第四章氧的傳遞與供需

第四章氧的傳遞與供需氧是一種難溶于水的氣體，在25℃，1×105Pa條件下，氧在純水中的溶解度僅為1.26mmol/L，空氣中的氧在純水中的溶解度更低（0.25mmol/L）。培養(yǎng)基因含有大量的有機和無機物質(zhì)，氧的溶解度比水中還要低。這就決定了大多數(shù)微生物深層培養(yǎng)需要適當?shù)耐L條件，才能維持一定的生產(chǎn)水平。4.1細胞對氧的需求比耗氧速率（）:單位質(zhì)量的細胞（干重）在單位時間內(nèi)消耗氧的量，（也稱呼吸強度）。當氧是限制性基質(zhì)時，比耗氧速率4.1細胞對氧的需求攝氧率(OUR

)：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗氧的量。攝氧率與比耗氧速率有以下關(guān)系:臨界溶氧濃度：當氧為限制性基質(zhì)時，維持細胞正常生長繁殖的最低氧濃度稱為臨界溶氧濃度。微生物的臨界氧濃度大約是飽和濃度的1％-25％。氧在培養(yǎng)液中的溶解度很低，但在培養(yǎng)過程中不需要使溶氧濃度達到或接近飽和值，而只要超過某一臨界氧濃度即可。細胞生長對比耗氧速率的影響在分批培養(yǎng)過程中，在對數(shù)生長初期，比耗氧速率達最大值。但此時細胞濃度尚很低，攝氧率并不高，隨著細胞濃度的迅速增高，培養(yǎng)液的攝氧率也迅速增高，在對數(shù)生長期的后期達到峰值。對數(shù)生長階段結(jié)束，比耗氧速率下降，雖然此時細胞濃度仍有增加但培養(yǎng)液的攝氧率下降。最后因基質(zhì)耗盡，細胞自溶，攝氧率便迅速下降。碳源種類對細胞比耗氧速率的影響

一般微生物細胞利用葡萄糖的速度比其它糖快，因而在含葡萄糖的培養(yǎng)基中表現(xiàn)出較高的比耗氧速率。在分批培養(yǎng)過程中，隨著碳源的消耗，成為限制性基質(zhì)，細胞的呼吸強度下降。補入碳源后，培養(yǎng)液的攝氧率往往有明顯增加。此外，培養(yǎng)條件（如pH，溫度等）對細胞的需氧要求也有影響；一些有害代謝產(chǎn)物的積累，也會抑制細胞的呼吸強度。其他影響因素氧的滿足度

通常溶解氧濃度對細胞生長和產(chǎn)物生成的影響可能是不同的，即對于細胞生長的最佳溶氧濃度不一定是生成產(chǎn)物的最佳氧濃度。溶解氧濃度與臨界氧濃度之比稱為氧的滿足度。氧的滿足度對于谷氨酸和天門冬氨酸類氨基酸的生產(chǎn)，當溶解氧濃度低于臨界氧濃度時，氨基酸的產(chǎn)量下降，但對于苯丙氨酸，纈氨酸和亮氨酸的生產(chǎn)，則在低于臨界氧濃度時獲得最大生產(chǎn)能力，它們的最佳氧濃度分別為臨界氧濃度的0.55、0.60、0.85倍。問題？：請你利用生物化學的知識解釋上述現(xiàn)象的原理？4.2培養(yǎng)過程中氧的傳遞氧從空氣泡傳遞到細胞的過程中需要克服的阻力：1）從氣相主體到氣液界面的氣膜傳遞阻力1／Ka2）氣液界面的傳遞阻力1／Ki3）從氣液界面通過液膜的傳遞阻力1／KL4）液相主體的傳遞阻力1／KLB5）細胞或細胞團表面的傳遞阻力1／KLC6）固液界面的傳遞阻力1／KIS7）細胞團內(nèi)的傳遞阻力1／KA8）細胞壁的阻力1／KW9）反應(yīng)阻力1／KR在以上的這些阻力中：1）－4）項是供氧方面的氧傳遞阻力；5）－9）項是耗氧方面的阻力，而氧從空氣泡到細胞的總傳遞阻力為上述各項傳遞阻力的總和。這種傳遞阻力有主次之分。當細胞以游離狀態(tài)存在于液體中時，阻力7）細胞團內(nèi)的傳遞阻力消失，而當細胞吸附在氣液界面上時，阻力4）5）6）7）消失。培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論基礎(chǔ)氧在克服上述阻力進行傳遞的過程中需要推動力，傳遞中的總推動力就是氣相與細胞內(nèi)的氧分壓之差，這一總推動力消耗于從氣相到細胞內(nèi)的各項串聯(lián)的傳遞阻力。當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等。這時通過單位面積的傳遞速率為：4.2.1

