5氧供需与传递

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1、第五章氧的供需与传递1本章内容一、微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制二、培养过程中氧的传质理论三、溶氧传递系数的测定方法四、影响氧传递速率的主要因素五、发酵液中溶解氧的测定和控制2第一节微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制溶氧(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。3一、微生物需氧量的表示方式(1)呼吸强度（比耗氧速率）QO2：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。单位：mmolO2/（kg干菌体·

2、h）。(2)摄氧率γ（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。单位：γ=QO2·xx——细胞浓度，kg(干重)/m34二、临界氧浓度Ccr的定义微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，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，称为临界氧浓度，以C临界表示。5一般对于微生物：CCr:＝0.003～0.15（mmol/L)某些微生物的临界氧浓度微生物临界氧浓度温度（℃）固氮菌1.8-4.9×10-230大肠杆菌8.2×10-337粘质沙雷氏菌1.5×10-231假单胞菌9×10-330酵母4.6×10-334.

3、5产黄青霉2.2×10-224米曲霉2.0×10-3306影响需氧的因素r=QO2.X菌体浓度QO2微生物种类菌龄培养基的组成与浓度培养条件代谢类型7溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以必须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。空气中的氧在发酵液中的溶解度很低，大量经过净化处理的无菌空气在给发酵液通气过程中因溶解少，而被浪费掉。因此必须设法提高传氧效率。三、溶解氧控制的意义8◆在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。◆传递过程又可分为供氧及耗氧两个方面。一、氧的传递

4、途径与传质阻力第二节培养过程中氧的传质理论9氧传递的各种阻力示意图供氧阻力耗氧阻力101、供氧方面的阻力1）气膜阻力（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/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/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/kIB）：液体主流中传递的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。112、耗氧方面的阻力1）细胞周围液膜阻力（1/kIC）与发酵液的成分和浓度有关。2）固液界面的传递阻力1

5、/kIS与微生物的生理特性有关。3）菌丝丛或细胞团内的扩散阻力（1/kA）与微生物的种类、生理特性状态有关。4）细胞壁的阻力（1/kW）：与微生物的生理特性有关。5）细胞内反应阻力（1/kR）：与微生物的种类、生理特性有关。12供氧方面◇由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/kL）是氧溶于水时的限制因素。◇良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少1/kL、1/kIB，加速氧的传递。13耗氧方面◇在耗氧方面的主要阻力是1/kA、1/kW。◇1/kR与微生物生长及代谢的条件有关，若生长条件合适，代谢产物能及时移去，则1/kR就会减少，否则就会

6、增大。141/k1、1/k2与空气情况有关1/k3、1/k4、1/k5与发酵液成分、浓度有关1/k6、1/k7、1/k8与微生物的种类、特性、生理状态有关氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程中需克服的总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：1/kt=1/kG+1/kI+1/kL+1/kIB+1/kIC+1/kIS+1/kA+1/kW+1/kR15二、气液相间的氧传递和氧传质方程气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化16传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速率相等，则单位接触界面氧的传递速率为：nO2—单位接触界面的氧传递速率，P、Pi—气

7、相中和气、液界面处氧的分压，MPaCL、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，m/h17若改用总传质系数和总推动力，则在稳定状态时，no2=KG(P-P*)=KL(C*-CL)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，m/sP*—与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，PaC*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，mol/m318根据亨利定律，可以推导下式H表示气体溶解于相应溶液的难度（亨利常数）19氧传质方程在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为OTR=KLa(C*

8、－CL)OTR—单位体积培养液中的氧传递速率，mol/(m3·s)a—比表面积，