第六章 发 酵 供 氧
第六章 发 酵 供 氧
第一节 微生物的需氧和溶解氧的控制 一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 呼吸强度：QO2（mmol O2/g干菌体·h） • 耗氧速率：r （mmol O2/L·h） O2 r Q X = •
第一节 微生物的需氧和溶解氧的控制 一、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 呼吸强度：QO2（mmol O2/g干菌体·h） • 耗氧速率：r （mmol O2/L·h） O2 r Q X = •
二、微生物的临界氧浓度（C临界） 菌体进行某种生理活动时，对发酵液中 溶氧浓度的最低要求；不同菌种、同种 菌在不同生理期具有不同的C临界值； 三、发酵过程溶解氧的变化 四、溶解氧控制的意义
二、微生物的临界氧浓度（C临界） 菌体进行某种生理活动时，对发酵液中 溶氧浓度的最低要求；不同菌种、同种 菌在不同生理期具有不同的C临界值； 三、发酵过程溶解氧的变化 四、溶解氧控制的意义
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
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O 2 O 2 细胞 液膜
1.传递途径 O2 气膜 气液界面 细胞膜 菌丝团 发酵液 液膜O 2 O 2 细胞 液膜
2.供氧方面的阻力 : 1 1 k : 1 2 k : 1 3 k : 1 4 k 气膜； 气液界面； 液膜； 发酵液 是该过程的主要阻力 3.耗氧方面的阻力 : 1 6 k : 1 8 k : 1 5 k 6 7 k , k : 1 7 k 胞外液膜； 菌丝丛； 细胞膜； 胞内传递； 是该过程的主要的耗氧阻力 3 1 k
2.供氧方面的阻力 : 1 1 k : 1 2 k : 1 3 k : 1 4 k 气膜； 气液界面； 液膜； 发酵液 是该过程的主要阻力 3.耗氧方面的阻力 : 1 6 k : 1 8 k : 1 5 k 6 7 k , k : 1 7 k 胞外液膜； 菌丝丛； 细胞膜； 胞内传递； 是该过程的主要的耗氧阻力 3 1 k
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
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
L i L G i A k C C k P P N 1 1 − = − = = 阻力 推动力 ( ) ( ) G i L Ci CL = k P − P = k − ( ) ( ) * * N K p p K c c A G L L = − = − NA：氧传递速率；p，pi气相中和气、液界面处氧的 分压；CL，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； KG：以氧分压差为推动力的总传质系数；KL：以氧 浓度差为推动力的总传质系数；p*：与液相中氧浓度 c相平衡时的氧分压； C*：与气相中氧分压p达平衡 的氧的溶解度； 上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：
L i L G i A k C C k P P N 1 1 − = − = = 阻力 推动力 ( ) ( ) G i L Ci CL = k P − P = k − ( ) ( ) * * N K p p K c c A G L L = − = − NA：氧传递速率；p，pi气相中和气、液界面处氧的 分压；CL，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； KG：以氧分压差为推动力的总传质系数；KL：以氧 浓度差为推动力的总传质系数；p*：与液相中氧浓度 c相平衡时的氧分压； C*：与气相中氧分压p达平衡 的氧的溶解度； 上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：
G NA p p k * 1 − = ( ) A i L A i A i A i N H c c N p p N p p N p p − + − = − + − = * 根据亨氏定律，有： = = = i i l p Hc p Hc p Hc 则NA的表达式可以写为： A i L A L i G N c c N k p p k − = − = 1 1 因为： ， G G k L H K k = + 1 1 所以：
G NA p p k * 1 − = ( ) A i L A i A i A i N H c c N p p N p p N p p − + − = − + − = * 根据亨氏定律，有： = = = i i l p Hc p Hc p Hc 则NA的表达式可以写为： A i L A L i G N c c N k p p k − = − = 1 1 因为： ， G G k L H K k = + 1 1 所以：
KG kG L G L K H k k 1 1 1 + = L L K k 对易溶气体来讲： 对难溶气体来讲： 同样的方法可得出KL的表达式：
KG kG L G L K H k k 1 1 1 + = L L K k 对易溶气体来讲： 对难溶气体来讲： 同样的方法可得出KL的表达式：