着发酵的需氧量。菌龄菌龄p幼龄幼龄 呼吸强度大呼吸强度大 但菌体浓度低，总但菌体浓度低，总的耗氧量也低的耗氧量也低p晚龄晚龄 呼吸强度弱，但菌体浓度高，总呼吸强度弱，但菌体浓度高，总的耗氧量也高的耗氧量也高三、培育的目的不同，三、培育的目的不同，选取不同的供氧条件取不同的供氧条件获取取细胞本身：胞本身：坚持溶解氧的持溶解氧的浓度高于度高于临界溶氧界溶氧浓度。从而度。从而满足微生物的最大需氧而足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的得到最高的微生物的细胞胞产量。量。以以获得得细胞代胞代谢产物物为目的，溶氧目的，溶氧对代代谢产物影响有不同的情况物影响有不同的情况代代谢产物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与细胞生胞生长的最正确需氧量一的最正确需氧量一样。 采用供养的采用供养的浓度度大于大于临界溶氧界溶氧浓度。度。pp代代代代谢产谢产物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与细细胞生胞生胞生胞生长长的最正确需氧量高。尽能的最正确需氧量高。尽能的最正确需氧量高。尽能的最正确需氧量高。尽能够够的提高供氧的提高供氧的提高供氧的提高供氧浓浓度。度。度。度。脯氨酸、谷氨酸、脯氨酸、谷氨酸、脯氨酸、谷氨酸、脯氨酸、谷氨酸、赖赖氨酸、氨酸、氨酸、氨酸、苏苏氨酸等。氨酸等。氨酸等。氨酸等。pp代代代代谢产谢产物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与物的生成的最正确需氧量与细细胞生胞生胞生胞生长长的最正确需氧量低。使氧的的最正确需氧量低。使氧的的最正确需氧量低。使氧的的最正确需氧量低。使氧的满满足度小于足度小于足度小于足度小于1 1 1 1，如，如，如，如苯丙氨酸、苯丙氨酸、苯丙氨酸、苯丙氨酸、缬缬氨酸、亮氨酸、氨酸、亮氨酸、氨酸、亮氨酸、氨酸、亮氨酸、头孢头孢霉素的消霉素的消霉素的消霉素的消费费。四、氧在液体中的溶解特性四、氧在液体中的溶解特性p饱和溶氧浓度：饱和溶氧浓度：p 在一定温度和压力下，空气中的在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。氧在水中的溶解度。(mmol/L)(mmol/L)p例：例：25 1105Pa 0.25 mmol/L25 1105Pa 0.25 mmol/L四、氧在液体中的溶解特性四、氧在液体中的溶解特性p影响氧饱和浓度的主要要素影响氧饱和浓度的主要要素p1 1温度温度随温度的升高气体分子的运随温度的升高气体分子的运动加快，使溶液中的加快，使溶液中的氧氧饱和和浓度下降度下降 0.045 g/L氧的氧的浓度是其它度是其它营养物养物质浓度的度的10-3以以下下氧在液体中的溶解特性氧在液体中的溶解特性p影响氧饱和浓度的主要要素影响氧饱和浓度的主要要素p2 2溶液的性质溶液的性质l 一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的一种气体在不同溶液中的溶解程度是不同的l同一种溶液由于其中溶同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶含量不同，氧的溶解度也不同。普通来解度也不同。普通来说，溶，溶质含量愈高，氧的含量愈高，氧的溶解度就越小溶解度就越小 纯氧在不同溶液中的溶解度纯氧在不同溶液中的溶解度2525及及1 1个大气个大气压下下纯氧在不同溶液中的溶解度氧在不同溶液中的溶解度(mmol O2/L) (mmol O2/L) 氧在液体中的溶解特性氧在液体中的溶解特性p影响氧饱和浓度的主要要素影响氧饱和浓度的主要要素p3 3氧分压氧分压 气相中氧气相中氧浓度添加，溶液中溶氧度添加，溶液中溶氧浓度亦随之添加度亦随之添加25 1105Pa 25 1105Pa 空气中氧溶解度空气中氧溶解度0.25 mmol/L0.25 mmol/L 纯氧氧溶解度溶解度1.26 mmol/L1.26 mmol/L 发酵过程溶氧的变化 正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有本人的规律。