七七 发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需一 微生物对氧的需求发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 一一 微生物对氧的需求微生物对氧的需求好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，供氧对需氧微生物是必不可少的。消耗氧气，供氧对需氧微生物是必不可少的。需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。质中，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。不同菌种及不同菌龄、不同发酵阶段所需的不同菌种及不同菌龄、不同发酵阶段所需的氧是不同的；微生物对氧的需求可用呼吸强氧是不同的；微生物对氧的需求可用呼吸强度和耗氧速率两种方法来描述。度和耗氧速率两种方法来描述。 一 微生物对氧的需求发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 影响微生物好氧的因素影响微生物好氧的因素微生物本身的遗传特征；培养基的成分和浓微生物本身的遗传特征；培养基的成分和浓度；菌龄；发酵条件；代谢类型；度；菌龄；发酵条件；代谢类型；控制溶解氧的意义控制溶解氧的意义微生物进行某种生理活动时，对环境中氧浓微生物进行某种生理活动时，对环境中氧浓度的最低要求。不同种类的微生物的度的最低要求。不同种类的微生物的C临界临界不同，不同，同种微生物在进行不同生理活动时也不同。同种微生物在进行不同生理活动时也不同。发酵液溶氧控制的目的是根据不同发酵阶段，发酵液溶氧控制的目的是根据不同发酵阶段，保证溶氧浓度不低于保证溶氧浓度不低于C临界临界。一 微生物对氧的需求发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 微生物只能从其生活的液体基质中获得氧，微生物只能从其生活的液体基质中获得氧，以供其生理活动。发酵液中所含氧的多少就以供其生理活动。发酵液中所含氧的多少就显得很重要。氧是难溶气体，为满足发酵中显得很重要。氧是难溶气体，为满足发酵中菌体对氧的需求，必须采用强制供氧措施；菌体对氧的需求，必须采用强制供氧措施；另一方面，由于氧有时又可改变菌体的代谢另一方面，由于氧有时又可改变菌体的代谢方向，故又需要根据生产需要适时地调节控方向，故又需要根据生产需要适时地调节控制供氧，这需要根据具体的发酵工艺而定。制供氧，这需要根据具体的发酵工艺而定。二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 二二 发酵过程中氧的传递发酵过程中氧的传递气体交换气体交换 气体分压气体分压混合气体之总压力等于各组分气体压力之和；混合气体之总压力等于各组分气体压力之和；根据根据Avogadro定律，各组分气体的分压在总定律，各组分气体的分压在总压力中所占的百分比，相当于该组分气体在压力中所占的百分比，相当于该组分气体在混合气体中所占容积百分比。混合气体中所占容积百分比。二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 气体的溶解度气体的溶解度假设有一液相区域如水与一气相区域假设有一液相区域如水与一气相区域如空气相接触，那么空气中各种气体分子如空气相接触，那么空气中各种气体分子将撞击液面并进入液体溶解；另一方面，将撞击液面并进入液体溶解；另一方面，气体分子的运动导致气体从液体逸出，这种气体分子的运动导致气体从液体逸出，这种逸出力称为张力。在一定分压下，溶解与逸逸出力称为张力。在一定分压下，溶解与逸出达成动态平衡，即可以把液体中气体的张出达成动态平衡，即可以把液体中气体的张力视为分压，该分压是气体在液相区域内扩力视为分压，该分压是气体在液相区域内扩散的动力。散的动力。二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 氧的传递途径与传质阻力氧的传递途径与传质阻力传递途径传递途径 二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 供氧方面的阻力供氧方面的阻力耗氧方面的阻力耗氧方面的阻力:气膜；：气液界面；：液膜；是该过程阻力的主要来源； ：发酵液；：胞外液膜；：菌丝丛；：细胞膜；：胞内传递；、为耗氧方面的阻力主要来源； 二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 气体溶解过程：双膜理论气体溶解过程：双膜理论 1923年年Whiteman提出了气体溶解过程的传质提出了气体溶解过程的传质模型：双膜理论。模型：双膜理论。要点要点:气液两相接触时，两相间存在稳定的相界面，气液两相接触时，两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜，溶质以分界面两侧各有一个很薄的滞流膜，溶质以分子扩散的方式通过此膜层。子扩散的方式通过此膜层。在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。在两个滞流膜以外的气液两相主体中，由于在两个滞流膜以外的气液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 双膜理论将复杂的相际传质过程归结为两种双膜理论将复杂的相际传质过程归结为两种流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。故，整个相际传质过程的阻力便全部集中在故，整个相际传质过程的阻力便全部集中在两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称双阻两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称双阻力模型。力模型。二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 NA:氧传递速率；氧传递速率；p,pi气相中和气、液界面气相中和气、液界面处氧的分压；处氧的分压；cL,ci：液相中和气、液界面：液相中和气、液界面处氧的浓度；处氧的浓度；kG：气膜传质系数；：气膜传质系数；kL：液：液膜传质系数；膜传质系数；二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 KG:以氧分压差为推动力的总传质系数；以氧分压差为推动力的总传质系数；KL：以氧浓度差为推动力的总传质系数；：以氧浓度差为推动力的总传质系数；p*:与液相中氧浓度与液相中氧浓度 c 相平衡时的氧分压；相平衡时的氧分压；c*:与气相中氧分压与气相中氧分压 p 到达平衡的氧的溶解到达平衡的氧的溶解度；度；上试不能直接用于实际操作。