发酵工程 第五章 氧的供需与传递

第二篇发酵工程机理与过程控制第五章氧的供需与传递第六章微生物发酵机理第七章发酵动力学第八章发酵设备与反应器第九章发酵过程工艺控制第十章发酵染菌及其防治第五章氧的供需与传递好氧微生物在新陈代谢过程中（基质的氧化、菌体的生长、产物的形成）需要氧气，而氧气本身是难溶性的气体，在培养过程中不能向其它的可溶性营养物质一样，一次供应就满足要求，而只能维持很短的时间（15-20s）。在生产过程中必须不断地向培养基中提供足够的氧。

溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。

在28℃，氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。本章内容第一节微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制第二节培养过程中氧的传质理论第三节溶氧传递系数的测定方法第四节影响氧传递速率的主要因素第五节发酵液中溶解氧的测定和控制一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系微生物只能利用溶解于液体中的氧。微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率表示。呼吸强度：单位重量干菌体在单位时间内的吸氧量，以QO2表示。耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，用r表示。第一节微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制二、微生物对氧气的需求临界氧浓度：微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求，C临界表示。好气性微生物深层培养时需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和某些代谢产物的合成，对多数发酵来说，氧的不足会导致代谢异常，产量降低。微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05mmol/L。一般微生物需氧量为25-100mmolO2/L·h。同一微生物在不同条件下需氧量不同。影响微生物需氧量的因素（熟悉）1.微生物种类种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同2.培养基的组成与浓度培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种类和浓度影响尤为显著。一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。3.菌龄不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。例如：菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高4.培养条件pH、温度等一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高5.有毒产物的形成及积累CO2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸作用密切相关。CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因而发酵过程中不及时将培养液中的CO2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌的代谢。难溶：25℃、一个大气压，空气中的O2在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶解度更低。DO作为环境因素对微生物反应有直接影响；DO被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢过程，可视为一种营养性底物。三、控制发酵液中溶解氧（DO;DissolvedOxygen)的意义控制溶解氧的意义:对于好气性发酵来说，氧传递速率是发酵产量和发酵周期的限制因素。微生物只能利用溶解氧，故好氧发酵中必须采用强化供氧。氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补的损失或导致细胞代谢转向不需要的化合物的生成。10

溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不同的影响。

对菌体生长的影响显而易见。

谷氨酸、精氨酸和脯氨酸发酵时，若供氧不足，其积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如金霉素发酵，在生长期短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由HMP途径转向EMP途径，使金霉素产量减少。11

在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。即使是专性好氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O2-和过氧化物基O22-等破坏细胞体现的。另外，次级代谢产物的生产，控制生长不使过量是必须的，否则产量会减少。

如，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。氧的供应（1）实验室中，通过摇瓶机往复运动或偏心旋转运动供氧。（2）中试规模和生产规模的培养装置采用通入无菌压缩空气并同时进行搅拌的方式。（3）近年来开发出无搅拌装置的节能培养设备，如气升式发酵罐。（4）细胞对鼓泡通气和机械搅拌产生的剪切作用敏感。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置上而被利用，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。第二节培养过程中氧的传质理论1.供氧方面的阻力1）气膜阻力（1/k1;1/KG）：为气体主流及气-液界面的气膜阻力，与空气情况有关。2）气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气相。3）液膜阻力（1/k3;1/KL）：为从气-液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。4）液流阻力（1/k4;1/KLB）：液体主流中传递的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。2.耗氧方面的阻力1）细胞周围液膜阻力（1/k5;1/KLC）与发酵液的成分和浓度有关。2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6;1/KA）与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。3）细胞壁、膜的阻力（1/k7;1/KW）：与微生物的生理特性有关。4）细胞内反应阻力（1/k8;1/KR）氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力；与微生物的种类、生理特性有关。3.氧传递过程中要克服的阻力供氧阻力耗氧阻力二、气体溶解过程中的双膜理论氧传递首先从气相扩散到气液两相界面，再进入液相，界面一侧是气膜，一侧是液膜。氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中。气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率，可表示为：OTR=KLα(C*－CL)

OTR—单位体积培养液中的氧传递速率，mol/(m3·s)

α—比表面积，m2/m3

KL—以氧浓度为推动力的传递系数，m/sCL

—液相中氧的浓度，mmol/LC*—与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和浓度，mmol/L对难溶气体而言，氧传递过程中液膜阻力是主要因素；对易溶气体而言，氧传递过程中气膜阻力是主要因素溶氧传递系数（传氧系数）——KLα

第三节溶氧传递系数的测定方法OTR=KLα(C*－CL)测定溶氧传递系数值对于确定其通气效率和确定操作变数对溶氧的影响是十分必要的。一、亚硫酸盐氧化法1.Cu2+作催化剂，溶解在水中O2能立即氧化SO3-2，使之成为SO4-2。（氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉）2.剩余的Na2SO3与过量的碘作用H2ONa2SO3+I2Na2SO4

