07 第七章 氧的供需与传递.ppt

第1页：第七章氧的供需与传递教学内容

本章教学内容：

• 细胞对氧的需求
• 培养过程中氧的传质理论
• 溶解氧的测定方法
• 氧传递系数的测定
• 影响氧传递速率的主要因素
• 控制溶氧的工艺手段

第2页：好氧微生物的供氧与饱和溶氧浓度

好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，只有氧分子存在时才能完成生物氧化作用，因此发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖并积累代谢产物。

饱和溶氧浓度

在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度（mol/m³），发酵液中溶解氧的多少一般以溶解氧浓度表示。

需氧微生物的氧化酶系存在于细胞内原生质中，因此微生物只能利用溶解于液体中的氧。由于各种好气微生物所含氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类和数量不同，在不同环境条件下其吸氧量或呼吸程度也不同。

第3页：比耗氧速率与临界溶氧浓度

比耗氧速率（呼吸强度）

单位质量的干细胞在单位时间内消耗氧的量，molO₂/(kg 干细胞·s)，用 Q_O2 表示。

临界溶氧浓度

好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧浓度（mol/m³）。

摄氧率

单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量，以 r 表示，单位为 molO₂/(m³·s)。

第4页：摄氧率与呼吸强度的关系

2、摄氧率与呼吸强度之间的关系：

r = Q_O2·X

式中：r—微生物耗氧速率，molO₂/(m³·s)；Q_O2—菌体呼吸强度（比耗氧速率），molO₂/(kg 干细胞·s)；X—发酵液中菌体浓度，kg/m³。

判断（教材 P115）：

• 生产中要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶氧浓度
• 溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度
• 碳源种类对细胞的耗氧速度没有影响

第5页：培养时间与细胞浓度对摄氧率的影响

培养液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大影响。细胞的摄氧率与培养时间及细胞浓度有关，例如在链霉素发酵过程中：

• 初始摄氧率为 34 molO₂/(m³·h)
• 补料后（78 h）升为 40.9 molO₂/(m³·h)
• 随着营养物质消耗，94 h 又降到 15—20 molO₂/(m³·h)

课件另给出疣孢漆斑霉分批培养时比耗氧速率随干重、pH 等变化的曲线。

思考：摄氧率和比耗氧速率在细胞培养的哪一阶段达到最高值？

第6页：培养条件对需氧的影响

培养条件（如 pH、温度等）对细胞的需氧要求也有影响，一些有害代谢产物的积累也会抑制细胞的呼吸（教材 P116）。

思考：

1. 何谓氧的满足度？
2. 举例说说各种氨基酸的生产与最佳溶氧浓度的关系，为什么？
3. 举例说说微生物次级代谢产物的生产与临界溶氧浓度的关系。

判断：生产中要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶氧浓度；溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度。

第7页：氧从气泡到细胞的传递过程

1、氧从气泡到细胞的传递过程（教材 P117）：对大多数微生物细胞的培养过程，细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培养液中通入空气来进行。氧从空气泡传递到细胞内要克服一系列阻力：首先氧须从气相溶解于培养基中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上被利用。

传递路径依次为：气液界面 → 气泡液膜 → 液相主体 → 固液界面 → 细胞团 → 液膜 → 细胞膜 → 细胞内生物反应。

第8页：氧传递过程的阻力与路线

问题1：氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服哪几种阻力？

1. 气液界面阻力
2. 气泡液膜阻力
3. 液相主体传递阻力
4. 固液界面阻力
5. 细胞团（菌丝团）内扩散阻力
6. 细胞周围液膜阻力
7. 细胞膜与胞内反应阻力

问题2：氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面，请分别指出这两个过程的传氧路线。

第9页：氧的传递速率总方程式

2、氧的传递速率总方程式：

OTR = K_Lα（c* − c_L）

式中：OTR—单位体积培养液中的传氧速率，mol/(m³·s)；K_L—以浓度差为推动力的总传质系数（m/s）；α—比表面积（m²/m³）；K_Lα—以浓度差为推动力的体积传递系数（s^-1）；c_L—溶液中氧的实际浓度（mol/m³）；c*—与气相中氧分压 p 平衡时溶液中氧浓度（mol/m³）。

第10页：溶解氧的测定方法

三、溶解氧的测定方法：

化学法

优点是测定比较准确，能直接得到氧的浓度，往往是其他测定方法的基础，也常用于衡量其他方法的准确性。

极谱法

利用极谱原理测定溶解氧。

复膜氧电极法

测定的是氧的分压，可在线连续测定。

压力法

通过压力变化换算氧含量。

第11页：传质方程复习与溶氧测定方法小结

复习：氧的传递速率总方程式 OTR = K_Lα（c* − c_L）

• K_L—以浓度差为推动力的总传质系数（m/s）
• α—比表面积（m²/m³）
• K_Lα—以浓度差为推动力的体积传递系数（s^-1）
• c_L—溶液中氧的实际浓度（mol/m³）
• c*—与气相中氧分压 p 平衡时溶液中氧浓度（mol/m³）

测定氧浓度的方法：1、化学法；2、极谱法；3、复膜氧电极法；4、压力法。

第12页：氧传递系数的测定与溶解度影响因素

四、氧传递系数的测定（教材 P126、P128）：

1. 亚硫酸盐氧化法
2. 取样极谱法
3. 物料衡算法
4. 动态法
5. 排气法
6. 复膜电极法

五、影响氧传递速率的主要因素：根据气液传递速率方程 OTR = K_Lα（c* − c_L），凡是影响推动力 c* − c_L、比表面积 α 和传递系数的因素都会影响氧传递速率。

