第七章 - 发酵工程原理
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Transcript 第七章 - 发酵工程原理
课程回顾
影响发酵及微生物生长的因素有哪些?
本章内容
一、细胞对氧的需求(为什么要供氧和控制溶氧？
二、发酵过程中氧的传递（如何实现供氧和控制溶氧？）
重点
三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系
四、影响氧传递的因素
重点
五、摄氧率、溶解氧、KLa的测定
难点
一、微生物对氧的需求
（一）氧在微生物发酵中的作用
（二）可利用氧的特征
（三）微生物的耗氧特征
（四）控制溶解氧的意义
重点
（一）氧在微生物发酵中的作用
（对于好气性微生物而言）
• 呼吸作用
• 直接参与一些生物合成反应
CH3CH 2OH CH3COOH
• 大多数微生物必须利用分子态的氧作为呼
吸链末端的电子受体，与氢离子结合，同
时释放能量，供细胞生长。
O2
（二）可利用氧的特征
• 氧是难溶性气体，正常状态下氧在水中
的溶解度为0.25mol/m3。
• 只有溶解状态的氧才能被微生物利用。
（三）微生物的耗氧特征
1.微生物需氧量的表示方式
(1)呼吸强度（比耗氧速率）
：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·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：mmolO2 /(m3·h)
γ=
·x
其中X表示菌体浓度
（三）微生物的耗氧特征
2.与溶氧浓度CL关系
• (1) Ccr的定义
•
微生物的呼吸强度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Ccr表示。
Q
O
2
CL> Ccr，
保持恒定。
CL<Ccr， QO2 大大下降。
(2) 当CL>Ccr时，
(3) 当CL<Ccr时，
=
=
（
）m
(QO2 ) m CL
K 0 CL
k0：亲和常数，k0越大，亲和能力越小，
越小。
3. 培养过程中细胞耗氧的一般规律
比生长速
率
+
对数期
延
滞
期
菌体浓度
稳定期
衰
减
期
衰
亡
期
3. 培养过程中细胞耗氧的一般规
律
细菌生长阶段 呼吸强度 QO2 菌体浓度 X 摄氧率 γ
延滞期
逐渐升高
初始浓度低
对数生长期
达到最高
不是最高
衰减期
比最高稍低
比最高稍低
稳定期
降低
最高
衰亡期
很低
很低
不高
不是最高
最高
比最高低
很低
（三）微生物的耗氧特征
4. 影响微生物耗氧的因素
Q
1 微生物本身遗传特征的影响，如 k0↑， O ↓
2
2 培养基的成分和浓度
成分： 主要是碳源种类
耗氧速率：油脂或烃类>葡萄糖> 蔗糖> 乳糖
培养基浓度
浓度大, QO2 ↑。
3 菌龄的影响:一般幼龄菌 QO2 大。
（三）微生物的耗氧特征
4. 影响微生物耗氧的因素（续）
4 发酵条件的影响
pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征;
温 度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征；T ↑, 溶氧量 ↓
5 代谢类型(发酵类型)的影响
若产物通过三羧酸（TCA）循环获取，则 QO2 高，耗氧量大。
若产物通过糖酵解（EMP）途径获取，则 QO2 低，耗氧量小。
（四）溶解氧控制的意义
• 溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同
的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适
需氧量。
• 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。
• 目前,在发酵工业上氧的利用率很低，应大大提高设
备利用率。
返回
二、发酵过程中氧的传递
（一）供氧的实现形式
（二）发酵过程中氧的传递
1. 氧的传递途径与传质阻力
2. 气体溶解过程的双膜理论
3. 氧传递方程
重要
(一) 供氧的实现形式
（二）发酵过程中氧的传递
1.氧的传递途径与传质阻力
液膜传递阻力1/kL
气膜传递阻力1/kG
细胞或细胞团表面
的液膜阻力1/kLC
细胞团内的传递阻力1/kA
液相传递阻力1/kLB
气液界面传递
阻力1/kI
反应阻力1/kR
固液界面传递阻力1/kIS
细胞膜、细胞壁阻力1/kW
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
2. 气体溶解过程的双模理论
Pi=HCi
扩散方向
P
氧
在
空
气
中
的
分
压
C*
气体主流
气膜
液膜
液体主流
P*
氧
溶
解
于
液
相
的
浓
度
Pi
Ci
CL
P=HC*
P*=HCL
H—亨利常数，
越难溶解，
H值越大。
(2) 传质理论
• 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
Ci CL
P-Pi
推动力
1
1
阻力
kG
kL
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 ，
kmol/(m2·h· MPa)