一发酵过程中溶氧变化分为三个阶段：发酵初期：菌体生酵初期：菌体生长过程，耗氧量程，耗氧量剧增，溶氧增，溶氧浓度明度明显下降，出下降，出现一个低峰。一个低峰。发酵中后期酵中后期: : 对分零售酵来分零售酵来说，溶氧，溶氧变化比化比较小；小；在消在消费后期后期: : 菌体衰老，呼吸减弱，溶氧会逐菌体衰老，呼吸减弱，溶氧会逐渐上升，当菌体自溶，溶氧上升更明上升，当菌体自溶，溶氧上升更明显。 发酵过程中，呵斥溶氧异常变化的缘由：发酵过程中，呵斥溶氧异常变化的缘由： 溶氧异常下降的缘由溶氧异常下降的缘由 溶氧异常上升的缘由溶氧异常上升的缘由污染好气性染好气性杂菌，大量的溶氧被耗菌，大量的溶氧被耗费掉掉菌体代菌体代谢发生异常，需氧量添加，使溶氧下降生异常，需氧量添加，使溶氧下降某些某些设备或工或工艺控制控制发生缺点或生缺点或变化，引起溶氧下降化，引起溶氧下降主要是好氧出主要是好氧出现改改动，如代，如代谢异常，耗氧才干下降异常，耗氧才干下降染上烈性噬菌体，影响最染上烈性噬菌体，影响最为明明显p溶解氧溶解氧浓度度对细胞生胞生长和和产物合成的影响能物合成的影响能够是不同是不同的，所以的，所以须了解了解长菌菌阶段和代段和代谢产物构成物构成阶段的最适段的最适需氧量。需氧量。 p氧氧传送速率已成送速率已成为许多好气性多好气性发酵酵产量的限制要素。量的限制要素。p目前目前, ,在在发酵工酵工业上氧的利用率很低，因此提高上氧的利用率很低，因此提高传氧效氧效率率, ,就能大大降低空气耗就能大大降低空气耗费量量, ,从而降低从而降低设备费和和动力力耗耗费, ,且减少泡沫构成和染菌的且减少泡沫构成和染菌的时机机, , 大大提高大大提高设备利利用率。用率。五、溶解氧控制的意义五、溶解氧控制的意义(一) 供氧的实现方式 摇瓶程度：摇床转速慢，装量多摇瓶程度：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和搅拌缓和，通气缓和 外表通气，膜透析分散外表通气，膜透析分散 摇瓶程度：转速快，装量少摇瓶程度：转速快，装量少 通无菌空气并搅拌通无菌空气并搅拌 气升式气升式 发酵罐程度发酵罐程度需氧量小需氧量小发酵罐发酵罐需氧量大需氧量大(一) 供氧的实现方式 摇瓶程度：摇床转速慢，装量多摇瓶程度：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，搅拌缓和，通气缓和通气缓和 外表通气，外表通气，膜透析分散膜透析分散 摇瓶程度：转速快，装量少摇瓶程度：转速快，装量少 通无菌空气并搅拌通无菌空气并搅拌 气升式气升式 发酵罐程度发酵罐程度需氧量小需氧量小发酵罐发酵罐需氧量大需氧量大一、供氧的实现方式 摇瓶程度：摇床转速慢，装量多摇瓶程度：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓搅拌缓和，通气缓和和 外表通气，膜透析外表通气，膜透析分散分散 摇瓶程度：转速快，装量少摇瓶程度：转速快，装量少 发酵罐程度发酵罐程度需氧量小需氧量小发酵罐发酵罐需氧量大需氧量大第二节第二节 培育过程中的传质实际培育过程中的传质实际气升式通无菌空气并搅拌通无菌空气并搅拌二、氧的传送阻力与传送途径二、氧的传送阻力与传送途径 对于大多数微生物于大多数微生物细胞的培育胞的培育过程，程，细胞分胞分散在培育液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培育液散在培育液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培育液中通往空气来中通往空气来进展。氧从空气泡展。氧从空气泡传送到送到细胞内要抑制胞内要抑制一系列阻力，首先氧一系列阻力，首先氧须从气相溶解于培育基中，然后从气相溶解于培育基中，然后传送到送到细胞内的呼吸胞内的呼吸酶位置上被利用。位置上被利用。213456789气液界面气液界面气泡气泡液膜液膜液相主体液相主体固液界面固液界面细胞胞团液膜液膜细胞膜胞膜细胞胞生物反响生物反响氧的传送氧的传送p双膜双膜实际供氧空气中的氧从空气泡里供氧空气中的氧从空气泡里经过气膜、气液界面和液膜分气膜、气液界面和液膜分散到液体主流中。散到液体主流中。耗氧耗氧好氧微生物只能利用溶解好氧微生物只能利用溶解态的氧，的氧，发酵酵过程中不断地程中不断地经过通通风和和搅拌，使气拌，使气态中的氧中的氧经过一系列的一系列的传送步送步骤到液相。