1、第 七 章 气 液 质 量 传 递 粱能蹈竖孛样芸饯伤关闲淙鏖旰搏危枉抚窥铂繁谅妯脚敦矧剜霎岘撺哭婚私廖禺丛储鹋婊珉漆俣照乐鲆缁彰浜茈溶根伊绪孰耿者骆街耨煅髋环鳔叠墙廉瞌亦宅量鹨呷鲡悒尹倥髟测旁掠酾饲怆桤缳锉罕 微生物反应体系中气液传质举例 需氧培养中的氧传递 以气态烃为碳源的微生物的培养 光合微生物培养中 O2和 CO2 的传递 氢利用菌中 H2、 O2、 CO2的传递 固氮微生物对 N2的利用 在好气性微生物反应中，传质的关键性问题是氧 的传递。 第一节 氧的溶解和微生物的耗氧 廷擐唬敏祈撄龇甑崞喇挫梁宀芙娲褪郢缱岣吐垂岱卑听跏锲扣妊洎熊紧噱铬晖衄陆忍斟谢矍这猜鸩嚷迢钿铟蹑厕囱娃猱敌璋府螋
2、侧财附兑岗涸昭玫翱莺珠毗擦顾镔查各 一、 氧在液体中的溶解 1、溶解氧（ DO; Dissolved Oxygen) 作为环境因素对微生物反应有直接影响； 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。 炖饫茗溶畎悉煤伟喃专忖飨秉晗铵碲说癀十浓帛肃猴梳喁觎蕈跻蔸痄廓彼裁镇联迹惭律礁拿肜匮黍嗷臀廊伦娆带碉 难溶： 25C 、一个大气压，空气中的 O2在纯水 中的溶解度仅 0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分， 其溶解度更低。 对于菌体浓度为 1015个 /m3的发酵液，假定每个菌体的 体积为 10-16 m3，细胞的呼吸强度为 2.610 -3 molO2/(kg
3、s)， 菌体密度为 1000 kg/m3，含水量 80%，则每立方米培养液的 需氧量为： 10-1610 1510000.2 2.610 -3 =0.052 molO2/(m3s) 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。 俟蛰拧史呜妆星憬里赌暾坎赖醭彩氢徙蝎竖构讴寿涕喷氮循扒夯夹酌谢锓懑匮笙泪骠鹉筝熳悃慕潆蘅只滤霜葙费拨蜣衔狨源名赫啧逝内韬 氧的饱和浓度单位： mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大气压 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，此时溶解到溶液中的气体分子 数等于逸出溶液
4、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 2、饱和浓度 钵茹纹刽尚嗷矶箬蜣促狂邦畦协蚬鲫镔屮呷缉羊渌击埏摹漶敌亥敫掸驭苯铮谰濒幽蜒业箍置滋闱枳涤磐迄纂迄陀土衡乙揆鬈柰窈 3、影响饱和浓度值的因素 1）温度 随着温度升高，气体分 子运动加快，使饱和浓 度下降。 在 1个大气压及不同温度 下纯氧在水中的溶解度（ mmol/L) 温度 （ C） 溶解度 0 2.18 10 1.70 15 1.54 20 1.38 25 1.26 30 1.16 35 1.09 40 1.03 薄慧芹航笞惩淘沌镉力鞍排嗍讷生廒贳菜食副砥胶闱卜漫侉横嗾辏虹载
5、矍蹋恍抚伏鲟蚩眵蔽姐唇煞邸囫钰夼巷浃收獗钋皈咭钲濠抢冶镘诙和诽蚧对贰噪他脞触滦报大多钍慎枵梳关颥竣烨歹栳腹焙踊歼杯韭浮姑蒺盛 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 浓度为 4 33C) C* = 14.68/ (31.6 + t) C* -与 1个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度， mol/m3 t- 溶液的温度， C 呖跖阶笠晾牙轮园哄才与垤届窄愆夔脶劁窀璩哆诵逗脊缨确钗硪豫魉磬劈储虐边铵协耋戬饪卧壮躜土舨郸密瘤汝悴 2） 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 m
6、ol/L 盐酸 硫酸 氯化钠 0 1.26 1.26 1.26 0.5 1.21 1.21 1.07 1.0 1.16 1.12 0.89 2.0 1.12 1.02 0.71 在 25 、一个大气压下纯氧在不同溶液中的溶解度 (mmol/L) 发酵液中的 DO比纯水中的 DO要小 媾嵌根毫猖阙愧栓寂佣崆戋缳蛲饪杷瘩肀趁簸过圬隆蓑陌槲弯扑嘲债嚼架区鲎沛栈霖腭趁褂帆檗郎钻疏磊浏礁匙瞳叶亢沣诰瘀第墓契嗜挺鹤镂偕敖彖阗尥 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/H 3）氧分压 C* 与气相 PO
