第五章氧的供需与传递.ppt

1、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（15-20 s）。因此，在生产过程中必须不断地向培养基中提供足够的氧,实验室：摇瓶。 中间生产规模/生产规模：通风+搅拌。,提供微生物生长和代谢所需的氧，并提高营养物质和代谢物质的传递速度。,一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系 氧作为受氢体，氧直接参与一些生物反应。 好氧微生物所含的氧化酶系：过氧化氢酶，细胞色素氧化酶，黄素脱氢酶，多酚氧化酶等。不同好氧微生物所含的氧化酶系的种类和数量

2、不同，在不同环境条件下，各种微生物的吸氧量或呼吸强度不同。 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。 不同种类的微生物的需氧量不同，一般为25-100mmolO2/(Lh)，但也有个别菌很高。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。,二、溶解氧控制的原因 需氧微生物的氧化酶体系是存在细胞内原生质中，因此微生物只能利用溶解于液体中的氧。 氧是难溶气体，在25、100MPa下，氧在纯水中的溶解度为0.25mmol/L，在发酵液中的溶解度为0.2mmol/L；在谷氨酸发酵的操作条件下，发酵液中氧的饱和浓度约

3、为0.313mmol/L，这样的溶氧浓度菌的正常呼吸只能维持20-30s。由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，就必须采用强化供氧。,氧的溶解度随着温度的升高而下降，随着培养液固形物的增多、或粘度的增加而下降。 发酵工业上氧的利用率很低。如抗生素发酵，被微生物利用的氧不超过经过净化处理的无菌空气中含氧量的2%；在谷氨酸发酵方面氧的利用率为10%-30%。 对于好气性发酵来说，氧传递速率已成为发酵产量和发酵周期的限制因素。同时，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。,供氧对谷氨酸发酵的影响 （1）通风适量 生成谷氨酸 （2）通风过量 生成

4、-酮戊二酸 （3）通风不足 生成乳酸或琥珀酸,谷氨酸发酵时不同容积发酵罐的搅拌转速和通风比,氧的供需 （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。,微生物耗氧量的表示方法 1.摄氧率（r） 单位体积培养液每小时消耗氧的量,单位为mmol(O2)/(Lh)。 2.呼吸强度（QO2） 单位重量的菌体（折干）每小时消耗氧的量，单位为mmol(O2)/g(干菌体)h。 亦称为氧比消耗速率。,第一节 微生

5、物对氧的需求,摄氧率与呼吸强度之间的关系： r QO2X 其中，X：发酵液中菌丝体浓度，g（干菌体）/L 呼吸强度表示微生物的绝对吸氧量，但当培养液中有固体成分存在时，测定有困难，可用耗氧速率表示。,一、微生物对氧的需求,溶解氧的饱和浓度： 一定温度与压力下，气体分子在气液两相中扩散达到动态平衡，此时液相中气体分子的浓度。 符号为：C* C*影响因素： 1.温度 温度，氧饱和度 2.溶液性质 溶质含量，氧饱和度 3.氧分压 气相中氧浓度，氧饱和度,呼吸临界氧浓度（C临界） 在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度增加而增加，当溶氧浓度达到某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的增强而变化，此时的溶解氧

6、浓度称为呼吸临界氧浓度，以C临界表示。 其为微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求。在临界溶氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。 微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05（mmol/L），为饱和浓度的1-25。,临界浓度,在培养过程中不需要使溶解氧浓度达到或接近饱和值，而只要超过某一临界氧浓度即可。 当不存在其他限制性基质时，如果溶氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定； 如果溶氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率大大下降，这时细胞处于半厌氧状态。,第二节传质理论,一、氧的传递途径与传质阻力 分为供氧和耗氧 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流

7、中。 耗氧：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.传递途径,O2,气膜,气液界面,细胞膜,菌丝团,发酵液,液膜,O2,O2,细胞,液膜,氧在溶液中的传递（气体溶解过程：双膜理论） 氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障，在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。,双膜理论的基本前提 （1）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的液体分子都处于层流状态，分