到液相。供氧供氧: :气气液相液相间的氧的氧传送送氧的传送氧的传送p供氧：空气中的氧从空气泡里经过气膜、供氧：空气中的氧从空气泡里经过气膜、气液界面和液膜分散到液体主流中。气液界面和液膜分散到液体主流中。p耗氧：氧分子自液体主流经过液膜、菌耗氧：氧分子自液体主流经过液膜、菌丝丛、细胞膜分散到细胞内丝丛、细胞膜分散到细胞内从气泡中的气相分散从气泡中的气相分散经过气膜到气液界面；气膜到气液界面；经过气液界面；气液界面；从气液界面分散从气液界面分散经过气泡的液膜到液相主体；气泡的液膜到液相主体；液相溶解氧的液相溶解氧的传送；送；从液相主体分散从液相主体分散经过包包围细胞的液膜到大胞的液膜到大细胞外表；胞外表；氧氧经过细胞壁；胞壁；微生物微生物细胞内氧的胞内氧的传送；送；通常通常和和步步传送阻力最大，是整个送阻力最大，是整个过程程的控制步的控制步骤二、气体溶解过程：双膜实际 氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程。 因此，根据这一模型建立起来的气体溶解实际称为双膜实际。气相氧气相氧气相氧气相氧气液接气液接气液接气液接触界面触界面触界面触界面液膜液膜液膜液膜气膜气膜气膜气膜 氧气在气膜中的分散动力来自于空气中的氧氧气在气膜中的分散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧分压之差，即的分压与界面处氧分压之差，即P - PiP - Pi，在液膜，在液膜中分散的动力来自于界面处氧浓度与液体中氧浓中分散的动力来自于界面处氧浓度与液体中氧浓度之差，即度之差，即Ci - CLCi - CL； 两种膜的阻力分别用两种膜的阻力分别用 和和 表示，那么单表示，那么单位界面氧的传送速率为：位界面氧的传送速率为： 由于不能直接测定气膜和液膜处氧的由于不能直接测定气膜和液膜处氧的分压、氧浓度，上试不能直接用于实践操作。分压、氧浓度，上试不能直接用于实践操作。假设将两膜合并起来思索，用总传质系数和假设将两膜合并起来思索，用总传质系数和总推进力来思索上式，那么：总推进力来思索上式，那么： 根据亨利定律，气体的溶解度与该气体的分根据亨利定律，气体的溶解度与该气体的分压成正比，可得：压成正比，可得： 为找出总传质系数与上述气膜、液膜的传送系数之间的关系，将变形，利用亨利定律，将O2浓度换成相对应的分压来表示，得： 再根据提供的关系： ，对于易溶气体如NH3来讲，H很小， 可以忽略，那么 ，此时气体溶解的阻力主要来自于气膜阻力；同得： ，对于难溶气体如O2，H很大， ，此时气体溶解的阻力主要来自于 。第三节第三节 影响氧的传送速率的主要要素影响氧的传送速率的主要要素氧的传送速率总方程式氧的传送速率总方程式OTR=K LOTR=K Lc*-cLc*-cL式中：式中： OTR- OTR-单位体位体积培育液中的培育液中的传氧速率，氧速率，mol/m3smol/m3s； KL- KL-以以浓度差度差为推推进力的力的总传质系数系数m/s)m/s) 比外表比外表积m2/m3)m2/m3) KL- KL-以以浓度差度差为推推进力的体力的体积传送系数，送系数，s-1s-1 是反映是反映发酵罐内氧酵罐内氧传送溶氧才干的一个重送溶氧才干的一个重要参数。要参数。 cL- cL-溶液中氧的溶液中氧的实践践浓度，度，mol/m3mol/m3 c*- c*-与气相中氧分与气相中氧分压p p平衡平衡时溶液中溶液中氧氧浓度度 饱和溶氧和溶氧浓度度mol/m3mol/m3 影响氧传送推进力的要素影响氧传送推进力的要素根据气液根据气液传送速率方程：送速率方程： OTR=K L OTR=K Lc*-cLc*-cL影响供氧的主要要素是推影响供氧的主要要素是推进力力(C* - CL) (C* - CL) 和体和体积氧氧传送系数送系数KLaKLa。要提高推要提高推进力力C*C*CLCL：必需提高：必需提高C*C*，或降低，或降低CL CL 一、提高饱和溶氧浓度一、提高饱和溶氧浓度C*C*的方法的方法p添加罐压添加罐压p但是要留意的是添加罐压虽然提高了氧的分压，但是要留意的是添加罐压虽然提高了氧的分压，从而添加了氧的溶解度，但其他气体成分如从而添加了氧的溶解度，但其他气体成分如CO2CO2分压也相应添加，且由于分压也相应添加，且由于CO2CO2的溶解度比氧大得的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中多，因此不利于液相中CO2CO2的排出，而影响了细胞的排出，而影响了细胞的生长和产物的代谢，所以添加罐压是有一定限的生长和产物的代谢，所以添加罐压是有一定限制的。