KL —以氧浓度差为总推动力的总传质系数，m/h
P*—与液相中氧浓度C相平衡时氧的分压，MPa
C*—与气相中氧分压P达平衡时氧的浓度，kmol/m3
由式 n O 2 K G ( P P ) K G
*
nO2
P P*
1
P P* P Pi Pi P* P Pi H(Ci CL )
KG
nO2
nO 2
nO 2
nO 2
nO2
P Pi
1 P Pi
nO2
1 kG
kG
nO2
Ci CL
no2
1/ kL
1
1
H
KG kG kL
1 Ci CL
kL
nO2
1
1
1
K L HkG k L
K L k L ,说明这一过程液膜阻力是主要因素。
返回
3.氧传递方程
• 在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积
溶氧系数或体积传质系数。
• 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
返回
OTR—单位体积培养液中氧的传递速率，
kmol (m3 h)
KLa—以浓度差为推动力的体积溶氧系数，
h-1,s-1
KGa—以分压差为推动力的体积溶氧系数,
3
kmol (m h MPa)
三. 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
• 细胞呼吸的本征要求: x QO
2
• 氧传递特征（发酵罐传递性能）
– 若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高
传递能力；
– 若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产
菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。
– 供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：
OTR K L a(C * CL ) QO2 x (QO2 ) m
传递
消耗
CL x
K CL
变换
(QO2 ) m x
CL
CL
(1 * )
*
C
K L aC
K CL
(QO2 ) m x
令
Da
则
1 y
y
y 2 ( Da 1) y 0
Da
y
K La C *
K C* , y CL C*
2
B
4
B
y
2
2
B Da 1
无因次数Da为Damköhler 准数，物理意义是细胞的
最大耗氧量与最大供氧量之比。
当Da ＜1时，细胞的耗氧量＜最大供氧量，存在耗
氧限制，整个过程受呼吸速率控制；
当Da ＞1时，细胞的耗氧量＞最大供氧量，存在供
氧限制，整个过程受氧传递速率控制。
对于一个给定的发酵设备和微生物，C*、k0、(QO2)m
已知，假定呼吸只与氧的限制有关，则,
Da
(QO2 ) m
*
K LaC
x 1x
稳态过程中，在KLa一定时，细胞浓度对呼吸强度的影响
在发酵过程中，OTR和γ平衡非常短暂，然后又打破，又
平衡。
对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式
求得。
KLa
kLa亦可称为“通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通
气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条
件贫乏。
QO2 x
C * CL
• 在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化
可用下式表示: dC
*
L
dt
K L a (C C L ) QO2 ` x
dC L
0
• 在稳态时,则 dt
CL C
*
，则
QO2 x
KLa
影响氧传递的因素
（一）影响氧传递的因素
由气液传递速率方程 OTR K L a(C* CL )
可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：
1. 影响推动力C*-CL的因素
影响比表面积a的因素
影响液膜传递系数kL的因素
2. kLa的影响因素
1. 影响推动力C*-CL的因素
1) 温度
• 氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在
1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的
纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:
14.6
C
t 31.6
*
w
t—温度,℃
T ↑ ，Cw* ↓ ，推动力↓
2) 溶质
A. 电解质（盐析作用使氧的饱和溶解度降低，推动力
下降）
*
Cw
1)对于单一电解质 lg * KC E
Ce
(CE , C*e )
Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3
Cw*—氧在纯水中的溶解度, mol/m3
CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3
K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变
化.