用总传质系上试不能直接用于实际操作。用总传质系数和总推动力来描述，那么上式数和总推动力来描述，那么上式 ：二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 根据亨利定律，可得：根据亨利定律，可得：那么那么NA的表达式可以写为：的表达式可以写为：可得：可得：二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 同样方法可得出同样方法可得出K KL L的表达式：的表达式：对于易溶气体来讲：对于易溶气体来讲：对于难溶气体来讲：对于难溶气体来讲：二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 传质方程传质方程界面面积参数用界面面积参数用a表示，单位：表示，单位：m2/m3 体积溶氧系数体积溶氧系数 KLaNA是氧气的传质速率，即穿越气是氧气的传质速率，即穿越气-液界面的液界面的速率。引入内界面参数速率。引入内界面参数a，用以描述单位体，用以描述单位体积发酵液的传氧速率。积发酵液的传氧速率。二 发酵过程中氧的传递发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 N:氧的传递速率；氧的传递速率；KLa：以浓度差为动力的：以浓度差为动力的体积溶氧系数；体积溶氧系数；KGa：以分压差为推动力的：以分压差为推动力的体积溶氧系数；体积溶氧系数；cL：发酵液中氧浓度；：发酵液中氧浓度；c*：与气相中氧分压：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度；平衡的发酵液氧浓度；p：气相中氧分压；：气相中氧分压；p*：与液相中氧浓度：与液相中氧浓度c平衡的氧分压；平衡的氧分压；H：亨利常数；：亨利常数；三 发酵过程好氧与供氧的动态关系发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 供氧与耗氧的平衡是动态的供氧与耗氧的平衡是动态的 在恒定状态下在恒定状态下三三 发酵过程好氧与供氧的动态关系发酵过程好氧与供氧的动态关系四 影响氧传递的因素发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 四四 影响氧传递的因素影响氧传递的因素推动力因素：温度、溶质、溶剂、氧分压；推动力因素：温度、溶质、溶剂、氧分压；KLa因素：搅拌、设备参数、发酵液性质；因素：搅拌、设备参数、发酵液性质；五 溶氧系数的测定发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 五五 溶氧系数的测定溶氧系数的测定亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法1.1.原理原理在铜离子作为催化剂时，溶解到水中的氧能在铜离子作为催化剂时，溶解到水中的氧能立即氧化其中的亚硫酸根离子，其氧化反响立即氧化其中的亚硫酸根离子，其氧化反响速度在较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无速度在较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无关。关。五 溶氧系数的测定发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 实际上氧分子一经溶入液相，立即就被复原实际上氧分子一经溶入液相，立即就被复原掉。这样的反响特性排除了氧化反响速度成掉。这样的反响特性排除了氧化反响速度成为溶氧阻力的可能，因此，氧溶于液体的速为溶氧阻力的可能，因此，氧溶于液体的速度就是控制此氧化反响的因素。度就是控制此氧化反响的因素。五 溶氧系数的测定发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 在在Cu2+存在下，存在下，2SO32- + O2 2SO42-剩余的剩余的SO32-与过量的标准碘作用：与过量的标准碘作用：SO32- + I2 SO42- + 2I-再用再用Na2S2O3标定液滴定剩余的碘标定液滴定剩余的碘: S2O32- + I2 S4O62- + 2I-反响原理反响原理五 溶氧系数的测定发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 将一定温度将一定温度2045的自来水参加的自来水参加试验罐，参加化学纯的试验罐，参加化学纯的Na2SO3晶体，使晶体，使SO32-约为约为1mol/L，再参加化学纯的，再参加化学纯的CuSO4晶体，使晶体，使Cu2+浓度约为浓度约为10-9mol/L，待完全，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定的流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即的流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时，为氧化作用的开始，氧化时间可以控计时，为氧化作用的开始，氧化时间可以控制在制在520分钟，到停止通气和搅拌，准确分钟，到停止通气和搅拌，准确的记录氧化时间。的记录氧化时间。2.操作操作五 溶氧系数的测定发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 试验前后各用移液管取试验前后各用移液管取10100mL样液，立样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中。然后以淀即移入新吸取的过量标准碘液中。然后以淀粉作指示剂，以硫代硫酸钠标准液滴定至终粉作指示剂，以硫代硫酸钠标准液滴定至终点。点。移液管下端开口离开碘液液面不要超过移液管下端开口离开碘液液面不要超过1cm，以防止氧化。，以防止氧化。五 溶氧系数的测定发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 3.计算方法计算方法根据反响原理：根据反响原理：4Na2S2O3 O2据此算出据此算出N，代入下式即可计算，代入下式即可计算KLa。N：体积溶氧系数；：体积溶氧系数；C：硫代硫酸钠浓度；：硫代硫酸钠浓度；r：时间；：时间；p:罐压；罐压；n:硫代硫酸钠用量；硫代硫酸钠用量；Vs：取样量：取样量发酵工业中氧的供需发酵工业中氧的供需 对发酵罐通风调节的意义。对发酵罐通风调节的意义。影响发酵设备氧传递速率的主要因素。影响发酵设备氧传递速率的主要因素。作业作业