氧的供需及对发酵

发酵工业中氧的供需
二 发 酵 过 程 中 氧 的 传 递
kG P Pi k L C i C L
推动力 P Pi C i C L NA 1 1 阻力 kG kL
NA:氧传递速率；p,pi气相中和气、液界面 处氧的分压；cL,ci：液相中和气、液界面 处氧的浓度；kG：气膜传质系数；kL：液 膜传质系数；
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， 以供其生理活动。収酵液中所含氧的多少 就显得很重要。氧是难溶气体，为满足収 酵中菌体对氧的需求，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，这需要根据具体的収 酵工艺而定。
呼吸强度QO2 : mmolO2 gh
耗氧速率r :
mmolO2
L h
二者关系： QO2 x r
发酵工业中氧的供需
影响微生物好氧的因素
一 微 生 物 对 氧 的 需 求
微生物本身的遗传特征；培养基的成分和浓 度；菌龄；収酵条件；代谢类型；
控制溶解氧的意义 微生物迚行某种生理活动时，对环境中氧浓 度的最低要求。不同种类的微生物的C临界不同， 同种微生物在迚行不同生理活动时也不同。 収酵液溶氧控制的目的是根据不同収酵阶段， 保证溶氧浓度不低于C临界。
四 影 响 氧 传 递 的 因 素
推动力因素：温度、溶质、溶剂、氧分压； KLa因素：搅拌、设备参数、収酵液性质；
发酵工业中氧的供需 五 溶氧系数的测定
五 溶 氧 系 数 的 测 定
亚硫酸盐氧化法 1.原理 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，其氧化反应 速度在较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无 关。

kG (p - pi ) k L (ci - cL )
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，选取不同的供 氧条件：
★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再传 递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。

CuSO4 2Na2SO3 + O2 2Na2SO4
2. 剩余的Na2SO3与过量的碘作用 H2O
Na2SO3 + I2
Na2SO4 + 2HI
3. 再用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘 2Na2S2O3 + I2 Na2S4O6 + 2NaI
亚硫酸盐氧化法
操作程序： ◆ 将一定温度的自来水加入试验罐内，开始搅拌， 加入亚硫酸钠晶体，使SO3-2浓度约0. 5mol/L左右； 再加入硫酸铜晶体，使Cu2+浓度约为10-3 mol/L，待 完全溶解；通空气，一开始就接近预定的流量，尽 快调至所需的空气流量；稳定后立即计时，为氧化 作用开始；氧化时间连续4～10min，到时停止通气 和搅拌，准确记录氧化时间。 ◆ 试验前后各用吸管取5～100ml样液，立即移入 新吸入的过量的标准碘液中；然后用标准的硫代硫 酸钠溶液，以淀粉为指示剂滴定至终点。
一、氧的传递途径与传质阻力
氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再
传递到细胞内的呼吸酶位臵上而被利用，这个传 递过程分为供氧和耗氧两方面。
供氧：指空气中氧气从空气泡里通过气膜、气液
界面和液膜扩散到液体主流中；
耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、
细胞膜扩散到细胞内。
1. 供氧方面的阻力
加而增大。当增加通气量时，空气的线速度也 相应增大，从而增加了溶氧，氧传递系数KLα 也增大。
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，“过载”现象。
3. 空气分布管
当通风量较小（0.02-0.5 ml/s）时，气泡的直径与空
降低；
提高氧在溶液中的方法：适当增加罐压，进行

发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。

通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。

一、溶解氧对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。

由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。

溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。

如谷氨酸发酵，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。

需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。

溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。

因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。

最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。

根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。

氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。

第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。

因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。

第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。