发酵工程_7发酵工业中氧的供给

1、本章内容本章内容n微生物对氧的需求微生物对氧的需求 (为什么要供氧？为什为什么要供氧？为什么要控制溶氧？）么要控制溶氧？）n发酵过程中氧的传递发酵过程中氧的传递（如何实现供氧？如如何实现供氧？如何控制溶氧？）何控制溶氧？）n发酵过程耗氧与供氧的动态关系发酵过程耗氧与供氧的动态关系n影响氧传递的因素影响氧传递的因素n发酵过程中氧传递效率发酵过程中氧传递效率n摄氧率、溶解氧摄氧率、溶解氧、KLa的测定的测定微生物对氧的需求微生物对氧的需求（一）氧在微生物发酵中的作用（一）氧在微生物发酵中的作用（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征（三）微生物的耗氧特征（三）微生物的耗氧特征（四）溶解氧控制的意义

2、（四）溶解氧控制的意义（一）氧在微生物发酵中的作用（一）氧在微生物发酵中的作用（对于好气性微生物而言）（对于好气性微生物而言）v呼吸作用呼吸作用 v直接参与一些生物合成反应直接参与一些生物合成反应 COOHCHOHCHCHO3232（二）可利用氧的特征（二）可利用氧的特征v只有溶解状态的氧才能被微生物利用。只有溶解状态的氧才能被微生物利用。v氧在水中的溶解度氧在水中的溶解度0.25mol/m3, 在发酵液中在发酵液中更小，更小，0.21mol/m3（三）微生物的耗氧特征（三）微生物的耗氧特征1. 微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1) 呼吸强度（比耗氧速率）呼吸强度（比耗氧速率）

3、QO2 ：单位质量干菌体单位质量干菌体在单位时在单位时间内消耗氧的量。单位：间内消耗氧的量。单位：mmolO2/（kg干菌体干菌体h）。）。(2) 摄氧率摄氧率（耗氧速率）：（耗氧速率）：单位体积发酵液单位体积发酵液在单位时间内消耗在单位时间内消耗氧的量。单位：氧的量。单位：=QO2X X以干菌体质量表示的细胞浓度，以干菌体质量表示的细胞浓度，kg(干重干重)/m3)(32hmmmolO2. QO2与溶氧浓度与溶氧浓度CL关系关系k0： 亲和常数（半饱和常数）亲和常数（半饱和常数）. k0越大，亲和能力越小。越大，亲和能力越小。 不同微生物的不同微生物的k0特征值不一样，可以此作为通气操作的特

4、征值不一样，可以此作为通气操作的依据。依据。Ccr：临界氧浓度。各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一临界氧浓度。各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。 酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmolL-1, 8.8%L0Lm2O2OCkC)Q(Q(1) 当当CLCcr时，时， QO2 (QO2)m(2) 当当CL Ccr时，时， QO2随随CL降而降降而降酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系酵母的呼吸强度与溶氧浓度的关系3. 培养过程中细胞耗氧的一般规律培养过程中

5、细胞耗氧的一般规律A. 培养初期：培养初期： QO2逐渐增高，逐渐增高，x较小，较小， 也较小也较小。B. 在对数生长初期：达到在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时，但此时x较低，较低， 并不高并不高。C. 在对数生长后期：达到在对数生长后期：达到m, 此时此时 QO2 (QO2 )m ， x葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 培养基浓度培养基浓度 浓度大浓度大, QO2 ; 浓度小浓度小, QO2菌龄的影响菌龄的影响:一般幼龄菌一般幼龄菌QO2大大,晚龄菌晚龄菌QO2小小v 发酵条件的影响发酵条件的影响 pH值值 通过酶活来影响耗氧特征通过酶活来影响耗氧特征; 温度温度 通过酶活及溶氧来