溶液性质对氧溶解度的影响：随温度的升高而降低（P129）；与酸的种类及浓度有关（P130 表）；电解质溶液使氧的溶解度降低（P129）。

第13页：提高氧溶解度的措施与气液比表面积

提高氧在溶液中溶解度的方法：最简单的是增加罐压。但增加罐压虽提高氧分压、增加氧溶解度，其他气体成分（如 CO₂）分压也相应增加，且 CO₂ 溶解度比氧大得多，不利于液相中 CO₂ 排出，影响细胞生长和产物代谢，因此增加罐压有一定限度。另一种方法是增加空气中氧的含量进行富氧通气，即通过深冷分离法、吸附分离法及膜分离法制得富氧空气后通入培养液；目前这三种分离方法成本较高，富氧通气还处于研究阶段。

2、气液比表面积：比表面积为气泡表面积与体积之比，比表面积越大氧传递速率越大。

• A、比表面积大小取决于截留在培养液中的气体体积以及气泡大小：截留气体越多、气泡直径越小，比表面积越大
• B、搅拌对比表面积影响较大：一方面使气泡产生复杂运动、延长停留时间、增大截留率，另一方面剪切作用使气泡粉碎、减小气泡直径
• C、增大通气量可增加空气截留率，使比表面积增大

第14页：搅拌对溶氧的作用

3、搅拌（教材 P133）：搅拌的作用是把通入的气体打碎、强化湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好接触，增加溶氧速率，使微生物悬浮混合均匀，促进代谢产物的传质速率。

搅拌能改善溶氧速率的四个方面：

1. 把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加氧与液体的接触面积，小气泡上升速度慢，接触时间增长
2. 使液体作涡流运动，气泡螺旋上升而非直线上升，延长运动路线、增加气液接触时间
3. 使发酵液呈湍流运动，减少气泡周围液膜厚度与液膜阻力，增大 K_L 值
4. 使菌体分散、避免结团，增加固液传递接触面积并使推动力均一，减少菌体表面液膜厚度

搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。

第15页：机械搅拌改善溶氧的机理

采用机械搅拌是普遍提高溶氧系数的行之有效的方法，它能从以下几个方面改善溶氧速率：

1. 把大气泡打碎成微小气泡，增加接触面积并延长接触时间
2. 使气泡作螺旋运动上升，延长运动路线
3. 形成湍流，减少液膜厚度与液膜阻力，增大 K_L
4. 使菌体分散避免结团，推动力均一，减少菌体表面液膜厚度

思考：1、在发酵生产中，搅拌有何作用？2、搅拌是如何改善溶氧速率的？

第16页：空气线速度与空气分布管

4、空气的线速度：氧传递系数 K_Lα 随空气量的增加而增大，增加通风量时空气线速度相应增大，从而增加溶氧。但过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，气流形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。

5、空气分布管：分布管的型式、喷口直径及管口与罐底距离的相对位置对氧溶解速率有较大影响。通风量较小时，喷口直径越小则气泡直径越小，溶氧系数越大；通风量超过一定值后，气泡直径与通风量有关，与喷口直径无关。

第17页：培养液性质与表面活性剂的影响

6、培养液的性质：发酵过程中微生物分解利用基质、大量繁殖菌体、积累代谢产物等都会引起培养液性质改变，特别是粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等，从而影响气泡大小与稳定性，进而影响氧传递系数 K_Lα。发酵液粘度改变还会影响液体湍流性以及界面或液膜阻力。

• 发酵液浓度增大时粘度增大，K_Lα 降低
• 泡沫大量形成会使菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响氧传递系数

7、表面活性剂：培养液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质分布在气液界面，增大了传递阻力，使 K_Lα 等发生变化。

第18页：离子强度与菌体浓度的影响

8、离子强度：一般在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。在同一气液接触的发酵罐中、同样条件下，电解质溶液的氧传递系数 K_Lα 比水大，且随电解质浓度的增加 K_Lα 也有较大增加。

9、菌体浓度：培养液中的菌体浓度对 K_Lα 有很大影响。图 7-24 给出黑曲霉菌体浓度（% W/V）与 K_Lα 相对值的关系。

思考：电解液浓度增加时，氧传递系数是增加还是减少？氧的溶解度呢？

第19页：控制溶氧的工艺手段

六、控制溶氧的工艺手段主要从供氧和需氧两方面考虑。影响供氧效果的主要因素有：通气流量（通风量）、搅拌速度、气体组分中的氧分压、罐压、温度、培养基的物理性质等；影响需氧的则是菌体的生理特性，如不同菌龄的呼吸强度差别、基质加入时菌体耗氧的增加等。

工艺上主要的控制手段（教材 P135）：

• 改变通气速率（增大通风量）
• 改变搅拌速度——主要是通过变化 K_Lα 来改变供氧能力，改变搅拌速度的效果要比改变通气速率大
• 改变气体组成中的氧分压
• 改变罐压
• 改变发酵液的理化性质

第20页：传氧中间介质的加入

加入传氧中间介质也是控制溶氧的手段之一，常用的有：

• 血红蛋白
• 烃类碳氢化合物（煤油、石蜡、甲苯与水等）
• 含氟碳化物

第21页：第七章氧的供需与传递结束页

第七章氧的供需与传递内容结束。本章重点为摄氧率与临界溶氧浓度、传质速率方程与搅拌通气对供氧的影响，下一章为生物反应器。