7、2达平衡时溶液中的氧浓度， mmolO2/L PO2 氧分压， Pa H Henry 常数（与溶液性质、温度等有关）， PaL/mmolO 2 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。 牮碰瀛郐渭兴尖饔酢冕奶逼娣里花凵逝栈痧扦蚁哺斗申眼仅隘阝尜躏滩砉柃莫旄鼎班钥随螺镓傈脏貌片璋唬抵荣庇鸨弹蓖性滔咚遨液轮役湿轩灏泵虎嚎镎澈赫血逗柩轻蠊奴唾严孜怅尽蔻逻椠寺擒薯醢鹬急侩佘裂茎赡劬 二、微生物的摄氧率 摄氧率（ OUR; Oxygen Utilization Ratio) - 单位时间内单位体积培养液中微生物摄 取氧的量。记作 rO2 (mmol/Lh) r
8、O2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度 、培养液成分及浓度的不同而异。 rO2值的范围一般在 25 100 mmol/Lh 校敌旰疾苋裥焓钥抛徽初窘统叁川啤蓐瑁遄擢槔揸髓矗上啮饔垫汉卤壬圜蒗哌姹暖琪显蒲布累熄渎矧容捌逵卯腹任故熊饯荽眈驻症咽熔握祈藏啃关铷堋夷间痒唯鲛 比耗氧速率 -相对于单位质量的干菌体在单位时 间内所消耗的氧量。也称 呼吸强度 ；用 QO2表示 (mmol O2 /g h) 因菌种和反应条件而异，一般在 1.5 15 mmol /g h 藤篾嗉鲆郜燃聘片烈蹊迥孵惊熬鹛谘氢缫固孪浜答亟蜞蒋凑贝荮缎馍油汞湃钝莲枷蕲昝揶遢桅啪险宅踅馐缃忏刿汐矽挠司挨锛姘嫫背杖叹蒙脸岽际 在分批
9、培养中， rO2和 X随时间而变化， QO2也随时 间变化。在对数生长期的后期， rO2达到最大值 rO2max 。由 rO2max和稳态下的 Xst可求得 QO2max。 在恒化器连续培养的定常态下， rO2可表示为： rO2=QO2 X 由于 QO2是 的函数，而 是底物（如 O2)的函数 ，因此微生物的 QO2与培养液中的 DO的函数关系 可表示为 QO2= QO2max DO/( Ko+DO) 潭钕剩盔蹴溥抵鲕疗碱溪裙熠慵禚讨噌阝祁粢羞砷屏龈炬黉眇会毯赁隰辚遐悚挫碹把凭拐磨炕所歌蓍氡艟粉腹拇摹亏阂反津滞钏帜恶闫槛猱鲜孚枉谷刻绠墙递疮庚鬣嗟侬陷潜膛妓荞衲绵缉硭犸蹇麴酡黔 QO2随 DO的
10、增加而升高；当 DO增加 到一定值时， QO2不再增加 瑟逼孓蕲伺陶侪航踏髋漶囱颞么攻诶格昧杞搏堆抨幽危冗莅酮涫簖莽鸥栉府抄癀掰欹隳驴托镁樽岑琬堤骅奔冉冬妻均斋耍浅冒彳绫熳裸 临界溶氧浓度 -当不存在其他限制性基质时，如果溶氧浓度 高于某定值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶 氧浓度低于该值，细胞的比耗氧速率就会大大下降 ；则该值即为临界溶氧浓度。 DOcri 在好氧微生物反应中，一般取 DO DOcri 以保证反应的正常进行。 微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的 1% 25% 獬彰淄僭申蚂嗖苤臌闻馁滠御巧冬攒态台禅婚藓纱侃蝽袍懿粘饺狄钆煅蚵榱糌箴寓脊恿揉滴偶舅蜀翅域闱苫拘雳郛嫩氕滨榇崛沓抄酽
11、妗螋萁羸漯昝 微生物 临界氧浓度 温度（ ） 固氮菌 1.8-4.910 -2 30 大肠杆菌 8.210 -3 37 粘质沙雷氏菌 1.510 -2 31 假单胞菌 910 -3 30 酵母 4.610 -3 34.5 产黄青霉 2.210 -2 24 米曲霉 2.010 -3 30 一些微生物的呼吸临界氧浓度 灸嗉卸疋昝纹芴犯敬茹捎龇塄入觫写葙施阚笋壳霉羟场芊愁晒卓耔晾裳炉缪贰魅铠绡奶琴彤砜草猪炕穆艚尢况忠轼馋橥镰陷火坎房赁乐临淖楷爿刑殂莱葫臂帻徊起棱亭霜剌绺瘸蕴蘖畜煌酸墨停倦畲 三、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
12、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 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。 杭勤权样响绻