6、影响耗氧特征：通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T , DO2 v 代谢类型代谢类型(发酵类型发酵类型)的影响的影响 若产物通过若产物通过TCA循环获取循环获取, ,则则QO2高高, ,耗氧量大耗氧量大 若产物通过若产物通过EMP途径获取途径获取, ,则则QO2低低, ,耗氧量小耗氧量小v溶解氧浓度对细胞溶解氧浓度对细胞生长生长和和产物合成产物合成的影响可能是不同的，所的影响可能是不同的，所以须以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。 egeg. . 谷氨酸发酵谷氨酸发酵 v氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。氧传递速率已成为许多好气性发

7、酵产量的限制因素。v氧的溶解度低，通气时空气中氧的利用率低，因此提高传氧氧的溶解度低，通气时空气中氧的利用率低，因此提高传氧效率效率, ,就能大大降低空气消耗量就能大大降低空气消耗量, ,从而从而降低设备费和动力消耗降低设备费和动力消耗。（四）溶解氧控制的意义（四）溶解氧控制的意义发酵过程中氧的传递发酵过程中氧的传递 （一）供氧的实现形式（一）供氧的实现形式（二）发酵过程中氧的传递（二）发酵过程中氧的传递1. 氧的传递途径与传质阻力氧的传递途径与传质阻力2. 气体溶解过程的双膜理论气体溶解过程的双膜理论 3. 氧传递方程氧传递方程（一）（一） 供氧的实现形式供氧的实现形式 摇瓶水平：摇床转速慢

8、，装量多摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和搅拌缓和，通气缓和 表面通气，膜透析（扩散）表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平：转速快，装量少摇瓶水平：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水平发酵罐水平发酵罐发酵罐需氧量小需氧量小需氧量大需氧量大（二）发酵过程中氧的传递（二）发酵过程中氧的传递1.氧的传递途径与传质阻力氧的传递途径与传质阻力氧从气泡到细胞的传递过程示意图氧从气泡到细胞的传递过程示意图1) 气膜传递阻力气膜传递阻力1/kG 2) 气液界面传递阻力气液界面传递阻力1/kI3) 液膜传递阻力液膜传递阻力1/kL 4) 液相传递阻力液相传递阻力1

9、/kLB5) 细胞或细胞团表面的液膜阻力细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC 6) 固液界面传递阻力固液界面传递阻力1/kIS7) 细胞团内的传递阻力细胞团内的传递阻力1/kA8) 细胞膜、细胞壁阻力细胞膜、细胞壁阻力1/kW 9) 反应阻力反应阻力1/kR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n供氧方面主要阻力是供氧方面主要阻力是气膜和液膜阻力气膜和液膜阻力 n耗氧方面主要阻力是耗氧方面主要阻力是细胞团内与细胞膜阻力细胞团内与细胞膜阻力2. 气体溶解过程的双膜理论气体溶解过程的双膜理论气泡和包围着气泡的液体之间气泡和包围着气泡的液体之间存在着存在着界面界面，在界面的气泡一，

10、在界面的气泡一侧存在着一层侧存在着一层气膜气膜，在界面液，在界面液体一侧存在着一层体一侧存在着一层液膜液膜；气膜；气膜内气体分子和液膜内液体分子内气体分子和液膜内液体分子都处于都处于层流状态，氧以浓度差层流状态，氧以浓度差方式透过双膜；气泡内气膜以方式透过双膜；气泡内气膜以外的气体分子处于外的气体分子处于对流状态对流状态，称为气体主流，任一点氧浓度，称为气体主流，任一点氧浓度，氧分压相等；液膜以外的液体氧分压相等；液膜以外的液体分子处于分子处于对流状态对流状态，称为液体，称为液体主流，任一点氧浓度、氧分压主流，任一点氧浓度、氧分压相等。相等。（1）三点假设）三点假设氧在空气中的分压氧溶解于液相