2) 溶质（续）
2）对于几种电解质的混合溶液：
C*w
lg * h i I i
Ce
i
式中 hi—第i种离子的常数, m3/kmol
1
离子强度, kmol/m3
I i Z i C Ei
2
Zi—第i种离子的价数,
—第i种离子的浓度, kmol/m3
C Ei
2) 溶质（续）
B. 非电解质
Cw*
lg * KCN
Cn
式中
(CN , C )
*
n
Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3
CN—非电解质或有机物浓度, kg/m3
k—非电解质的Sechenov常数, m3/kg
2) 溶质
C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加
Cw*
Cw*
lg * hi I i lg *
Cm
Cnj
i
j
Cm*—氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3
溶质↑
Cm*↓
3) 溶剂
• 通常溶剂为水;
• 氧在一些有机化合物中溶解度比水中高，可以
通过添加有机溶剂来降低水的极性从而增加溶
解氧的浓度
4) 氧分压
• 提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分
压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一
定限度的。
• 保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气
中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。
影响KLa的因素
发酵罐的形状，结构（几何参数）
搅拌器，空气分布器（几何参数）
通气：表观线速度Ws
② 操作条件 搅拌：转速N，搅拌功率PG
发酵液体积V，液柱高度HL
③发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子
强度、菌体量
①设备参数
KLa的准数关联式
综合①②③三类影响因素，有
K L a f (d , N ,Ws , DL ,, , , g )
其中 d—搅拌器直径，m ;
Ν—搅拌器转速，s-1 ;
Ws— 表观线速度，m/s ; DL—扩散系数, m2/s ;
—液体粘度，Pa·s ; ρ—液体密度，kg/m3;
σ—界面张力，N/m;
g—重力加速度, 9.81m/s2
写成准数式(无因次式)
K La d 2
DL
Nd2 2 N 2 d 3 Ws Nd 6
) (
) (
) (
)
＝ 1 ( ) (
DL
g
Ws
4
KLa d 2
Sherw ood 准数
DL
Re m
Nd2
Renolds准数
5
N 2d
Froude 准数
g
Schmidt 准数
DL
Ws
＝气流准数
Qg
Nd
Na
通气准数
3
Ws
Nd
KLa影响因素的分析依据
：
以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：
Nd 1.5
K La d
)
＝0.06 (
DL
2
2
N 2d 0.19 0.5 Ws 0.6 ( NDi ) 0.32
(
) (
(
)
)
Ws
DL
g
合并化简得：
N 2.2 d 1.51DL0.5Ws0.28
KLa=0.06
0.4 g 0.19 0.6
在PG的计算中要满足下列条件:
2
Nd
①P的计算与Rem值有关:Re m
Rem﹤10
x=-1层流
Rem﹥104 x=0 湍流
操作条件的影响
A. 搅拌对KLa的影响
搅拌作用(影响KLa原理)
– 将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝
聚，从而增大气液相的接触面积，即a↑→KLa↑→溶氧↑
– 搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧↑
– 搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传
递过程的阻力，即1/KL↓→KL↑→KLa↑→溶氧↑
– 搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中接
触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体
表面液膜的厚度，有利于氧的传递。
搅拌对KLa的影响（续）
• N（搅拌转速）并不是越大越好
剪切力↑， 对细胞损伤↑，对形态破坏↑
N↑
发酵期间搅拌热↑,增加传热负荷
B. 通气对KLa的影响:
• 在通气量Q较低时, Q↑→Ws↑→ KLa↑
C. 通气、搅拌的关联对KLa的影
响
•
PG↑, Ws↑, KLa↑, 但Ws的增加是有上限的,
Nd 2
W
s
当Ws ＞(Ws)m, Ws会通过 Na
、 Rem=
Nd
来影响PG,导致PG严重下降.
∴Ws ＞(Ws)m， PG ↓，KLa ↓
C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响
当通气量超过一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分
散到液体中去, 而在大量气泡中空转, 发生“过载”现象, 此时
搅拌功率PG会大大下降, KLa也会大大下降。
PG
lg K L a lg K ( ) lg Ws
V
表观空气速度与KLa的关系
设备参数的影响
A. 设备规模的影响
• 单位体积的液体的搅拌功率的指数α随培养装置的规
模而相应变化
如: 小试 9L→α=0.95
中试 500L→α=0.67
生产规模 27T～54T→α=0.50
可见, 在放大过程中, KLa在相同条件下会减小.
B. 设备形状结构的影响:
• 如20T的伍式发酵罐: α=0.72, ß =0.11
C. 搅拌器形式的影响: α、β数值不同
对于α值:弯叶>平叶>箭叶
对于β值:弯叶>箭叶>平叶
但是破碎细胞能力: 平叶>箭叶>弯叶
翻动流体能力: 箭叶>弯叶>平叶
此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内
的相对位置等对KLa都有影响.
平叶
箭叶
弯叶
发酵液性质的影响
A. 表面活性剂的影响
气液界面厚度↑, 1/kL↑, kL↓
表面活性剂的浓度↑
气泡变小↓, a↑
KLa受两种
趋势影响
低浓度表面活性剂时,以a为主, KLa↑
添加至一定量时, kL降至最低, KLa下降显著
再继续增加时，kL维持最低水平不再下降，而a↑↑，此时
KLa从最低点有所回升
表面活性剂月桂基磺酸钠（NaLSO4）浓度对KLa、KL和da的影响
B. 离子强度对KLa的影响
• 电解质溶液浓度↑,则气泡变小↓,a↑, KLa↑;
• 有机溶质浓度↑,则气泡变小↓,a↑, KLa↑
∴电解质溶液浓度↑，传氧特性好(KLa↑),溶氧特性C*E ↓差.