氣－液相間的氧傳遞

氧從氣相傳遞到液相是氣液相間氧的傳遞過程，在此傳遞過程中氣液界面的阻力1／KI可以忽略。1／KLB很小也可以忽略，此時主要的傳遞阻力存在于氣膜和液膜中。雙膜理論的基本假設(shè)假定在氣泡和包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜中的氣體分子與液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)，分子之間無對流運動，因此氧的分子只能以擴散方式，即借助于濃度差而透過雙膜。氣泡內(nèi)除氣膜以外的氣體分子處于對流狀態(tài)，稱為氣流主體，在空氣主流空間的任一點氧分子的濃度相同，液體主流中亦如此。根據(jù)雙膜理論，氧分子是借助于擴散作用透過氣膜，穿過界面進入液膜并形成溶液，然后再以擴散方式透過液膜到達液相主體，當氣－液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的氧傳遞速率相等即:氧傳遞速率計算

根據(jù)亨利定律：對于難溶氣體（如氧），氣膜傳遞阻力與液膜傳遞阻力相比可以忽略不計，即1／HkG<<1/kL，因此kL=KL在單位體積培養(yǎng)液中，氧的傳遞速率為：OTR－單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率mol/m3·s；－比表面積，m2/m3;通常將KL與合并在一起KLa作為一個參數(shù)處理，稱為體積傳遞系數(shù)或容量傳遞系數(shù)（s-1）。4.2.2