11、的浓度气液接触面气膜 液膜扩散方向ppiCiCLp-piCLCi-双膜理论的气液接触双膜理论的气液接触 在双膜之间界面上，氧分压与在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关溶于液体中氧浓度处于平衡关系系 氧传递过程处于稳定状态时，氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点的氧浓度不随传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。时间而变化。iiCP iiHCP 氧在空气中的分压氧溶解于液相的浓度气液接触面气膜 液膜扩散方向ppiCiCLp-piCLCi-双膜理论的气液接触双膜理论的气液接触(2) 传质理论传质理论v传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各

12、步传质速率相等，则质速率相等，则单位接触界面单位接触界面氧的传递速率为氧的传递速率为 ： nO2单位接触界面的氧传递速率单位接触界面的氧传递速率，P、Pi气相中和气、液界面处氧的分压气相中和气、液界面处氧的分压，MPa CL、Ci液相中和气、液界面处氧的浓度液相中和气、液界面处氧的浓度， kG气膜传质系数气膜传质系数， kL液膜传质系数液膜传质系数，m/hLLiGiOkCCkPPn112阻力推动力)(22hmlOkmo3mkmol)(2MPahmkmol)CC(K)PP(KnL*L*GO2 )(2Pasmmolv若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状

13、态时，KG以氧分压差为总推动力的总传质系数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以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/sP*与液相中氧浓度与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压相平衡时氧的分压，PaC*与气相中氧分压与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度达平衡时氧的浓度，mol/m3根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即：被溶解的分子分数成正比，即：H亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体、亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体、溶剂种类及温度有关溶剂种类及温度有关。*

14、HCP L*HCP iiHCP *OG*G2OPPnK)PP(Kn2 22222OLiOiO*iOiO*Gn)CC(HnPPnPPnPPnPPK1 2211OiGGiOnPPkkPPn2OLiLnCCk1 LLiokCCn/12LGGkHk1K1 由式同理：同理：由于氧气难溶于水，由于氧气难溶于水，H值很大，值很大， , ,说明这一过程液膜阻力是主要因素说明这一过程液膜阻力是主要因素。LGLkHkK111GHk1Lk1LLkK 3. 氧传递方程氧传递方程v用系数用系数a将面积转化成体积，通常将将面积转化成体积，通常将KLa作为一项处理，称作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数。为体积溶氧

15、系数或体积传质系数。v在在单位体积单位体积培养液中，氧的传质速率（培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方气液传质的基本方程式程式）为）为 )(*LLCCaKOTROTR单位体积培养液中氧的传递速率单位体积培养液中氧的传递速率KLa以浓度差为推动力的体积溶氧系数以浓度差为推动力的体积溶氧系数发酵过程耗氧与供氧的动态关系发酵过程耗氧与供氧的动态关系v细胞呼吸的本征要求细胞呼吸的本征要求:v氧传递特征（发酵罐传递性能）氧传递特征（发酵罐传递性能）若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力；传递能力；若需氧量供氧量，则生产能力受微生物

16、限制，需筛选高产若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：2OQxLLmOOLLCKxCQxQCCaKOTR)()(22*系统供氧（传递）系统供氧（传递）微生物耗氧微生物耗氧*)(2CKxQDLamOa*,CCyCKL令令0) 1(12yDyyyDyaa则则12422aDBBByLLLmOLCKCaCKxQCC*)()1 (2变换变换无因次数无因次数Da为为Damkhler 准数，物理意义是细胞的准数，物理意义是细胞的 最大耗氧量与最大供氧量

17、之比。最大耗氧量与最大供氧量之比。当当Da 1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在耗时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在耗 氧限制，整个过程受呼吸速率控制；氧限制，整个过程受呼吸速率控制；当当Da 1时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在供时，细胞的耗氧量最大供氧量，存在供 氧限制，整个过程受氧传递速率控制。氧限制，整个过程受氧传递速率控制。 v对于一个给定的发酵设备和微生物，对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m 已知，假定呼吸只与氧的限制有关，已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则则,为常数为常数,则则 y亦亦x的函数的函数,有形式有形式 xxCK)Q(D1*LamOa2),(x1DB21