8、子间无对流运动，因此氧的分子只能以扩散方式，即在浓度差推动下而透过双膜。 （2）在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液体主流中也是如此。 （3）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡状态。 （4）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。,二、气体溶解过程：双膜理论,气液界面,气膜动力：P-Pi,液膜动力：Ci-CL,阻力：1/kG,阻力：1/kL,气体扩散方向,气膜,液膜,Ci,CL,空气泡PO2,P,Pi,发酵液,氧传递的阻力,供氧：空气中的氧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：氧自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细

9、胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。,（1）供氧方面的阻力 1/kG 气流主体与气-液界面间的气膜阻力 1/kI 气-液界面阻力 1/kL 从气-液界面至液体主流间的液膜阻力，是氧溶于水时的限制因素 1/kIB 液体主流中的传递阻力,（2）耗氧方面的阻力 1/kIC 液膜阻力 1/kIS 固-液界面阻力 1/kA 菌丝丛或细胞团内的传递阻 1/kW 细胞壁的阻力 1/kR 细胞呼吸酶与氧反应的阻力 1/kIS，1/kA是该过程的主要的耗氧阻力。,氧在传递过程中要克服的总阻力： R=1/kG+1/kI+ +1/kR 当总推动力为C时，氧的传递速率： N=C/R= C1/(1/k

10、G)= = C9/(1/kR) C1 、C2 C9分别为各传递阶段的氧浓度之差。,氧的传递方程式： 式中，N A:氧的传递速率，mmol O2/Lh C*:溶液中溶氧饱和浓度，mmol O2/L CL:溶液主流中的溶氧浓度， mmol O2/L KLa :液相体积氧传递系数，又称通气效率，单位为1/h。KLa可以用来衡量发酵罐的通气效率， KLa越大，通气效率越高。,NA = KLa(C*-CL),一、亚硫酸盐氧化法 1.原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。 当亚硫酸盐浓度为0.018-0.47mol/L，温度20-45之间时，与氧反应的速度在

11、较大范围内与亚硫酸根离子的浓度无关，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。,第三节溶氧传递系数测定方法,2.操作,反应原理：,剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：,再用Na2S2O3滴定剩余的碘：,将一定温度（20-45）的自来水加入实验罐，加入化学纯的Na2SO3晶体，使亚硫酸根约为1M，再加化学纯的CuSO4晶体，使Cu2+浓度约为10-3 M，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时,氧化时间控制在520min。,3.计算方法:,N：体积溶氧系数,S：取样量,C：硫代硫酸钠浓度mol/L,t：两次取样的时间间隔,P

12、：发酵罐的罐压,实验前后各用移液管取10-100mL样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用Na2S2O3标准液滴定至终点,优点：氧溶解和亚硫酸盐浓度无关，反应速度快，不需要特殊仪器。测定方法简单，测定的是亚硫酸盐的水溶液，不是发酵醪，具有相对意义。 缺点：影响因素多，工作容积只能在4-80L以内测定才比较可靠,kLa测定的其他方法,二、取样极谱法 三、物料衡算法 四、排气法 五、复膜电极法,第四节影响氧传递速率的主要因素,液体的性质对氧的溶解度的影响 液体的比表面积 氧传递系数,OTR= KLa(C*-CL),液体的性质对氧的溶解度的影响,溶液的温度：氧气的溶解度随温度的升高

13、而降低。 CW*=14.6/(t+31.6),溶液中电解质的浓度：单一电解质(CW* / Ce*) =KCE Ce*：氧在电解质溶液中的溶解度（mol/m3) CE：电解质溶液的浓度（kmol/m3); CW*：与空气平衡的水中氧浓度（ mol/m3)； K: Sechenov常数； 多元电解质( CW* / Ce*) =hiIi, Ii=(1/2)ZiCEi; 式中hi: 第I种离子的Sechenov常数，m3/kmol, Ii；离子强度kmol/m3; CEi；第I种离子的浓度,kmol/m3,非电解质溶液中，氧气的溶解度随溶质浓度的升高而降低。(CW* / Cn*) =KCN, Cn*氧