具体的，离子强度I影响KLa公式中的α,β,k值.
• I=0～0.4时, α=0.40+0.862I/(0.274+I), 且I↑,常数k↑.
I>0.4时, α=0.9, k值不再变化.
• β也随I增大而增大，但I对β的影响较小，β在0.35
~0.39之间变化，不如α变化大.
C. 菌体浓度
• 细胞浓度 x↑，KLa↓
菌丝浓度对KLa的影响
（二）发酵过程中的氧传递效率
• 定义：每溶解1kg O2所消耗的电能（千瓦小时/kg O2)
定义为氧传递效率或传氧效率。
• 意义：
– 代表每传递1kg O2所需输入的能量，这个能量包括搅拌器和
空气压缩机耗用功率的总能量。
– 数值越低，传氧效率越高。
– 作为评价通气发酵罐的重要指标，可以此作为评价和比较不
同类型的发酵工艺及不同规模的发酵罐操作的一个直接手段。
（二）发酵过程中的氧传递效率（续）
• 传氧效率的测定：Na2SO3氧化法测定
• 传氧效率的比较
– 对于大罐和小罐，小罐的传氧效率高；
– 对于相同的罐，牛顿型流体比非牛顿型流体传氧效
率高；
– 对于规模相同，同为牛顿型流体，但发酵液类别不
同，在 KLa相同时，传氧效率基本一致。
溶解氧、摄氧率和KLa的测定
（一）溶解氧CL的测定原理与方法
• 化学法
• 极谱法
• 复膜氧电极法
（1） 化学法
• 原理：在样品中加入硫酸锰和碱性KI溶液，生成氢氧化锰沉淀，与溶
解氧反应生成锰酸锰，再在反应液中加入H2SO4, 释放出游离的碘，
然后用标准Na2S2O3液滴定。
MnSO4+2NaOH→ Mn(OH)2十Na2SO4
2Mn(OH)2+O2→MnO(OH)2↓
MnO(OH)2+Mn(OH)2→MnMnO3+2H2O
MnMnO3+3H2SO4+2KI→2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4
I2+2Na2S2O3→2NaI十Na2S4O6
前四步反应与空气隔绝
（1） 化学法（续）
• 优点：测定较准确，且能得到氧的浓度
值。
• 缺点：当样品中存在氧化还原性物质，
测定结果会有偏差；当样品带有颜色时，
会影响测定终点的判断，故不适合测定
发酵液的溶解氧浓度。
（2）极谱法
原理：给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考电
极（阳极）加上直流电压，当电解电压固定在
0.8V左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生
如下氧化还原反应而被消耗，
酸性时 O2+2H++2e→ H2O2
中性或碱性时 O2＋2H2O +2e → H2O2＋2OH－
•
原理：
阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓
度差，于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极
的表面参加电极反应，使电路中维持一定的电
流。当氧的扩散过程达到稳定状态时，溶解氧
浓度与测得的扩散电流成正比。
氧浓度与扩散电流的关系
iL
CL CC
2 F DL A
iL
CL
2F DL A
（2）极谱法
• 阴极表面极易被污染，影响重现性，所以一般
采用滴汞电板作为阴极，阳极则可用甘汞电极。
• 如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响
电极反应，从而影响到该法的准确性，使测定
结果有误差。
（3）复膜氧电极法
• 复膜氧电极类型：极谱型；原电池型
• 原理：复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩
散速率。当扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散
速率为：
no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc)
根据Faraday定律，原电池型氧电极的稳定电流为：
i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=K’PL
∴溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压
复膜氧电极示意图
（a）极谱型 （b）原电池型
c
复膜氧电极内外氧电压的分布
（二）摄氧率γ的测定原理与方法
• 瓦氏呼吸仪法
• 物料衡算法
• 氧电极法
（1）瓦氏呼吸仪法
• 通过测压计测定密闭
三角瓶的压力变化速
率即氧的消耗速率，
根据培养液体积计算
摄氧率。
（2）物料衡算法
dCL Qi pi Qo po
VL
QO2 XVL
dt
RTi
RTo
稳态时，
dC L
0
dt
1 Qi pi Qo po
QO2 X (
)
VL RTi
RTo
（3）氧电极法
• 如果在某一时刻停止向发酵液通气，而维持原来的搅
拌转速，则
dC L
QO2 X
dt
（CL>Ccr）
KLa的测定原理与方法
•
•
•
•
•
•
亚硫酸盐氧化法
取样极谱法
物料衡算法
动态法
排气法
复膜电极法
（1） 亚硫酸盐氧化法
• 原理
– 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速
氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。
– 当亚硫酸钠浓度为0.018～0.5kmol/m3、温度在20～