18、21a为常数cbxaxxy221稳态过程中，在稳态过程中，在KLa一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响 对于一个培养物来说，最低的通气条件可由下式求得对于一个培养物来说，最低的通气条件可由下式求得 kLa亦亦可称为可称为“通气效率通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通可用来衡量发酵罐的通气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条件贫乏。件贫乏。LOLCCXQaK*2v在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示下式表示:v在稳态时在稳态时,则则 ，则，则XQCCaKdtdC

19、OLLL2)(*0dtdCLaKXQCCLOL2*)(*LLCCaKOTR影响氧传递的因素影响氧传递的因素可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：1. 影响推动力影响推动力C*-CL的因素的因素2. KLa的影响因素的影响因素影响比表面积影响比表面积a的因素的因素影响液膜传递系数影响液膜传递系数kL的因素的因素由气液传递速率方程由气液传递速率方程1. 影响推动力影响推动力C*-CL的因素的因素v氧 在 水 中 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 ， 在氧 在 水 中 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低

20、， 在1.01105Pa和温度在和温度在433的范围内，与空气平衡的的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算: t温度温度, T ，Cw* ，推动力，推动力 6 .316 .14*tCw1) 温度温度2) 溶质溶质A.电解质电解质 1)对于单一电解质对于单一电解质 Ce*氧在电解质溶液中的溶解度氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3 Cw*氧在纯水中的溶解度氧在纯水中的溶解度, mol/m3CE电解质溶液的浓度电解质溶液的浓度,kmol/m3KSechenov常数常数,随气体种类随气体种类,电解质种类和温度变化电解质种类和温度变化.E*e*

21、wKCCClg )C,C(*eE2）对于几种电解质的混合溶液：）对于几种电解质的混合溶液： iii*e*wIhCClgEiCEiiiCZ21I 离子强度离子强度, kmol/m3第第i种离子的浓度种离子的浓度, kmol/m3 Zi第第i种离子的价数种离子的价数, hi第第i种离子的常数种离子的常数, m3/kmolB. 非电解质非电解质Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3CN非电解质或有机物浓度非电解质或有机物浓度, kg/m3k非电解质的非电解质的Sechenov常数常数, m3/kgNnwKCCC*lg)C,C(*nNC. 混合溶液混合溶液(电解质电

22、解质+非电解质非电解质):叠加叠加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3jnjwiiimwCCIhCC*lglg溶质溶质 ， Cm*3) 溶剂溶剂v通常溶剂为水通常溶剂为水; v氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。 4) 氧分压氧分压v提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。v保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧

23、通气等的组分浓度，如：进行富氧通气等。 2. KLa的影响因素的影响因素 发酵罐的形状，结构（几何参数）发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布器（几何参数）搅拌器，空气分布器（几何参数） 通气：表观线速度通气：表观线速度Ws 操作条件操作条件 搅拌：转速搅拌：转速N，搅拌功率搅拌功率PG 发酵液体积发酵液体积V，液柱高度液柱高度HL 发酵液的性质发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子如影响发酵液性质的表面活性剂、离子 强度、菌体量强度、菌体量设备参数设备参数综合综合三类影响因素，有三类影响因素，有其中其中 d搅拌器直径，搅拌器直径，m ; 搅拌器转速，搅拌器转速，s-1 ;

24、 液体密度，液体密度，kg/m3; 液体粘度，液体粘度，Pas ; DL扩散系数扩散系数, m2/s ; 界面张力，界面张力，N/m; Ws 表观线速度，表观线速度，m/s ; g重力加速度重力加速度, 9.81m/s2),(gDWNdfaKLsLKLa的准数关联式的准数关联式 写成准数式写成准数式(无因次式无因次式) 准数RenoldsNdmRe2SherwoodLLDdaK2准数准数LLDdaK212)Nd(23)(2gdN4)(LD5)(sW6)(sWNd准数 Froude2gdN通气准数3NdQWNdNagssW气流准数SchmidtLD准数KLa影响因素的分析依据影响因素的分析依据