液－固相間的氧傳遞穩(wěn)態(tài)時，通過細胞或細胞團外液膜的傳遞速率OTR＝kLCaC(CL-CC)式中：

－液固比表面積m2/m3

Cc－細胞或細胞團表面氧濃度mol/m3假定細胞或細胞團為球形則有因為細胞密度和液體密度非常接近，相對運動速度ω很小，4.2.3

細胞團內(nèi)的氧傳遞氧進入細胞團后，一方面向內(nèi)部擴散，同時不斷被細胞消耗，濃度不斷降低。為簡化起見，我們將細胞團看作一個消耗氧的均勻體，設(shè)其半徑為R，密度為ρ，取其半徑為r處一層厚度為dr的球殼進行物料衡算。4.2.4氧傳遞速率與細胞呼吸關(guān)系培養(yǎng)液中的溶解氧濃度對好氧培養(yǎng)過程有很大的影響，而溶解氧濃度卻依賴于氧傳遞和被利用的相對速率，氧從氣相到液相的傳遞過程中，氣膜對于氧傳遞的阻力來說可以忽略不計，氧傳遞主要是由液膜的傳遞阻力來決定，平衡時氧傳遞速率與細胞呼吸強度之間的關(guān)系可由下式表述：4.2.5氧傳遞系數(shù)的關(guān)聯(lián)在通氣攪拌反應(yīng)器中，氧傳遞系數(shù)很大程度上取決于細胞的大小和氣泡附近的流體力學性質(zhì)。因為氧傳遞的主要阻力是氣泡周圍的液膜阻力，所以氧的擴散是影響質(zhì)量傳遞系數(shù)的主要因素。液相氧傳遞系數(shù)隨氣泡大小變化，當氣泡直徑dp<2.5mm時，KLa正比于擴散系數(shù)的1/2次方，一般區(qū)別大氣泡和小氣泡的臨界直徑為2.5mm。4.3培養(yǎng)基的流變特性培養(yǎng)基的流變特性直接影響動量、熱量和質(zhì)量的有效傳遞繼而影響到各種發(fā)酵條件，如溶氧速率、氣體交換、發(fā)酵溫度、營養(yǎng)物的補充、pH值的調(diào)節(jié)等。所以有必要了解培養(yǎng)液的流變特性。牛頓流體在兩塊相互靠近的平行板之間充滿流體，下板固定不動，給上板施加一作用力F，使上板以一定的速度運動。其中與上板接觸的流體層以與上板相同的速度一起運動，與下板接觸的流體則保持靜止，中間各層因流體的內(nèi)摩擦產(chǎn)生速度不等的平行運動，在流體層中產(chǎn)生速度梯度。當剪應(yīng)力（單位流體面積上的切向力F/A）與速度梯度成正比時，可以用牛頓粘性定律來表示：牛頓流體牛頓型流體服從牛頓粘性定律，其主要特征就是粘度只是溫度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關(guān)，因此是一常數(shù)（如氣體、低分子的液體或溶液）。這意味著發(fā)酵罐中攪拌轉(zhuǎn)速的快慢對粘度沒有影響，并且在同一攪拌轉(zhuǎn)速下，在發(fā)酵罐的全部培養(yǎng)液中的任何局部的粘度相同。非牛頓型流體非牛頓型流體不服從牛頓粘性定律，其粘度不是常數(shù)，它不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動狀態(tài)而異，因此沒有固定的粘度值。根據(jù)非牛頓型流體的剪應(yīng)力與切變率之間的關(guān)系，可分為：擬塑性流體、平漢塑性流體、漲塑性流體、凱松流體。非牛頓型流體擬塑性流體這種流體的主要特征是其粘度隨著剪切速率的增高而降低。因此在同一流體中，不同攪拌轉(zhuǎn)速下，所顯示的粘度不一樣；在同一攪拌轉(zhuǎn)速下，培養(yǎng)液中的剪切速率隨著離開攪拌渦輪的徑向距離，按指數(shù)倍數(shù)降低，所以離開渦輪的徑向距離越遠，粘度越高。擬塑性流體可表示為：非牛頓型流體平漢塑性流體主要特征是當剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，液體不發(fā)生流動，只有當剪應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時才發(fā)生流動。它的流變曲線是不通過原點的直線，其流變特性可用下式表示：屈服應(yīng)力：對應(yīng)于變形過程某一瞬時進行塑性流動所需的真實應(yīng)力叫做該瞬時的屈服應(yīng)力非牛頓型流體漲塑性流體主要特征是其粘度隨著剪應(yīng)力的增高而增高，與擬塑性流體相似，它的流變特征也具有指數(shù)規(guī)律n的數(shù)值越大，非牛頓特性就越顯著。鏈霉素、四環(huán)素和慶大霉素的前期發(fā)酵液及很稀的酵母懸浮液呈現(xiàn)漲塑性。非牛頓型流體凱松流體流動模型為有研究表明青霉素發(fā)酵液為凱松流體。非牛頓型流體非牛頓型流體沒有確定的粘度值，通常把一定切變率下剪應(yīng)力與此切變率之比稱為表觀粘度，即4.4