14、在非电解质溶液中的溶解度（mol/m3)；CN：非电解质溶液的浓度（kg/m3);,i,培养基中含有电解质和非电解质，氧的溶解度 (CW* / Cm*) = hiIi+ (CW* / Cnj*) , 式中Cm*氧在混合溶液中的溶解度（mol/m3),液体的比表面积,=VG/(/6)dB3 (dB2)/V=6 VG/(dBV), 令H0= VG/V, =6 H0/ dB 气液比表面积与气体的截流率成正比，与气泡的平均直径成反比. 通常，气泡的dB与液体的流体性质（表面张力，密度，黏度）和外部操作条件H0 和搅拌功率PG、发酵液的高度HL,，气泡的上升速度B，通气量QG相关， =6 QG HL /

15、 (dB B V),气泡个数,如何提高饱和溶氧浓度C*？,1.降低培养温度 2.降低培养基中营养物质的含量 3.提高发酵罐内的氧分压 以上三种方法有较大的局限性 4.通入富集氧的空气：值得深入研究,氧传递系数,搅拌：使气泡在液体中产生复杂的运动，延长气体的停 留时间，增大气体的截流率，同时将气泡粉碎，减小气泡 的直径。,空气的线速度：,在一定的范围内，速度的提高会导致氧传递系数的提高。,当超过一定的范围，反而会降低,空气分布管： 与分布管的形式、喷口直径、管口与罐低的相对距离对氧传递系数有影响。,培养液的性质：包括表面张力，密度，黏度，离子浓度，扩散系数等，这些会影响气泡的大小和稳定性和液体的

16、团流性以及界面活膜的阻力。,表面活性剂：,具有亲水端和疏水端的物质，分布在气液界面，增大了传质阻力，使氧的传递系数KLa发生改变(下降）,离子强度：,菌体浓度：,在电解质溶液中生成的气泡比在水中小，因而有较大的比表面积。因而在同样的条件下， 电解质溶液的KLa比水大，并且随着电解质浓度的增加， KLa也有较大的增加。,培养液中的菌体浓度队也有很大的影响。一般地，菌体浓度高， KLa降低。如图所示。,第五节溶氧的测定和控制,化学法 极谱法 压力法,测定方法,MnSO4+2NaOH-Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2-MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2-MnMnO

17、3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI-2MnSO4+I2+3H2O+K2SO4 I2+2Na2S2O3-2NaI+NaS4O6,受样品颜色和还原性的影响,一分子的溶氧-一分子的碘-两分子的硫代硫酸钠,化学法,溶解氧在一定的条件下，被还原成H2O2 酸性时：O2+2H+2e-H2O2 中性或碱性时：O2+2H2O+2e-H2O2+OH-,在待测样液中，加入一个固定电压（0.8V)，在阴极处发生上述反应，使待测液主体与阴极表面附近的液体存在溶氧浓度差，通过测定电流的大小，求出液体的溶氧浓度。,CL=(iL)/(2FDLA),式中：i;电流(A); F:法拉第常数；A:阴极表面的表面积；

18、CL: 待测液的溶氧浓度（mol/m3), L: 液膜厚度（m） DL氧在液相中的分子扩散系数，m2/s;.,反映的准确性受溶液的其它氧化还原物质的影响,极谱法,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=n RT n=SVL, S= (P1-P2)VG/RTVL, S: 氧的溶解度（mol/m3); R: 气体常数，T: 绝对温度,控制溶氧的工艺手段,改变通气速率 （通气量的改变）,在低通气量的条件下，增大通气量对提高Kla效果明显,在通气量已经很大的条件下，再增大通气量，效果不明显，甚至会产生副作用。 如泡沫的生成，水分的蒸发，罐温的升高，以及杂菌感染的几率增加,改变搅拌速度 较明显的增加Kla,通气泡沫被充分粉碎，增加了有效气液接触面积；,使气泡周围的液膜和菌体周围的液膜厚度减小，