+2HI3.再用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘2Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaI2Na2SO3+O22Na2SO4CuSO4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10-3mol/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。二、取样极谱法原理：当在发酵液中加入电解电压为0.6-1.0V时，扩散电流的大小与发酵液中溶解氧的浓度成正比，通过测定扩散电流的大小就可以测定传氧系数。极谱法可以通过测定真实培养状态下培养液中的溶解氧浓度，进而计算出传氧系数，但是取出后检测会出现误差。YSIdissolvedoxygensensor一、溶液的性质对氧溶解度的影响与空气平衡的水相中氧浓度为0.265mol/m3。随着温度的升高，水中氧溶解度降低；电解质溶液中，由于发生盐析作用，氧溶解度降低；提高氧在溶液中的方法：适当增加罐压，进行富氧通气。第四节影响氧传递速率的主要因素OTR=KLα(C*－CL)二、气-液比表面积（α）对氧溶解度的影响氧的传递速率与气-液比表面积成正比，因此凡是能影响比表面积的因素，均能够影响氧在溶液中的溶解度。搅拌对比表面积影响较大，截留的气体越多，气泡越小，比表面积越大。适当增大通气量可以增加空气的截留率，形成更多的气泡，使比表面积增大。三、影响氧传递系数的因素搅拌空气线速度空气分布管发酵液性质表面活性剂离子强度菌体浓度1.搅拌1）搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加了氧与液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢，相应地氧与液体的接触时间也就增长；2）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，增加了气液的接触时间；3）搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力；4）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一，同时也减少了菌体表面液膜厚度，有利于氧的传递。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传递系数都有影响。从上表可见，搅拌转速对KLα的影响很大，对微生物的摄氧率也有影响。但过高的搅拌速度不但浪费动力，还会损伤菌体，引起菌体自溶及减产等。2.空气线速度线速度较小时，氧传递系数KLα随通气量的增加而增大。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。当通风量较小（0.02-0.5ml/s）时，气泡的直径与空气喷口直径成正比，即喷口的直径越小，气泡的直径也就越小，相应地溶氧系数就越大。但是，一般发酵工业的通风量远远超过这个范围，此时，气泡的直径与通风量有关，与喷口的直径无关。

采用单管或环型管通风效应不受影响，环型管易堵塞，故发酵工业多采用单管空气分布器。3.空气分布管4.发酵液性质发酵液的粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等会影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传递系数KLα带来很大的影响。当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传递系数KLα就降低。发酵液粘度的改变还会影响到液体的湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传递系数KLα。发酵液中泡沫的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。5.表面活性剂培养液中消泡剂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力，使氧传递系数KLα发生变化。6.离子强度在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件下，电解质溶液的氧传递系数KLα比水大，而且随电解质浓度的增加，KLα也有较大的增加。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。7.菌体浓度培养液中的菌体浓度对KLα也有很大不利的影响。黑曲霉菌体浓度与KLα的关系。

10001.4相对值（KLα

）菌体浓度对KLα的影响

菌体浓度（%W/V）一、溶解氧连续检测的意义发酵液中溶解氧的大小对菌体的代谢特性有直接影响，是发酵过程中控制的一个重要参数。连续测定发酵液中的溶解氧浓度的变化，可随时掌握发酵过程的供氧、需氧情况，反映设备通气效果，以便有效控制发酵过程，为自动化控制创造条件;可以考察工艺是否满足发酵要求;随时发现异常情况（染菌、噬菌体、设备情况）.第五节发酵液中溶解氧的测定和控制1.化学法在样品中加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，即有氢氧化锰生成，与样品中溶解氧反应生成锰酸。再在反应液中加入硫酸，使已化合的溶解氧与碘化钾反应，释放碘，滴定检测。二、发酵液中溶解氧的测定方法注意事项：测定时前四步反应过程要与空气隔绝；测定时样品不能含有氧化还原物质；测定时样品不能有颜色。2.极谱法

极谱型(阴极)：O2+2H++2e→H2O2

原电池型(阴极)：O2+2H2O+4e→4OH-原理：利用通过电流时发生的氧被还原成为双氧水，从而产生一个扩散电流，而扩散电流和溶解氧浓度成正比，测定扩散电流大小就可以测定发酵液中溶解氧浓度。测定的结果一般是相对值。3.压力法恒温密闭容器中，有体积为VL的液体，通入气体压力为P1，体积为VG的气体至平衡时为P2。即有(P1-P2)VG=nRTn=SVL,S=(P1-P2)VG/RTVL,S:氧的溶解度（mol/m3);R:气体常数，T:绝对温度三、控制发酵液中溶解氧的工艺手段影响供氧效果的主要因素有：空气流量、搅拌转速、气体组分中氧分压、罐压、温度和培养基物理性质；影响需氧（耗氧）的因素有：菌体的生理特性、培养基丰富程度、温度等。控制溶解氧的工艺手段改变通气速率改变搅拌速率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加入氧载体氧控制的一般策略1.改变通气速率通过变化KLα来改变供氧能力。低通气量下，增大通气量对提高溶氧浓度有十分显著效果；空气流速十分大的情况下，不改变搅拌转速则会导致溶解氧浓度下降，产生副作用。2.改变搅拌速率通常改变搅拌速度的效果较好。通气泡沫被充分破碎，增加有效气液接触面积；液流湍流增加，气泡周围液膜厚度和菌丝表面液膜厚度减小，延长了气泡在液体中保留时间，提高供氧能力。在转速较低时，增加转速可以提高溶解氧浓度，而转速较高时，提高转速则同样会带来副作用。3.改变气体组成中的氧分压用通入纯氧的方法来改变空气中氧含量，因而提高了供氧能力，但是纯氧的成本相对较高。4.改变罐压增加罐压实际上就是改变氧的分压，从而提高供氧能力，但是此法有缺点。提高罐压就要增加空压机出口压力，增加动力消耗；发酵罐强度也要相应增加；提高罐压后，产生的CO2溶解量也增加，导致pH值发生变化。5.改变发酵液的理化性质菌体的代谢会改变发酵液理化性质；发酵液表面张力、黏度、离子强度等都会影响氧溶解度的大小；可采用添加无菌水、消泡剂等影响发酵液性质的方法改善通气效果。48通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻力，从而提高传氧效率。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体。通常使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、豆油等。5.加入氧载体提高KLa

31一月2023长江大学生科院生物工程系49

长江大学生科院生物工程系5051