制的。p添加空气中氧的含量，进展富氧通气操作。添加空气中氧的含量，进展富氧通气操作。p即经过深冷分别法、吸附分别法及膜分别法制得即经过深冷分别法、吸附分别法及膜分别法制得富氧空气，然后通入培育液。目前由于这三种分富氧空气，然后通入培育液。目前由于这三种分别方法的本钱都较高，富氧通气还处于研讨阶段。别方法的本钱都较高，富氧通气还处于研讨阶段。二、降低发酵液中的二、降低发酵液中的CLCL 降降低低发发酵酵液液中中的的CLCL，可可采采取取减减少少通通气气量量或或降降低低搅搅拌拌转转速速等等方方式式来来降降低低KLaKLa，使使发发酵酵液液中中的的CLCL降降低低。但但是是，发发酵酵过过程程中中发发酵酵液液中中的的CLCL不不能能低低于于C C临临界界，否否那那么么就就会会影影响响微微生生物物的的呼呼吸吸。目目前前发发酵酵所所采采用用的的设设备备，其其供供氧氧才才干干已已成成为为限限制制许许多多产产物物合合成成的的主主要要要要素素之之一一，故故此此种方法亦不可取。种方法亦不可取。影响氧传送推进力的要素影响氧传送推进力的要素根据气液根据气液传送速率方程：送速率方程： OTR=K L OTR=K Lc*-cLc*-cL比外表比外表积比外表比外表积越大，氧越大，氧传送速率越大送速率越大气液比外表气液比外表积的大小取决于截留在培育液的气体的大小取决于截留在培育液的气体体体积以及气泡的大小。以及气泡的大小。截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比外表么气泡比外表积就越大。就越大。 三、添加比外表积三、添加比外表积p搅拌对外表积的影响较大，由于搅拌一方面可搅拌对外表积的影响较大，由于搅拌一方面可使气泡在液体中产生复杂的运动，延伸停留时使气泡在液体中产生复杂的运动，延伸停留时间，增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切间，增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切作用又使气泡粉碎，减小气泡的直径。作用又使气泡粉碎，减小气泡的直径。 p增大通气量可添加空气的截留率，从而使比外增大通气量可添加空气的截留率，从而使比外表积增大。表积增大。 影响氧传送推进力的要素影响氧传送推进力的要素根据气液根据气液传送速率方程：送速率方程： OTR=K L OTR=K Lc*-cLc*-cL传送系数送系数KLKL四、影响传送系数四、影响传送系数KLKL的要素的要素p搅拌搅拌p空气线速度空气线速度p空气分布管空气分布管 p培育液的性质培育液的性质p外表活性剂外表活性剂 p离子强度离子强度 p菌体浓度菌体浓度 1 1、搅拌、搅拌 采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方法。法。1 1搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，添加了氧与液体的接触面积，而且小气添加了氧与液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢，相应地氧泡的上升速度要比大气泡慢，相应地氧与液体的接触时间也就增长；与液体的接触时间也就增长；2 2搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，延伸了气线上升而是作螺旋运动上升，延伸了气泡的运动道路，添加了气液的接触时间；泡的运动道路，添加了气液的接触时间；3 3搅拌使菌体分散，防止拌使菌体分散，防止结团，有利于固，有利于固液液传送中的接触面送中的接触面积的添加，使推的添加，使推进力力均一，同均一，同时也减少了菌体外表液膜的厚也减少了菌体外表液膜的厚度，有利于氧的度，有利于氧的传送。送。