发酵工程第五章氧的供需与传递

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1、第五章氧的供需与传递氧的供需与传递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第一节微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系微生物的临界氧浓度控制发酵液中溶解氧的意义一、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。二、微生物的临界氧浓度微生物耗氧速率受发酵液中

2、氧浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶解氧浓度有一个最低要求，即“临界氧浓度”，用c临界表示。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

3、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。三、控制发酵液中溶解氧的意义溶解氧饱和度控制溶解氧的意义1、溶解氧溶解氧（DO;DissolvedOxygen)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。难溶：25°C、一个大气压，空气中的O2在纯水中的溶解

4、度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶解度更低。1、溶解氧◆对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体积为10-16m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3molO2/(kgs)，菌体密度为1000kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需氧量为：10-16×1015×1000×0.2×2.6×10-3=0.052molO2/(m3·s)◆0.25÷0.052=4.8(s)培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。发酵液中的[DO]比纯水中的[DO]要小2、饱和度气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相中的浓度，就会达到动态平衡，

5、此时溶解到溶液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此浓度为饱和浓度或平衡浓度。影响饱和度的因素影响饱和度的因素温度：随着温度升高，气体分子运动加快，使饱和浓度下降。温度（ºC）溶解度02.18101.70151.54201.38251.26301.16351.09401.03在1个大气压及不同温度下纯氧在水中的溶解度（mmol/L)影响饱和度的因素当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对氧饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算（适用度为4～33ºC)C*=14.68/(31.6+t)C*--与1个大气压空气相平衡的水中

6、氧的饱和浓度，mol/m3t--溶液的温度，ºC影响饱和度的因素溶液的性质溶质种类：气体在不同性质的溶液中的溶解度是不同的。溶质浓度：通常浓度越高，溶解度越低。溶液浓度mol/L盐酸硫酸氯化钠01.261.261.260.51.211.211.071.01.161.120.892.01.121.020.71在25℃、一个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)影响饱和度的因素氧分压在系统总分压小于5个大气压的情况下，氧的溶解度与总压和其他气体的分压无关，只与氧分压成直线相关，可用Henry定律表示：C*=PO2/HC*—与气相PO2达平衡时溶液中的氧浓度，mmolO2

7、/LPO2—氧分压，PaH—Henry常数（与溶液性质、温度等有关），Pa·L/mmolO2气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加，必要时可向发酵液中通入纯氧以提高溶氧。3、控制溶解氧的意义在好氧深层发酵中，氧气的供应往往成为发酵过程是否成功的重要限制因素之一。微生物只能利用溶解氧，故好氧发酵中必须采用强化供氧。微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系微生物的临界氧浓度控制发酵液中溶解氧的意义氧的供需与传递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