45℃之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。亚硫酸
钠的氧化速度远远大于氧的溶解速度，即氧一进入
马上被亚硫酸钠利用。
– 用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧传递
速率OTR, 再由式OTR=KLaC*求出 KLa 。
（1）亚硫酸盐氧化法（续）
• 亚硫酸盐氧化法值Kd （氧分压差为传
氧推动力的体积溶氧系数）
• OTR=KdP
OTR
CV
Kd
[m olO2 /(m l min MPa)]
p
4000Stp
（1）亚硫酸盐氧化法（续）
• 优点
– 氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，
不需特殊仪器。
• 缺点
– 不及极谱法准确；
– 只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L
以内才较准确可靠；
– 不能对发酵过程实测，∵Na2SO3对微生物生长有影
响，且发酵液的性质影响氧的传递。只能表示发酵
设备的通气效率。
（2）取样极谱法
方法：将从发酵罐中取出的样品置于极谱
仪的电解池中，记下随时间而下降的发
酵液中氧浓度CL的数值，以时间为横坐
标，溶解氧浓度为纵坐标作图。
（2）取样极谱法
• 原理
当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大小与液体中溶解氧
的浓度呈正比关系。
由式
KLa
KLa
C * CL
QO 2 X
斜率
C * CL
C * CL
求得
• 优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算
出溶氧系数。
• 缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的
氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵
罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。
极谱法工作曲线
(3)物料衡算法
• 对发酵液中的氧进行物料衡算
dC L
K L a (C * C L )
dt
稳态时
dC L
0
dt
K L a /(C* CL )
于是
对大型发酵罐，可用平均推动力 (C C L ) m
*
(C i C L ) (C o C L )
*
*
(C i C L )
*
ln
(C o C L )
*
（4）动态法
• 原理
发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态
来求KLa。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶
氧量为：
可改写为
dC L
K L a(C * C L ) QO 2 x
dt
CL (
1 dCL
)(
QO 2 x) C *
K L a dt
1 dCL
(－
)(
) C*
K L a dt
停气t1, C1→ C2, γ=QO2·x=
通气t2， C2→ C1，
C1 C 2
t1
dC L C1 C2
dt
t2
dC L
) 作图可得一直线，斜率为－1/KLa, 在CL
将CL对 （
dt
轴上截距为C*.
停气和通气后培养液中溶氧浓度的变化情况
利用动态过程测得的数据求出KLa和C*
（4）动态法
• 优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解
氧浓度，并可计算出溶氧系数。
• 缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连
续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止
通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定
的误差。
（5）排气法
• 原理（非发酵状态）
在被测定的发酵罐中先用氮气赶去液体中的溶解氧或装入
已除去溶解氧的0.1mol/L的KCl溶液，当开始通气及搅拌后，
定时取样用极谱仪或其它溶氧测定仪测出溶氧浓度CL，同时
通过将CL对t作图求出溶液中饱和的溶氧浓度 C*.不稳定状态，
发酵液中没有微生物细胞，氧分子从气体主流扩散至液体主
流的传质速率
dC
*
K
a
(
C
CL )
*
C L CL
dt ln
K La t
*
C
C CL
t=0,CL=0
C*
*
lg
以
对t标绘即可得一直线， KLa=-2.303×斜率
排气法测定溶氧系数的曲线
（5）排气法（续）
• 缺点
– 结果不真实，不能代表发酵过程中的实际情
况，也不能反映当时发酵液的特性，同时也
没有考虑到氧浓度差△C对KLa的影响。
（6）复膜电极法
• 利用复膜电极可在发酵过程中测定发酵液的
溶解氧浓度、微生物菌体的耗氧速率及溶氧
系数KLa，这样测出的溶解氧浓度、微生物
菌体的耗氧速率及溶氧系数可代表发酵过程
中的实际情况，是比较理想的测定方法，也
是目前较为常用的方法。
本章小结
• 了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念
• 掌握发酵过程中氧的传递方程，及其参数的测定
• 深入理解KLa的意义，掌握影响氧传递的因素
• 了解溶氧相关参数的测定，掌握KLa的测定