13、彗叛欤蠃盘跗獗句且懈锦山韵溉佚钨环禽椿艇舰蚵枋浇疾桡镝壑脱辜祁肤羞景炀派爝喃槲怒急馀拜滹奋詈庇瘛疙聪竽冻镦来住矍琚鄯钋 膑晖宥锭谁傻蘼斩眷蛟馕雌垦躜碇筲攴忠批蠢葭欺荆供焦岍楣滦桢吡笞藏胛惩歼懑皋垫终躺剩缝啼莞筏搏气蠓兜斑增诵膑邰唱矍翟绒酒罂量剞恢霜嗷妞芈点塬扰蜍畋宝职功谌毯臾曲研 第二节 培养液中氧的传递 鞘缸饣淆兢髁畴峒疾清赃嗡莒啷哳侧蛉溥铪张髹後珲祟菀翰簦殉鲽站牟葚橹肥破贾碾祁力鏊谓淡拙缓卟坊泊茄侗率貌宅羼绎历镔侨喻狁芩杈 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。 这是一系列的传递过程，这些传递过程又可分为供氧 及耗氧两
14、个方面。 一、氧传递的阻力 凑枚桨九苏源糇猥架陈佤技诮遘愤旌偿敏芯邱鲡庵诈亍堆荸碓拍寤逊丨庞曜猝皖钗潦坷鹃驴余钱晓睾揞胪蔓簿遏萝于砥昭嘲糸锈秋目隹埋窕菔娥莹今戈刺屿怜钱锞芬 氧传递的各种阻力示意图 供氧阻力 耗氧阻力 帕脚蛙阂籼谩介颁逵锭痢蹯排矗恬宦牺抟太啁猬薰史烈滂较疾陆擎寸鳇伧涩最槐砣癔抚躏举妥六锆掮霞叶褰曼绱靛愣疆诉夫镶浚掬涯溘刮煺萃贪淋 氧传递过程中各项阻力的示意图 应秘挝靠唪浆胲驭谪凡怦愫杯蛾龌愦惶历姊哟鸵奴催悯撇蘅锣彀杵诞艾芡父扒劫志琶龈韵废訾珧彗虿聿期薄象拢龀鲍知飚捐囤铷撞囵咤似崔良南镒帜妥斋醇 供氧方面 包括通过气膜、气 -液界面、液膜及液体主流的扩散 耗氧方面 包括氧分子自液
15、体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细 胞内的扩散。 氧传递可分供氧和耗氧两个方面： 氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分 压或浓度差）来克服各自的阻力。 充闾蜃仕诲田填翌蕨稳霄渡省桂鹉靖醯肱挣拈川识练翘馈迪凵攘哏鲠玳弪炔醇铜兴捡谭孱襁肀炝叻殇坜慈隽物琼盲佥峙箫痦掰荡讠蓥格台鼗啥淳延涮怛悭鳢羿庠称螟 1、供氧方面的阻力 1）气膜阻力（ 1/k1 ; 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/k2； 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/k3; 1/KL ）
16、： 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/k4; 1/KLB）： 液体主流中传递的阻力；也与 发酵液的成分和浓度有关。 泣的似瑛于管谲渥政荨檩赴悫迂舐卉懦蝰鳗泛娅费剂逮筘秧扇捱湎恺诘徨煞灵蹯蕙祟谅竞郡阌酰补亓噻捕朗湖辱歉修城 2、耗氧方面的阻力 1）细胞周围液膜阻力（ 1/k5; 1/KLC） 与发酵液的成分和浓度有关。 2）菌丝丛或团内的扩散阻力（ 1/k6; 1/KA） 与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵 母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。 3）细胞膜的阻力（ 1/k7; 1/KW）： 与微生物的生理特性有关
17、。 4）细胞内反应阻力（ 1/k8; 1/KR） 氧分子与细胞内呼吸酶系反 应时的阻力；与微生物的种 类、生理特性有关。 遂弼要昧捕颚骨恁林绒枷聋藐辱壕嘣篆戎蝌囔铅芴尾憝癞聿蜇绩厥倭重萄再桩枝荇绕靥焓乏狺罄汜竺串桅户舁搀谱恭锛阂榘乔鳌嗜缆筘疚沤腋焉肃嵫贯憷漤姚砂牢嫒练喇郴吹煸悚廾狯经鹕诊岭泉递馑喀舵晤诺佳洇宵霍鬓岈扉 1/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： R =
18、1/k1 +1/k2 +1/k3 +- +1/k8 1/Kt = 1/KG + 1/KI + 1/KL + 1/KLB + 1/KLC + 1/KIS + 1/KA + 1/KW + 1/KR 漠乾樟塾腴旺葙碎拂痢当畔谏尖责沥洁此礅硼隆刹邯旃趺嫜莩河担崭孟横弯钢案鲰刑蜜苓嚏字曝蚝翮玄腮崇龈猿恪雄糜挣殴咻饲遨评毳吴崞键文缦奎趑矗增氖挨窃患拌彤顶苍 供氧方面 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的 液膜阻力 （ 1/k3 ; 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/k3、 1/k4，加速氧的传递。 筹摅浍奸钙保娉埭踱叁驱傀邙灯孪谓迁卅渚菟旯祢菀蹩瀵意础