4 4搅拌使拌使发酵液酵液产生湍流而降低气液界面生湍流而降低气液界面的液膜厚度，减少氧的液膜厚度，减少氧传送送过程的阻力，程的阻力，增大了增大了KLKL值p搅拌拌N N并不是越大越好并不是越大越好p p 剪切力剪切力，对细胞胞损伤，对形状破坏形状破坏p PG, PG,发酵期酵期间搅拌拌热,添添加加传热负荷荷 N2 2、空气线速度、空气线速度p空气的线速度增大，添加了溶氧，氧传空气的线速度增大，添加了溶氧，氧传送系数送系数KLKL相应地也增大。相应地也增大。p过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，气流构成大气泡在轴的周围逸散空气，气流构成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。 3 3、空气分布管、空气分布管p空气分布管的型式、喷口直径及管口与空气分布管的型式、喷口直径及管口与罐底间隔的相对位置对氧溶解速率有较罐底间隔的相对位置对氧溶解速率有较大的影响。大的影响。4 4、培育液的性质、培育液的性质p微生物的生命活动，引起培育液的性质的改动，特别微生物的生命活动，引起培育液的性质的改动，特别是粘度、外表张力、离子液度、密度、分散系数等，是粘度、外表张力、离子液度、密度、分散系数等，从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传送系数送系数KLKL带来很大的影响。带来很大的影响。p发酵液粘度的改动还会影响到液体的湍流性以及界面发酵液粘度的改动还会影响到液体的湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传送系数或液膜阻力，从而影响到氧传送系数KLKL。当发酵液浓。当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传送系数度增大时，粘度也增大，氧传送系数KLKL就降低。就降低。p发酵液中泡沫的大量构成会使菌体与泡沫构成稳定的发酵液中泡沫的大量构成会使菌体与泡沫构成稳定的乳浊液，影响到氧传送系数。乳浊液，影响到氧传送系数。 5 5、外表活性剂、外表活性剂p培育液中消泡用的油脂等具有亲水端和培育液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的外表活性物质分布在气液界面，疏水端的外表活性物质分布在气液界面，增大了传送的阻力，使氧传送系数增大了传送的阻力，使氧传送系数KLKL等等发生变化，发生变化， 外表活性剂的影响外表活性剂的影响 气气液液界界面面厚厚度度, , 1/kL, kL1/kL, kL 气泡气泡变小小, a , a 低低浓度外表活性度外表活性剂时, ,以以a a为主主, KLa, KLa 添加至一定量添加至一定量时, kL, kL降至最低降至最低, KLa, KLa下降下降显著著 再再继续添添加加时，kLkL维持持最最低低程程度度不不再再下下降降，而而aa，此此时KLaKLa从最低点有所上升从最低点有所上升 外表活性外表活性剂的的浓度度KLa受两种趋势影响 外表活性剂月桂基磺酸钠外表活性剂月桂基磺酸钠NaLSO4NaLSO4浓度对浓度对KLaKLa、KLKL和和dada的影响的影响6 6、离子强度、离子强度p普通在电解质溶液中生成的气泡比在水普通在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因此有较大的比外表积。在中小得多，因此有较大的比外表积。在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件下，电解质溶液的氧传送系数件下，电解质溶液的氧传送系数KLKL比水比水大，而且随电解质浓度的添加，大，而且随电解质浓度的添加，KLKL也有也有较大的添加。较大的添加。 7 7、菌体浓度、菌体浓度p培育液中的菌体浓度对培育液中的菌体浓度对KLKL也有很大的影也有很大的影响。响。p细胞胞浓度度 x x，KLa()KLa()菌菌丝浓度度对KLa的影响的影响第四节第四节 体积氧传送系数的测定体积氧传送系数的测定一、亚硫酸盐氧化法一、亚硫酸盐氧化法运用复膜氧电极进展丈量的动态法运用复膜氧电极进展丈量的动态法 1.原理原理 利用利用亚硫酸根在硫酸根在铜或或镁离子作离子作为接触接触剂时被氧迅速氧化的特性来估被氧迅速氧化的特性来估计发酵酵设备的通的通气效果。气效果。 