溶解氧的測定方法化學法極譜法復(fù)膜氧電極法壓力法化學法在樣品中加入硫酸錳和碘化鉀堿性溶液生成氫氧化錳，氫氧化錳和溶解氧反應(yīng)生成錳酸，在上述反應(yīng)液中加入硫酸使生成的錳酸鹽與碘化鉀反應(yīng)，釋放出游離的碘，再用硫代硫酸鈉標準溶液進行滴定。從而計算出溶解氧?；瘜W法的優(yōu)缺點優(yōu)點：測定比較準確，能直接得到氧的濃度，是其它測定方法的基礎(chǔ)。也常用于衡量其它方法的準確性。缺點：但是如果樣品帶有顏色時，這些顏色會干擾測定的終點的判斷。除此之外，樣品中如果有一些氧化還原性物質(zhì)存在，也會影響測定的準確性。因此化學法不適用于直接測定發(fā)酵液中溶解氧的濃度。極譜法基于溶解氧在一定的條件下會被還原成雙氧水的反應(yīng)：給浸在待測樣品中的金屬陰極和陽極加直流電壓，當電壓固定在0.8V左右時，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生上述反應(yīng)而被消耗，陰極表面與液體的主體間就產(chǎn)生一個濃度差，于是液體主體的溶解氧就會擴散到陰極的表面參與電極上的反應(yīng)，電路中能維持一定的電流。當樣品的氧擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，可測得回路中的擴散電流，并按下式計算：由于電極反應(yīng)速度很快，實際上陰極表面的氧濃度Cc可視為零。因此有式：由此可見，溶解氧的濃度與測得的擴散電流成正比，根據(jù)對一系列已知氧濃度的樣品的電流測定將獲得的電流值對氧濃度作圖就可以得到標準曲線。同化學法一樣，如果樣品中含有其它的還原性的物質(zhì)也會影響電極的反應(yīng)。從而影響到該法的準確性，使測定結(jié)果有誤差。復(fù)膜氧電極法復(fù)膜氧電極的陰極材料為鉑或銀，陽極材料為鉛，電解質(zhì)一般為氫氧化鉀或醋酸緩沖液。極譜型復(fù)膜氧電極在使用時需外界加給一定的電壓才能工作；原電池型復(fù)膜氧電極在使用時不需要外界再施加電壓。其電極反應(yīng)為：復(fù)膜氧電極所測得的實際上是氧從液相主體擴散到陰極的擴散速率。氧從液相主體到達陰極表面地推動力是氧的分壓，氧從被測的介質(zhì)經(jīng)過電極膜外側(cè)的滯留液膜、電極膜和電解質(zhì)才擴散到陰極表面，當氧的擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，單位面積氧的擴散速率為：如果所用復(fù)膜氧電極的陰極面積為A，原電池氧電極的穩(wěn)定電流為：由上面公式可知，復(fù)膜氧電極測定的是氧的分壓。壓力法恒溫的密閉容器中裝入體積為VL的樣品液，液面恰好位于容器中的玻璃板處。抽真空除液體中的溶解氣體，然后補充經(jīng)脫氣的溶劑，使液體體積恢復(fù)到VL，從儲氣袋向容器通入氧氣，此時系統(tǒng)中氧壓力為P1，開始攪拌使液體不斷從玻璃板上翻動，進行氣體的吸收，直到氣液達到平衡測定此時的氧壓力為P2，如果容器中氧氣的體積為VG，那么就可求出氧在樣品中的溶解度：4.5氧傳遞系數(shù)的測定亞硫酸鹽氧化法該法在反應(yīng)器中加入亞硫酸鈉溶液，進行通氣攪拌，使亞硫酸鈉與溶解氧生成硫酸鈉。由于亞硫酸鹽的氧化速率遠高于氧的溶解速率，使上述反應(yīng)速度由氣液相的氧傳遞速度控制。通過用碘量法測定亞硫酸鈉的消耗速率，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化量來求出氧的傳遞速率V。因為反應(yīng)進行得很快，液相中氧的濃度為零就可得：計算時，常采用罐壓P作為推動力，同時由于溶液中氧的分壓為零，上式可寫成：V=KGaP優(yōu)點:

氧溶解速度和亞硫酸鹽的濃度無關(guān)，且反應(yīng)速度快，不需特殊儀器。缺點：亞硫酸鹽對微生物的生長有影響，測定不能在真實的培養(yǎng)狀態(tài)下進行，因此測得的數(shù)據(jù)不能完全反映真實培養(yǎng)狀態(tài)下的溶氧情況，且僅能表示培養(yǎng)設(shè)備的通氣效率的優(yōu)劣。物料衡算法對培養(yǎng)液中的氧進行物料衡算：當培養(yǎng)過程中氧的傳遞處于穩(wěn)態(tài)時:物料衡算法攝氧率r可由進氣和排氣中氧的分壓變化而獲得，對于理想混合的反應(yīng)器，C*為與進氣中氧分壓平衡的氧濃度，因此如果已知氧在培養(yǎng)液中的溶解特性，測定進氣氧分壓和液相氧濃度，就可求出KLa。動態(tài)法

