第7章 发酵工业中氧的供需.

和的培养液，也只能维持细菌正常呼吸15—30秒，
以后菌体的呼吸就将受到限制。这就要求对需氧的
发酵工业，必须要有适当的通气条件才能维持一定 的生产水平。 ① 空气利用率：通常发酵过程中通入的氧气（ 空气）其利用率仅1—2%，而99-98%的空气被浪费
；而大量的废气又是影起泡沫产生的原因。
② 改进方法：在发酵生产中，任何通气效率的 改进都是降低通气量，并减少泡沫生成。
②非牛顿流体的搅拌功率
罐中非牛顿流体的平均切变率与搅拌速度成正比。
平均切变率 _ r =kN
k—无因次常数
N—搅拌器转速 对不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器 ，k值一般在10-13之间。 在发酵过程中，培养液的黏度系数K、流变特征指数 n表现出时变性。
4、影响供氧的因素
由氧传质方程式：
（2）、对产物。
二氧化碳对发酵的影响
（1）、对菌体：
◆CO2效应：在发酵生产中不同微生物或某一生长 阶段对二氧化碳有着特殊的要求（促进或必须）； ◆通常对菌体生长有抑制作用。排气中高于4％时 ，糖代谢和呼吸速率下降。
原因： CO2作用膜脂质核心部位，改变膜流动性及表 面电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生长受限 制，形态改变；（HCO3- 影响细胞膜的膜蛋白）
在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时pH下降。 糖、CO2、pH三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补 料控制的参数，并认为排气CO2的变化比pH变化更为敏感 ，所以测定排气CO2释放率 （CER）来控制补糖速率。 补糖与溶氧及pH协同控制 补糖速率与CER控制
补糖对排气CO2和pH的影响
大。
（2）影响微生物摄氧率的因素
①菌种； ② 溶解氧浓度； ③细胞浓度； ④培养基成分和浓度： 如：碳源，利用速度不同摄氧率不同； ⑤ pH；

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。

（一）耗氧速率
单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速 率，以r表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：
dc
r dt
Qo2 •X
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h) X ——菌体浓度（g/l)
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耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌 体浓度的不同而不同，其大致范围为：25100mmol/l.h，某些耗氧速率特别高的微生物， 则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物 形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵 中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。
事实上并不需要发酵液中氧的浓度达到饱和 浓度，只要维持在氧的临界浓度以上即可。因此， 应尽可能了解发酵过程中菌的临界氧浓度和达到 最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵 产物形成过程中的最高需氧量，以便分别合理地 供给足够氧气。
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二、微生物的有氧呼吸
1、比生长速率和氧浓度的关系
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（二）比耗氧速率及其与比生长速率与溶氧浓 度的关系
1、比耗氧速率：单位菌体浓度的好氧速率，又 称呼吸强度 。
Qo2
r X
1•(dc) X dt
（6-3）
式中： r——耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 ——比耗氧速率（mmolO2/g.h) X ——菌体浓度（g/l)
第四章 传氧与通气搅拌
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本章主要内容
一、概述 二、微生物有氧呼吸 三、传氧理论 四、影响传氧速率的因素 五、溶氧系数及其测定 六、溶氧控制工艺手段及异常分析
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一、 概述 1、生化反应器通气与搅拌有两个目的: ①使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬 浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从 菌体内向发酵液的传递。 ②供给微生物生长和代谢所需的氧气。

第七章
氧的供需与传递
讲授内容


微生物对氧的需求 氧传递理论 发酵液的流变特性 影响氧传递速率的因素 溶氧系数的测定 控制溶氧的手段
【教学目的与要求】了解发酵液的流变特性， 掌握氧传递理论及影响氧传递的因素、控 制溶氧的手段和溶氧系数的测定方法。 【教学重点与难点】氧传递理论及影响氧传递 的因素、控制溶氧的手段和溶氧系数的测 定方法。


非牛顿流体：不服从牛顿黏性定律，黏度 不是常数，它不仅是温度的函数，而且随 流动状态而变化，因此没有固定的值。 根据非牛顿流体的剪应力和剪应速率（切 变力）的关系可分为以下几种
γ(s-1)
1—牛顿流体
5—凯松流体
2—宾汉塑性流体
3—拟塑性流体 4—涨塑性流体
5.
曲线2
⑴宾汉（bingham ）塑性流体

氧由气泡传递到液相主体 步骤分4步： ⑴氧通过气相边界层传递 到气-液界面上。 ⑵氧分子由气相侧通过 扩散穿过界面。 ⑶在界面液相侧通过液相 滞留层传递到液相主体。 ⑷在液相主体中进行传递扩散。 双膜界面，氧分压与溶液中的 氧浓度处于平衡关系。
稳定的传质过程 传氧速率n相等 n=kG(p-pi)=kL(ci-c)
通常情况下，气液接触界面的氧浓度不可测量， 不能单独使用，为方便采用总传质系数和总推动力， 在稳态下传质速率相等：
n KG ( p p*) KL (C * CL )
n KG ( p p*) KL (C * CL )
KG----以氧分压做推动力总传热系数mol/(m2.s.Pa) KL----氧浓度做推动力总传热系数mol/s P*----与液体主流氧浓度CL平衡的氧分压， Pa c*----与气体主流氧分压p相平衡氧浓度mol/m3 。 根据亨利定律 p=Hc* p*=HCL pI=HcI c*=p/H CL=p*/H cI= pI/H