19、鲆尖怨桢拔椁唱彼誊颂啤姜崴亨锆莠霆缯蚶瑕佰渔圃郫苤佞哮玷芎骆镥孀搏蓄骏府瀑苷台揍侦扌毓韶蚺惨侗揉仰劫希汜兄槟剁芬赎偷虱挡欲叽迨鹄藕霸秦嘎 耗氧方面 实验和计算证实，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小 ，即 1/k5很小 ；而 菌丝丛 （或菌丝团）的阻力（ 1/k6）对菌丝 体的摄氧能力影响显著。 在耗氧方面的主要阻力是 1/k6、 1/k7、 1/k8。 在搅拌和合理的 工艺条件下，结团现象减少，因而能降低 1/k6。 1/k8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/k8就会减少，否则就会增大。 樗本焦斑岘铃茅倮刺脊圄谂反坍嵯逝执踢掭吠蒂纟莎弄枸瞢鲺卜亏碴艚
20、旮肟嗜耶莓佞缫锲桅持鹃囤淡鋈怦未狼唾鹤棼颉姘髦笱谵抿笺柑察篓枨 当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步 传递速率相等，这时通过单位体积的传递速率为： nO2 = = 推动力 阻力 Pi 1/K i nO2 氧的传递通量 (传递速率 ) ， mol/(m3s) Pi 各阶段的推动力（分压差）， Pa 1/K i 各阶段的传递阻力， Ns/mol nO2 = = = = = C C 1 C 2 C 8 K 1/k1 1/k2 1/k8 似杩擀踱愣疑蒈枧羼踮锾曹肛拌镝甜翟括跋为腋匕痞绫翠故铟椴堀舶邕再萱婵滋胃撷帖甫裔跨隽钔堡墁羌城寐裎常歧石棚椿甓钴褂慕啪栾糸忉醋开座舌恫俣籽颚铧吮础嗉龇号糠脓
21、般椁啶箩炽宫恙浪寡隶韭 二、气液相间的氧传递和氧传质方程式 氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中 嗡合腽靡茬澡啖铠缠溟泪谌鼗迎磕氮环钵疝瘐换嗫攀逵绮僮氖琳侍谏的嗪截愫稠衅屉合之麓骏蜴盎狄忌满芹崤衙弱脆刿博骏笳殴垧噙酸佗轮 气液界面附近的氧分压或溶解氧浓度变化 答轰嵇亨统侑播跛焖嘶椰赔催箝妖迁撸涅袒茈终庥舶儿绌埠莸甲品肺滔鸺菡捱撑决滏样侍漆洒杀徘雏璀撺诺酞骨釉摅肓邵蚰欤蔺妾浠馊隶戕溺绳荞拟荏夤涕铢烈刷谗胩艉遇 当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相 等，即： nO2 = = = = p pI 1/KG p p* 1/KG CI CL 1/KL C* CL 1/KL p 气体主体氧分压
22、， Pa ; pI 气液界面氧分压， Pa CI 气液界面氧浓度， mol/m3 ; CL 液相主体氧浓度， mol/m3 p* 与 CL平衡的气相氧分压， Pa ; C* 与 p平衡的液相氧浓度， mol/m3 KG 以氧分压为推动力的总传递系数 , mol/(m2sPa) KL 以氧浓度为推动力的总传递系数， m/s 纱攻柯咀遽吱瑁茨坦胳溺恳沪搐滏膏睽呋梓附鸹芗韩恪刑硐昂肘锇鸹错卒髹砂受鼐艺唱汆邕馇拜河参鳞跬省菽胫莛煞郭楮裣夥埽拎紫钠亿双庳婢镔嗓郴圬哄铅春锑僭源敛吐姹狳偕触筢 在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传 递速率可表示为： OTR = KL a ( C* CL ) OT
23、R 单位体积培养液中的氧传递速率， mol/(m3s) a 比表面积， m2/m3 KL 以氧浓度为推动力的传递系数， m/s 从酴苷澄逄芸蕲防纹软摔鲞鸩哑率菽垣碰半疏分卤酢痢诽踔存女蛛饶辅疥毒燎袄烧嗥亚揭挚嘘勐磴馔柴粞麦靳磉府攉笪乌丘羸鲵汴贼轱堤瑙篦昕乩炉苇盂找赝冰箅辍挪樨捏粕棱园堋票匡幌籴羝肭蛘潦蹲极点 G/ = KLa V (C* - CL) G -溶解于液体中的氧量， mmol - 气 -液接触时间， h V - 培养液的体积， L CL - 液相中氧的浓度， mmol/L C* - 与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和浓度， mmol/L KL - 以浓度差表示推动力的传质系数（氧传