25、： 以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例： 合并化简得：合并化简得：LLDdaK20.065 . 12)(Nd19. 02)(gdN5 . 0)(LD6 . 0)(sW32. 0)(siWND6 . 019. 04 . 028. 05 . 051. 12 . 2gWDdNsLKLa=0.06对于牛顿流体发酵液，关联式可以用下式表示对于牛顿流体发酵液，关联式可以用下式表示sGLWVPkaK)(式中，式中，PG通气时的搅拌功率通气时的搅拌功率 V培养液体积培养液体积A. 搅拌对搅拌对KLa的影响的影响v转速转速NPG KLav搅拌作用搅拌作用(影响影响KLa原理原

26、理)将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积，即并，从而增大气液相的接触面积，即aKLa溶氧溶氧搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力，即递过程的阻力，即1/KLKLKLa溶氧溶氧搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中接触面积搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中接触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚的增加，使推动力

27、均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递度，有利于氧的传递vN并不是越大越好并不是越大越好 N剪切力剪切力， 对细胞损伤对细胞损伤，对形态破坏，对形态破坏PG, 发酵期间搅拌热发酵期间搅拌热, 增加传热负荷增加传热负荷 B. 通气对通气对KLa的影响的影响v在通气量在通气量Q较低时较低时, QWs KLaC. 通气、搅拌的关联通气、搅拌的关联对对KLa的影响的影响 v从公式上看从公式上看, PG, Ws, KLa, 但但Ws的增加是有上限的的增加是有上限的, 当当Ws (Ws)m, Ws会通过会通过 、 来影响来影响PG, 导致导致PG严重下降严重下降. Ws (Ws)m， PG

28、，KLa NdWNas2NdRem= 当通气量超过一定上限时当通气量超过一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去散到液体中去, 而在大量气泡中空转而在大量气泡中空转, 发生发生“过载过载”现象现象, 此时此时搅拌功率搅拌功率PG会大大下降会大大下降, KLa也会大大下降。也会大大下降。 只有只有Q，N同时提高，同时提高，PG才不会大大才不会大大 下降，下降，KLa。sGLWVPKaKlg)(lglg表观空气速度与表观空气速度与KLa的关系的关系A. 设备规模的影响设备规模的影响v单位体积的液体的搅拌功率的指数单位体积的液体的搅拌功率的指数随发酵设备的规

29、模而相随发酵设备的规模而相应变化。应变化。 如如: 小试小试 9L=0.95 中试中试 500L=0.67 生产规模生产规模 27m354m3 =0.50 可见可见, 在放大过程中在放大过程中, KLa在相同条件下会减小在相同条件下会减小.B. 设备形状结构的影响设备形状结构的影响v如如20T的伍式发酵罐的伍式发酵罐: =0.72, =0.11C. 搅拌器形式的影响搅拌器形式的影响: 、数值不同数值不同 对于对于值值:弯叶弯叶平叶平叶箭叶箭叶 对于对于值值:弯叶弯叶箭叶箭叶平叶平叶 但是破碎细胞能力但是破碎细胞能力: 平叶平叶箭叶箭叶弯叶弯叶 翻动流体能力翻动流体能力: 箭叶箭叶弯叶弯叶平叶平

30、叶此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对的相对位置等对KLa都有影响都有影响. 平叶平叶箭叶箭叶弯叶弯叶A. 表面活性剂的影响表面活性剂的影响 表面活性剂的浓度表面活性剂的浓度KLa仍有很大仍有很大下降下降 气液界面厚度气液界面厚度, 1/kL, kL气泡变小气泡变小, a 表面活性剂月桂基磺酸钠（表面活性剂月桂基磺酸钠（NaLSO4）浓度对浓度对KLa、KL和和da的影响的影响B. 离子强度对离子强度对KLa的影响的影响v电解质溶液浓度电解质溶液浓度,则气泡变小则气泡变小,a, KLa;v有机溶质浓度有机溶质浓度,则