當停止向培養(yǎng)液中通氣時，從培養(yǎng)液中溶氧濃度變化速率可以求出攝氧率，待培養(yǎng)液中的溶解氧濃度下降到一定程度時，（不低于臨界溶氧濃度），恢復(fù)通氣，則培養(yǎng)液中溶解氧濃度逐漸升高，最后可恢復(fù)到原來的水平。動態(tài)法排氣法

排氣法是一種在非培養(yǎng)狀態(tài)下進行的測定氧傳遞系數(shù)方法。對于非培養(yǎng)系統(tǒng)，在被測定的培養(yǎng)設(shè)備中先用氮氣趕去液體中的溶解氧或裝入已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl溶液，然后再通入空氣并進行攪拌，定時取樣用極譜儀或其它溶解氧測定儀測出溶解氧的濃度，記錄溶液中的溶解氧濃度隨時間的變化情況，由于這時的攝氧率r=0，對氧的物料衡算就可能化為：排氣法4.6影響氧傳遞速率主要因素操作變量（溫度、壓力、通風量和轉(zhuǎn)速）發(fā)酵液的理化性質(zhì)（粘度、表面張力、氧的溶解度、發(fā)酵液組成及流動狀態(tài)、發(fā)酵類型）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)操作變量—攪拌攪拌攪拌器的形式，直徑，大小，轉(zhuǎn)速，組數(shù)攪拌器間距及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳遞速率都有影響。采用機械攪拌是提高溶氧傳遞系數(shù)行之有效的方法。它能從以下幾個方面改善溶氧速率1）攪拌能把大的空氣氣泡打碎成微小的氣泡，增加了氧與液體的接觸面積。2）攪拌使液體作渦流運動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運動上升，延長了氣泡的運動路線，增加了氣液的接觸時間。3）攪拌使發(fā)酵液呈湍流運動，從而減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，增大了KLa。4）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團，有利于固液傳遞中接觸面積的增加，使推動力均一，同時也減少了菌體表面液膜的厚度有利于氧的傳遞。操作變量—溫度、壓力溫度和壓力溫度升高降低了發(fā)酵液的粘度與液體的表面張力，增大了氧在液相中的擴散系數(shù)，有利于提高溶氧速率。罐壓高低和液柱高低的不同，都會影響氧溶解速率。通用式發(fā)酵罐中，通氣量恒定，溶氧速率隨壓力的增加而增加，同時，KLa值也隨壓力增加而增大。操作變量—通風量空氣的線速度氧傳遞系數(shù)Kla是隨空氣量的增加而增大的，當增加通風量時，空氣的線速度也相應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)Kla也相應(yīng)增大，當然過大的空氣線速度會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速度大大降低。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)攪拌器空氣分布管空氣分布管的形式，噴口直徑及管口與罐底距離的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。當通氣量較小時，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，氧傳遞系數(shù)也就越大，而當通氣量超過一定值后，氣泡的直徑與通氣量有關(guān)，與噴口直徑無關(guān)。思考題牛頓性流體與非牛頓性流體的區(qū)別？擬塑性流體和漲塑性流體的特征是什么？溶解氧的測定方法有哪些？氧傳遞系數(shù)的測定方法有哪些？其中哪種方法能測定真實培養(yǎng)狀態(tài)下的傳遞系數(shù)？培養(yǎng)液性質(zhì)影響在發(fā)酵過程中，由于微生物的代謝活動，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖，積累代謝產(chǎn)物等都引起培養(yǎng)液性質(zhì)的改變，特別是粘度，表面張力，離子強度，擴散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小，氣泡的穩(wěn)定性，進而對Kla帶來的很大影響。培養(yǎng)液性質(zhì)影響表面活性劑：培養(yǎng)液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了氧傳遞的阻力，降低了Kla。

培養(yǎng)液性質(zhì)影響離子強度：在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積，而且隨電解質(zhì)濃度的增加，Kla也有較大的增加。培養(yǎng)液性質(zhì)影響菌體濃度：發(fā)酵液中隨菌體濃度上升，KLa下降。4.7控制溶氧的工藝控制溶氧的工藝主要從供氧和耗氧兩個方面來考慮：供氧方面：通氣流量（通風量）、攪拌轉(zhuǎn)速、氣體中的氧分壓、罐壓、溫度、培養(yǎng)基的物理性質(zhì)