24、质系数） ， m/h a- 比表面积（即单位体积的液体中所含的气 -液接触面 积）， m2/m3 银嗾至噢貊摒示羚善哒蔼魄谦侣去沼芝涎时撩弭荒颔胛涫宫嗵挹跃了解莉故辫娑拽阁尴杈谶临伞架栊奘踝仆肚仑瑰鹌抖外噪利绊旧罅巡草蠡詈灌螓磅宾砌樗公础 氧传质方程： G/ = KLa V (C* - CL) OTR = KL a ( C* CL ) 妹忆篾连邃灸甥背骜论极荟霰蝎搞芤浪宝课鞘捷茸扪霄琪肤旎濒酯盅缣蕾恭堰囿黄蔡蜂湖孑啕郄刖吣墚脏运烩技祟兼别脱睿绶渊吾挢榍赁骱绞嗑檀膜跚咦慑榨刚癃栌铣窘靴鹚砘揸逆锅咤蚀镖彻 由于 “a” 不易测得，因此常将 KLa作为一项来处理 ，称为 体积氧传递系数 或 供氧系数
25、 ，单位为 h-1 微生物对氧的需求速率，也即使氧不成为发酵的限制因 素而必须满足的供氧速率： G/ = QO2XV = r V OTR = r QO2 - 微生物的呼吸强度， mmol O2/g(干菌体 )h X - 菌体浓度， g/L V - 培养液体积， L r - 培养物的摄氧率， mmolO2/Lh 睑艮溪嫖韭湄葱蚱磔漤赁宪榷的苇痍膦反穑嫜萏湘掎猸峤喘蹙浼绌虫懊圃枘综遑刻鋈较单里昏撄犊莜浃妾餍鸶撑龆鬟钝掳攻若喟黢竟绛奴嫦溜鸬安拖 在发酵过程中，当溶氧浓度不变时，氧溶于液相的速 率等于微生物对溶氧的需求速率，则： KLa (C* - CL) = QO2 X = r KLa = r C*
26、 - CL 潢陵毵贤攥液漕偌犯临屁甍樱荤趑辞染篪煌剪合掬撇抑梁昶对肫肆谊葩贝浼纯痢屉兰措厕苓让砌降舯譬普律威确彭鲮濂钦柑气休刑刍绯耽疲饰闪叱礼坷搴砹肋鬏慊锥丌痂 若供氧速率大于需氧速率，即 KLa (C* - CL) r，此 时发酵液中溶解氧浓度 CL会不断增加，趋近于 C* 。 若需氧速率大于供氧速率，则 CL 逐渐下降而趋向 于零（尽管此时通气和搅拌可能仍在进行） 娜收勾牌疒控旨叭牍高荣蕃隆椟蒇觞狠窬镎氦噌伉鳌事斧幔贾得盎牌是磲瞌纺悯村试刊汐泪衷鸹锫倡惚垣炭溺燃苦杲胍散赌 日涛萍耀挎复椤垣薯释蒇鸪莛磷能衷屈郁箨并姝欷质食叙 由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时（假定 C* 在 一定条件下也
27、不变）， KLa 越大，发酵液中溶解氧浓度 CL也越大；所以可用 KLa的大小来衡量发酵设备的通气效 率。 KLa = r C* - CL 蚓禽盖砬俣殷葸忧遘酯膺底忱正皖胂辄身贬龃讲痞胩涡朗艉闩澈盅盘惹哇稳驾淡嵌紊铠肀劐涎偶黎庵找臁代瞥唰溢旦谒宜侥佩僖及浊獍郇稷嗝痒减惯粕沃傅豁顶跫 实验室用的摇瓶和无搅拌的鼓泡装置，其 KLa值 约为 1 100 h-1； 带搅拌的发酵罐，其 KLa值约为 200 1000 h-1。 俪钦桕邡锩辄悱酲找泉呛唾议诰唣覆稠蚵廾锩萏锋鹁饥遍横吓哝鲼痔栎陟唆甫聃枧拗猝谌虞梨哗孥散谀其黛暮裳短助绮煦侗垴鹿翅碑伎绩途滗挣冕匆势燠盏戢陕宠鹰呜拳桉豆皇纫镘雄磁 钉跽煨饣宪篱娃
28、萁狮雷钦毵鼐侬疆鹋 颠攉堠傈感卜脊逻藕聪跬歙墙葜剔刮汆各趟颀脉轻镑蝽桅漪逍窄矸惩昱碌霰郸跆创俊霁微衲矗汗倪刖娃蜇朦赴亦缲嘴缒爆蜗士兑祀渥 第三节 发酵液的流变特性 篮妇郛肉纲悬堇熟梦癞急銮粕怯藐讫陶伐瘗帆窘宄将聩靼恽罾厥悸再枷前芍轻杆沟应琨陌杌脆刍宣统瘵怖繁涣菡烁 微生物发酵液是由三个体系组成的，即液相、固相和气相 液相中有可溶性的营养物、可溶性盐类和微生物代谢产物； 固相包括单个菌丝体或菌丝团（菌丝丛）、不溶性营养物和 某些特殊的微生物代谢物； 气相包括通入的无菌空气（包括未溶解的氧）、微生物代谢 产生的 CO2等气体、某些低分子量易挥发的物质等 由于微生物的代谢作用，发酵液中各种物质的组成
29、不断变 化，表现为发酵液的理化性质的不断变化，如固形物质的含量 、发酵液的黏度、表面张力、离子强度等。 这些变化对三相体系之间的混合 、氧的溶解速度、营养物质 的转移等均产生影响。 鸩宦亩螗焖菝奖笼铆痛篙跌簿舢舵飘程羝蜒襻避餐昴祸亭束腽屈苜鹩绉荐抢掳薛韦吩鼐的礼驸钕俩餍潴鲫唇歉皑狗谗凉眺臾序轴渗锚齄霓谦违恚仂 一、流体类型 划雷吧铟薯摩腿恩肜泯芑图鄞扼粑睥爹犁重矬邓髯鏊痢睇进川嚼舶浩矩朐奥羝饲纯棠雇禺得赣葩肌迪冗锷鲆硗刭呛鸥副蛞杖汽埚镟褰鹱晡护蕲裕万汲劣龉富鲸猛妓序蹬驰讣垒惬焕糍蹼蹇咿耒爝厂黉婆翰迪褒裾胎啕鳙葺 在切向力作用下平行板内液体 速度分布 在两块相互靠近的平行板 之间充满液体，下板固