31、气泡变小则气泡变小,a, KLa电解质溶液浓度电解质溶液浓度，传氧特性好，传氧特性好(KLa), 但是溶氧特性差（但是溶氧特性差（Ce* ）。具体的，离子强度）。具体的，离子强度I影响影响KLa公式中的公式中的,k值值.vI=00.4时时, =0.40+0.862I/(0.274+I), 且且I,常数常数K. I0.4时时, =0.9, K值不再变化值不再变化.v也随也随I增大而增大，但增大而增大，但I对对的影响较小，的影响较小，在在0.35 0.39之间变之间变化，不如化，不如变化大变化大.C. 菌体浓度菌体浓度v细胞浓度细胞浓度 x，KLa()菌丝浓度对菌丝浓度对KLa的影响的影响发酵过程

32、中的氧传递效率发酵过程中的氧传递效率v定义：每溶解定义：每溶解1kg O2所消耗的电能（千瓦小时所消耗的电能（千瓦小时/kg O2)定义为定义为氧传递效率或传氧效率。氧传递效率或传氧效率。v意义：意义：代表每传递代表每传递1kg O2所需输入的能量，这个能量包括搅拌所需输入的能量，这个能量包括搅拌器和空气压缩机耗用功率的总能量。器和空气压缩机耗用功率的总能量。数值越低，传氧效率越高。数值越低，传氧效率越高。作为评价通气发酵罐的重要指标，可以此作为评价和比作为评价通气发酵罐的重要指标，可以此作为评价和比较不同类型的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的一个较不同类型的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的一

33、个直接手段。直接手段。v传氧效率的测定传氧效率的测定：Na2SO3氧化法测定氧化法测定v传氧效率的比较传氧效率的比较对于大罐和小罐，小罐的传氧效率高；对于大罐和小罐，小罐的传氧效率高；对于相同的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效率高；对于相同的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效率高；对于规模相同，同为牛顿型流体，但发酵液类别不同，对于规模相同，同为牛顿型流体，但发酵液类别不同，在在 KLa相同时，传氧效率基本一致。相同时，传氧效率基本一致。溶解氧溶解氧CL的测定原理与方法的测定原理与方法v化学法化学法v极谱法极谱法v复膜氧电极法复膜氧电极法（1） 化学法化学法v原理：在样品中加入硫酸锰和碱性原

34、理：在样品中加入硫酸锰和碱性KI溶液，生成氢氧化锰溶液，生成氢氧化锰沉淀，沉淀，与溶解氧反应生成锰酸锰，与溶解氧反应生成锰酸锰，再在反应液中加入再在反应液中加入H2SO4, 释放出游离的碘，释放出游离的碘，然后用标准然后用标准Na2S2O3液滴定。液滴定。 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2十十Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十十Na2S4O6v优点：测定较准确，且能得到氧的浓度值。优点：测定较准确，且能得到

35、氧的浓度值。v缺点：当样品中存在氧化还原性物质，测定结果会有缺点：当样品中存在氧化还原性物质，测定结果会有偏差；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判断，偏差；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判断，故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。（2）极谱法）极谱法原理原理：给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考电极（阳极）加上给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考电极（阳极）加上直流电压，当电解电压固定在直流电压，当电解电压固定在0.8V左右时，左右时，与阴极接触的与阴极接触的液体中的溶解氧发生如下氧化还原反应液体中的溶解氧发生如下氧化还原反应而被消耗，而被消耗， 酸性时酸性时 O2