当当亚硫酸硫酸盐浓度度为0.0180.47mol/L，温度温度2045之之间时，与氧反响的速度几，与氧反响的速度几乎不乎不变，用碘量法，用碘量法测定未定未经氧化的氧化的亚硫酸硫酸钠，便可根据便可根据亚硫酸硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解的氧化量来求得氧的溶解量。量。1 1Cu2+Cu2+作催化作催化剂，溶解在水中，溶解在水中O2O2能立刻氧化能立刻氧化SO3-2SO3-2，使之成使之成为SO4-2SO4-2。氧分子一。氧分子一经溶入液相，立刻就被溶入液相，立刻就被复原掉复原掉反响原理： CUSO42Na2SO3 + O2 2Na2SO42 2剩余的剩余的Na2SO3Na2SO3与与过量的碘作用量的碘作用 H2ONa2SO3 + I2 Na2SO4 + 2HI3 3再用再用标定的定的Na2S2O3Na2S2O3滴定剩余的碘滴定剩余的碘2Na2S2O3 + I2 Na2S4O6 + 2NaI2.操作程序：操作程序： 将一定温度的自来水参与将一定温度的自来水参与实验罐内，开罐内，开场搅拌，拌，参与参与亚硫酸硫酸钠晶体，使晶体，使SO3-2浓度度约0. 5mol/L左右；左右；再参与硫酸再参与硫酸铜晶体，使晶体，使Cu2+浓度度约为10-3 mol/L，待完全溶解；通空气，一开待完全溶解；通空气，一开场就接近就接近预定的流量，定的流量，尽快尽快调至所需的空气流量；至所需的空气流量；稳定后立刻定后立刻计时，为氧氧化作用开化作用开场；氧化；氧化时间延延续410min，到，到时停停顿通通气和气和搅拌，准确拌，准确记录氧化氧化时间。 实验前后各用吸管取前后各用吸管取5100ml样液，立刻移入液，立刻移入新吸入的新吸入的过量的量的规范碘液中；然后用范碘液中；然后用规范的硫代硫范的硫代硫酸酸钠溶液，以淀粉溶液，以淀粉为指示指示剂滴定至滴定至终点。点。动动物物物物营营养学理养学理养学理养学理论论教学教学教学教学课课件件件件3.计算方法计算方法:N N：体积溶氧系数：体积溶氧系数S S：取样量：取样量C C：硫代硫酸钠浓度：硫代硫酸钠浓度mol/Lmol/Lt t：两次取样的时间间隔：两次取样的时间间隔P P ：发酵罐的罐压：发酵罐的罐压优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反响优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反响速度快，不需求特殊仪器。速度快，不需求特殊仪器。缺陷：影响要素多，任务容积只能在缺陷：影响要素多，任务容积只能在4 480L80L以内测定才比较可靠。以内测定才比较可靠。二、取样极谱法二、取样极谱法 原原理理：当当电电压压为为0.6-1.0V0.6-1.0V时时，其其分分散散电电流流的的大大小小随随液液体体中中溶解氧的浓度呈正比变化。溶解氧的浓度呈正比变化。p操作：将从发酵罐中取操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的出的样品置入极谱仪的电池中，并记下随时间电池中，并记下随时间而下降的发酵液中的氧而下降的发酵液中的氧浓度浓度CLCL的数值的数值pKLa=Qo2X/ C*-CLKLa=Qo2X/ C*-CLp = =斜率斜率/ C*-CL/ C*-CLC*C* 驱出溶解氧，开出溶解氧，开场通气后，通气后，在被在被测定的定的发酵罐中用氮酵罐中用氮气定气定时取取样，用极，用极谱仪测出溶氧出溶氧浓度度dc/dt=KLa (C*-CL)dc/dt=KLa (C*-CL)KLaKLa2.3032.303斜率斜率Ln(C*-CL)=-KLa t+Ln(C*-CL)=-KLa t+常数常数三、排气法C*C*dissolved oxygen sensorYSI dissolved oxygen sensor控制溶氧的工艺手段控制溶氧的工艺手段 1.1.改动通气速率增大通风量改动通气速率增大通风量 2.2.改动搅拌速度改动搅拌速度 3.3.改动气体组成中的氧分压改动气体组成中的氧分压 4.4.改动罐压改动罐压 5.5.改动发酵液的理化性质改动发酵液的理化性质 6 6参与传氧中间介质参与传氧中间介质 传氧中间介质有：传氧中间介质有：1 1血红蛋白；血红蛋白；2 2烃类碳氢化合烃类碳氢化合物煤油、石蜡、甲苯与水等；物煤油、石蜡、甲苯与水等；3 3含氟碳化物。含氟碳化物。 Thank you！END