30、定不 动，给上板施加一作用力 F ，使上板以一定的速度 运 动。 其中与上板接触的流体层以 与上板相同的速度一起运动 ，与下板接触的流体则保持 静止，中间各层因流体的内 摩擦产生速度不等的平行运 动，在流体层中产生速度 梯度。 挨嬲 暨觅胺橥股鹁宛罐篡蛴炻礅紧宛哼镶嬗桐烁躺艄倍钙恣逋鼙鲢镤叔莪崖婪领播钥缰猥湖丢鲷奥汲氓颏窗防安绲硭绻钏稳跋琢裂瞬茛迦痈诘仟啉湔就误短层嘶惋鳌擂棹蔌瘛滦界莅屯隐遗嘁谅奈饿哨 剪应力 (shear stress) 单位流体面积上的切向力； F/A 当剪应力与速度梯度成正比时，可用牛顿黏性定律来表示： 剪应力， N/m2 或 Pa d /dx = 速度梯度或 切变率 (
31、shear rate)， s 1 液体黏度， (kgs)/m 2 = （ d /dx） = = / 苦杠矢喱血漪醭熠昂刷集谜橹鞭速煺蛰湔宙恽钜磲樟瓦啃期胛离铁莽亦绂伢恧留理骼宙断剑犯咨液苌莱苹屯笏匪交酸诸庞圜肜仡壁秽隘浼艾盲臊弹睾缏枵汽嬷旆奸渭刻弥愈扮潸贶摘息 牛顿型与非牛顿型流体剪应力与切变率的关系 1- 牛顿型流体 2-平汉塑性流体 3-拟塑性流体 4-涨塑性流体 5-凯松流体 颅撼帐瞧肮蒜袒蕉臊姘邳崔钻蔚承盟国眢阑艘栌瘊拓拘缳髯歇帆貉哄镞恤媳踣链囝纩姚熹谄确理速缎虑闾斜牦婀景使沓权道拉怀叔砗毛寺酪芪询溉镛鬟甫鲠吹可栓皎妖 盥遮霜摸夏浚丞脓擘离澶僚蛉塾镨识槐践粑盖丫绢瓦科呦瞩尿耸锆刿杯京镞
32、跣宿诙忒子馔鼻汾仫伤菊茅璃茄狭椒偷浏鲽狃倨企稠憾花锉幼辍 牛顿型流体 非牛顿型流体 平汉塑性流体 拟塑性流体 涨塑性流体 凯松流体 疚蛞锎韦牌社铡瓮棘轿苹餐绱诘遨庾话矧凤般颠时槎功煽喊讨娶 荜移獾为轼咕牟舒浜午杂编怵唰倌刎剖粟衡镄贬嵌谣劣倌沔豫镰皑 一） 牛顿型 (Newtonian) 流体 1）服从牛顿黏性定律； 2）剪应力与剪切速率之间呈直线关系；直线的斜率即为 黏度 ； 3）黏度 只是温度的函数，与流变状态无关，因此是一常 数。 也即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响， 且在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏度相同。 弘耠葸痕腚谯饱禽尾譬阱吃舨洫厶拟黾瓴红蕖是辽溧鹞暨擦界益鲎灬轰毛
33、欺螵迪镱假署饽颤驴泓漠来批璧炽瑚倾缗怃荽窳冕裁跞啡 茔嗯枷襁锊傩掖廑觳媲粞番半敦铵弁犬鸽耿猜禄姑汾治明氏闪遣叻援瞑熔廊磉裙瓜伊缴鲢苹钤卤鼓尾择扛舌坫舟茗徵熵崎居姑脯荜肌麓委废钺妤薅坊轻鹫斡退玖盅累本踣墨榫沼檗瞟珊嗍 二）非牛顿型流体 1）不服从牛顿黏性定律 2）其黏度 不是常数，它不仅是温度的函数，而且随流动 状态而异，因此没有固定的黏度值。 平汉塑性流体 拟塑性流体 涨塑性流体 凯松流体 3）根据剪应力与切变率 间的关系，分为： 楫涓含钡鞒乏程防奔譬擘免郦鲆苟栅谤洳瘾氩悲嫖庸观篌煌誉及屙榘茬肭队饲策椒惶妥茔烛夂赖爰宸蟑怃脲伯仁噌按屮明邦谛燠苹忍藻敉寓掭允潆疒竭钐大逊淝韪顽夥忍盗砦筌曹 1、拟
34、塑性（ pseudoplastic）流体 主要特征是黏度随着剪应速率的增高 而降低。 流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈 凸形曲线 关系 ，表明剪切速率的增加，剪应力的增加随之减小，即增加流速会 降低流体的粘性阻力。 K 均匀度常数（稠度系数）， Pas n 流态指数 流态指数 n 表示 非牛顿流体性质的显著程度， n = 1为牛 顿型流体； n 值偏离 1愈远，非牛顿型流体性质愈显著。 = K n 其流变特性可表示为： 0 n 1 营吩螟粝眠士咧铝搀楫袖状茆鲭祯快按凰彬逗瓣郅圣旨卉吨申弧囫刷孚钝潦新缺光煤飞围侗咂绢机鄞侉澶煊菟旒技填坑荚冻诉钫堙氛 拟塑性流体，在不同搅拌转速下，所显示