36、+2H+2e H2O2 中性或碱性时中性或碱性时 O22H2O +2e H2O22OH 阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓度差，于是阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓度差，于是液体主液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面体的溶解氧就会扩散到阴极的表面参加电极反应，使电路参加电极反应，使电路中维持一定的电流中维持一定的电流。当氧的扩散过程达到稳定状态时，当氧的扩散过程达到稳定状态时，溶溶解氧浓度与测得的扩散电流成正比解氧浓度与测得的扩散电流成正比。ADFLiCCLCL2ADFLiCLL2氧浓度与扩散电流的关系氧浓度与扩散电流的关系v缺点：如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响缺点：如果样品中含有

37、其它的氧化还原性物质会影响电极反应，从而影响到该法的准确性，使测定结果有电极反应，从而影响到该法的准确性，使测定结果有误差。误差。（3）复膜氧电极法）复膜氧电极法v复膜氧电极类型：极谱型；原电池型复膜氧电极类型：极谱型；原电池型v原理：原理： 复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩散速率。复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩散速率。当扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散速率为：当扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散速率为： no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根据根据Faraday定律，原电池型氧电极的稳定电流为：定律，原

38、电池型氧电极的稳定电流为： i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPL 溶氧电极测定的溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压实际是液体中的氧分压 复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图 （a）极谱型）极谱型 （b）原电池型）原电池型摄氧率摄氧率的测定原理与方法的测定原理与方法 v瓦氏呼吸仪法瓦氏呼吸仪法v物料衡算法物料衡算法v氧电极法氧电极法（1）瓦氏呼吸仪法）瓦氏呼吸仪法v通过测压计测定密闭三通过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速率即角瓶的压力变化速率即氧的消耗速率，根据培氧的消耗速率，根据培养液体积计算摄氧率。养液体积计算摄氧率。（2）物料衡算法）物料衡算法0dtdCL 稳态时，稳态时，LOo

39、ooiiiLLXVQRTpQRTpQdtdCV2)(12oooiiiLORTpQRTpQVXQ（3）氧电极法）氧电极法v如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅拌转速，则拌转速，则（CLCcr）XQdtdCOL2 KLa的测定原理与方法的测定原理与方法v亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法v取样极谱法取样极谱法v物料衡算法物料衡算法v动态法动态法v排气法排气法v复膜电极法复膜电极法（1） 亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法v原理原理亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。的特

40、性来测定发酵设备的氧传递系数。亚硫酸钠的氧化速率远高于溶解氧的溶解速率，亚硫酸钠的氧化速率远高于溶解氧的溶解速率，反反应速率由氧传递速率应速率由氧传递速率OTR控制控制，在浓度范围，在浓度范围0.0180.5kmol/m3、温度在、温度在2045之间，反应速度与亚硫之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。酸钠浓度无关。用碘量法测定用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧传递消耗的速率，即可求得氧传递速率速率OTR, 再由式再由式OTR=KLaC*求出求出 KLa 。 2Na2SO3+O22Na2SO4 H2O+Na2SO3+I2Na2SO4+2HI 2Na2S2O3+ I2Na2S4O6+2

41、NaIv优点优点氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需特殊仪器。特殊仪器。v缺点缺点不及极谱法准确；不及极谱法准确；非培养情况下测定发酵罐的性能，不能对发酵过程实测，非培养情况下测定发酵罐的性能，不能对发酵过程实测，Na2SO3对微生物生长有影响对微生物生长有影响只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L以内以内才较准确可靠才较准确可靠（2）取样极谱法）取样极谱法v原理原理 当电解电压为当电解电压为0.61.0V时，扩散电流的大小与液体时，扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。中溶解氧的浓度呈正比关系。 由式由式 求得求得KLa LLOLLCCCCXQCCaK*2*斜率极谱法工作曲线极谱法工作曲线v优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算出溶氧系数。进而可计算出溶氧系数。v缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的测得的氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。与在发酵罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。 （3） 物料衡算法物料衡算法 v对发酵液中的氧进行物料衡