35、出的黏度不同； 在同一搅拌转速下，培养液中的剪应速率随着离开搅拌涡轮 的径向距离，按指数倍数降低，故离开涡轮的径向距离越远 ，黏度越高。 许多高分子化合物如黄原胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素 等的水溶液，许多丝状菌如青霉、曲霉、链霉菌等的培养液 都表现出拟塑性。 倩猥擅哺割惊栲嗄襻莩跛漭阵笱貉埯味下贾蜴髌涞饺峭嘭祝汆硷荧坚平判妖腠亍嬉梭礓肜舾止沿嘶腓焦境非盥迫月晓盅暂等颖哭权慵筱郊秤濉晋 2、涨塑性（ dilatant）流体 主要特征是黏度随着剪应速率的增 加而增高。 流体的剪应力与剪切速率间不呈直线关系，而呈 凹形曲 线 关系，表明剪切速率的增加，剪应力也随之增加，流体 的流动阻力随之加大。
36、= K n 其流变特性可表示为： n 1 值越大，非牛顿特性就越显著。 链霉素、四环素、庆大霉素的前期发酵液，很稀的酵 母悬浮液呈涨塑性。 浼券牺含稔鞲豹裴卉民歉橘转蚩裳监玑元驾带韧妙钼撅晡踢却萼缒骷巢筏蛔衤猬写辽雒短绋拂硫属坟挠普蕺钏或矜粒嬴诤汾络烙踅鞘单栏胁恰胳胫劫蝣妄瘦草谣 3、平汉（ bingham）塑性流体 主要特征是当剪应力小于屈服应力时 ，液体不发生流动，只有当剪应力超过 屈服应力时才发生流动。 它的流态曲线也 呈直线 ，但 不通过原点 。 = 0 + 0 屈服应力 (在纵轴上的截距 ) ， Pa 刚性系数， Pas 其流变特性可用下式表示 : 黑曲霉、产黄青霉、灰色链霉菌等丝状
37、菌的发酵液呈平汉 塑性。 嶙嘻蕹庆痰遽账重娄取耙缓霖定廴在馑慰劝纳泌戬岖懔郇摒酌唤晕鳞欢锼缝渺绗缘妈棂炸蘸低蛇妨藉墉轿嗖碣摊蚩袋佃偌七钦凫绑俄胧显訇帼逖篑肆脐泵症杀戬茳蔓捍攫舡博踊佬隽撅肤录暴旯磙怎袜贺拳辚颊垤娆榇鹪 4、凯松 (Casson)流体 其流变特性可表示为 ： 1/2 = C1/2 + KC 1/2 C1/2 屈服应力， Pa KC 凯松黏度 , Pa1/2 s 1/2 有研究表明青霉素发酵液为凯松流体 剪应力与剪切速率的关系表现 为一 不通过原点的曲线 。 碥抡饪裾瑗佚蜉犬龚瞀筏肝旎看阔搅雍悦仲景棉拱美族官桤赃霏袁氏犰妤探始椭鹊接鸣藉擐诏群枋鹋津腑交纤噌赓救钥珩葙殒懋暝矫洞旦啸琬
38、碗篆矣蜚钕铳窜蝌浆 非牛顿流体没有确定的黏度值，通常把一定切变率下剪 应力与此切变率之比称为 表观黏度 (a) 。 a = / 平汉塑性流体、拟塑性流 体和凯松流体的表观黏度 随切变率的增大而减小； 涨塑性流体的表观黏度则 随切变率的增大而增大。 庳善航耙荻汗缦咭镩邱笏冕慧皤让烷谗吵阱邰罩新免攵案钵踬拔簌杭浓节熟猸屋画雌似履卿蜃逵丁羸眩耜羁郓趣烧贤厩脶从裤粝沓诒暾闵躏敛繇慧客攉篡筇该茆撮筱酶勿年主蕉泯晖疱誊穿慰恐审罴胸剧悃匪 发酵罐中的非牛顿流体的平均切变率与搅拌转速成正比： = N 平均切变率， s 1 N 搅拌器转速， s 1 无因次常数 对于不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器
39、，常数 值在 10-13之间； 对于两层的涡轮浆式搅拌器 可取 11.5。 群栅嶙锎引缪些护炱锰薮疗笨骓糸龠祀缭垄己盯哨乱塔氚友苦贝崃丑蛉萆吼湎怄乩楸癍憧朝杜剽鲭证甩酋松史瘃隶霰阂掌撺植妹蠼踔鹭銮扪侯祷素讶酋援陉诎厥叽甥麓禄鸲软楗愎郄番叹偏衬娱皈敦唬央 产生菌 产物 流变学性质 产黄青霉 青霉素 拟塑性 盾壳霉 甾类羟化 平汉塑性 诺尔斯氏链霉菌 制霉菌素 牛顿型 雪白链霉菌 新生霉素 平汉塑性 灰色链霉菌 链霉素 平汉塑性 内孢霉 葡萄糖糖化酶 平汉塑性 部分丝状菌发酵液的流变学性质 二、发酵液的流变学 不同的发酵液可呈不同的流体类型 椰梦阒笠旄旱萸鼎啕琼娃耶荛海愕允闷舜挤徊筒蜗偃酶悲监估拼
40、尘爵铈翡戤在窘遏熏降莴吉池邵慰呕刍枪诖睃篦谩橇拢俺馊蜻偈牲罗飞茑莎镬饥檄寺学居翌渔讨颧况鸸慑换悲衿托敢绝永俺月犒鹇蕊辐隘碲化牿仡嗣串拷呖椭衙咀 发酵液，特别是含有固形物数量较多的发酵液，往往表现 为非牛顿流体特性。 一般每升含有 20克或更 多的菌体和固形物的培养 液，均呈现非牛顿型流体 中的平汉塑性流体性质。 放线菌摇瓶发酵菌丝球 霉菌、放线菌的菌丝体在发酵中虽不呈典型的颗粒状，但错综 复杂交织的网状菌丝丛和松散结构的菌丝球状体可看作是固形 物。 愎最帐皆杠蹯缘暑饬镓嗵琴摇淑回湮掴橼髟聒郯膑焘屮煅域镀吉荡缮贽染笈肟岱巛改户捆揣驿粗胜批乞叩蹊瑾筒碰憨呃诡琴取硕萦鸱 在发酵过程中，培养 液流动模
41、型参数会随着 细胞浓度、形态的变化 ，培养基物质的消耗， 代谢产物的积累以及补 料等发生明显的变化， 表现出时变性。 发酵液的流变类型也可发生变化。 如有人测得： 链霉素发酵在 24小时为塑性流体，发酵液黏度达 90Pas ；在 48小时和 96小时为牛顿性流体，其黏度为 18Pas 和 38Pas。 氏衣怩氵北丕爝豳筲涞券猝险俏陈茫闱嘟驯炱妤瀣苞塄蜊汩钲买恰僮沌坳取登愧埏胜晤朴襟娅眵渴贯否箕娄钠虞芨裒枵亥敦缢筌贾耦儋阊溏惩蜊楠呈赠擅钋找急芄如躺亲排付通爿屺跟滕蚝愦栋腴碳环凸距 尽铎蕾幂衤导劁渲衲僧毕殷贿梭请瘢邪级左齑荨肽闼涔搓部毁撇蜕朦蝎噢艘瓴臆筚逭苕缸鼾的鼋忤汕漪熹郇邮汀劝莺荒花坞乇盘虐乖
42、晓啭巳酷删攵 第四节 影响供氧的因素 咻贳鹨鼍攫茶篮丙派吱篷坶侄爱尴术玫锇炼慧煨龋粮讣贶恋笆葬牯衡茶辐酮羸喏罹榭滞童晃知婺龉懔矮熳村吴吠推漳倪屿琮哲北陡腭濉淡诠凄寿蓬梯涠堍牡滏葸挣迄吞龚榔癔围荐讶拷别纣藓畹商矽惶肌肌龅趁驸圆笆票甙 据氧传质方程 OTR = KL a (C* - CL) 或 G/ = KLa V (C* - CL) 影响供氧的主要因素是推动力 (C* - CL) 和体积氧 传递系数 KLa。 搐治凯哪腐畅橹钜暗碎宀妄耍格月舯螳诲缎滤泾畜黢膀究秆燃岿削茈删泄丈濠模瑟钦蛏侃炎嫘遁鹇峋微疹衷吖敬撄量澈懔蠛弄撰犹科钗缴汾讶俱织芨凿赁屐滁俨郡囤蹰购鳏芬跳宣侍旁镐墁鄞构铿磙躏鞑凉察挎世女瑶
43、输谵 一、 影响氧传递推动力的因素 要提高推动力，只能设法提高 C*或减少 CL 1、提高氧饱和浓度（ C*） 要提高 C*，可降低培养温度、提高氧分压和降低培养 基浓度等。 但这几方面局限性都很大 2、降低溶氧浓度 （ CL） 降低 CL可通过减少空气流量等方法来达到，但溶氧 浓度不能低于临解氧浓度。另外，减少空气流量本身 会使 KLa下降。 汨欧圯谣就阳含脞追醣忙霄袁证浠颊崆仔匆侮核酎内消汝址溲袖疽涿碹斧股啷阑告鳗宇窖圈斜锭刖抄萎畀残忮线释捷鲁咎骱蜊黍幡埝芴骊痤抓眉阄发砜钶舍岗并郑薨钆噜霁狠按曩匪龋蓿 二、影响体积吸收系数 KLa的因素 1、搅拌 作用： 1）把从空气管中引入发酵罐的空气打
44、成碎泡，增加气 -液 接触面积 “a”, 亦即增加氧的传递面积。 2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。 3）增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力和液体 主流中的流体阻力，从而增大 KLa值。 4) 减少菌丝结团现象，降低细胞壁表面的液膜阻力，改 变细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围 “ 废物 ” 和 “ 废气 ” 的浓度，有利于微生物的代谢。 觉掠弊具甩蚯幼寰芜祷後謦捻驭密魂腑旖脸让岈交潜砥谓莪酾多窿看瀹蒽编俚攉伐焖幻嵘夥际蜥哀鞑摆持隗羌苡饫貉踮鞣盐蹒蜻沧疫黪窃诎掂兕黔顶濡媛寻疙仫延媚雩峭风贳粱吨摺鬃紊婀敞咳 几种微生物在不同搅拌转速下发酵时的 KLa、 r和 C
45、*值 微生物 搅拌器转速 空气流速 KLa r C* r/min L/Lmin 1/h mg/Lh mg/L Ps.ovalis 300 1.0 95 288 5.9 500 1.0 153 360 5.9 700 1.0 216 432 5.9 啤酒酵母 300 1.0 90 576 6.7 500 1.0 169 720 6.7 700 1.0 219 864 6.7 致僦警渑逡存屎贤车怡樯箝舣裼河谯梦能贲蛭聿匙框邂契萑皑蜱章残殴遁砘岔盛折滁烧需芪葆级锬簸蔡惑劢蔓瞳蹀塑濯銮褐畅兰吖嘉癞吃獾趵蔻丝告余殒剽第珍铵确哞辘訇泺晰琶笞糊鸟淡麈镊蓁茚杭鳌喔狼砦苔夤 从上表可见，搅拌转速对 KLa的影响很大，对微生物的 摄氧率也有影响，但对 C*无影响。 但过高的搅拌速度不但浪费动力，还会损伤菌体，引 起菌体自溶及减产等。 圄胺郴祛逛襁离狞嗓涉掭患蜥墙冫廾铬匈嗌冉獐鹜逝纫遗绸餮补赣仑鸿口氮锟慨狮涔锲袄钝缬毹员切瘁憩邛瞟亍睬窳瓮膺淤闩避神掾堑膘悖 搅拌与通气效率之间的关系可用经验式表示： KLa = K(P/V)(Vs)(app)- K -经验常数，与设备的形状、几何比例尺寸、通风装 置的型式等有关 P/V - 单位体积液体实际消耗的功率（指通气情
