发酵过程中溶氧控制原理

一、溶氧异常变化原因

溶氧异常下降原因

污染好气性杂菌：大量溶氧被消耗，短时间内下降到零附近
菌体代谢异常：需氧要求增加，使溶氧下降
设备或工艺控制故障：
- 搅拌功率消耗变小或速度变慢
- 消沫油自动加油器失灵或人为加重过多
- 停搅拌、闷罐（关闭排气阀）等操作

溶氧异常升高原因

菌体代谢异常：耗氧能力下降，使溶氧上升
污染烈性噬菌体：
- 产生菌尚未裂解前，呼吸已受抑制
- 菌体破裂后完全失去呼吸能力

二、耗氧与供氧关系

耗氧速率

耗氧速率随微生物种类、代谢途径和菌体浓度不同而不同
大致范围：25-100mmol/L·h
某些微生物耗氧速率远超过此数值
微生物生长和产物形成阶段的好氧速率有时不一致
过高的溶氧浓度可能对产物形成不利

供氧、耗氧与产物形成关系

类型一

产物形成期的氧消耗与菌体生长期的最大需氧量一致

类型二

产物形成期的最大需氧量超过菌体生长期的最大需氧量

类型三

产物形成期的最大需氧量低于菌体生长期的最大需氧量

关键控制点：掌握不同微生物在各阶段的需氧情况，才能对发酵生产进行良好控制

三、氧传递阻力分析

耗氧方面的阻力

细胞周围液膜阻力 (1/k₅)

与发酵液成分和浓度有关

菌丝丛或团内扩散阻力 (1/k₆)

与微生物种类、特性和生理状态有关

单细胞细菌和酵母不存在此阻力

菌丝菌（如霉菌）此阻力最突出

细胞膜阻力 (1/k₇)

与微生物的生理特性相关

细胞内反应阻力 (1/k₈)

氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力

与微生物种类、生理特性有关

阻力控制因素

氧难溶于水，液膜阻力(1/kₗ)比较显著，是控制因素
液体主流和细胞壁上氧浓度差很小
氧通过细胞周围液膜的阻力(1/k₅)很小
液膜阻力随细胞外径增大而增大
搅拌可减少菌体结团，增加液体和菌体间相对运动，减少膜厚度和阻力

                    细胞内反应阻力产生条件
                    培养基成分与其相应的酶的作用失活
温度、pH等生理条件不适于酶的反应
代谢产物积累或不能及时从反应处移去

                

四、氧传递基本理论

双膜理论

在氧传递过程中，气相到液相的过程是限制步骤
液膜阻力(1/K)是控制因素
提高氧传递速率即提高氧从气相到液相的传质速率

稳定传质过程方程

N = k_G(P - P_i) = k_L(C_i - C)

其中：

N - 传氧速率 (kmol/m²·h)
k_G - 气膜传质系数 (kmol/m²·h·atm)
k_L - 液膜传质系数 (m/h)
P - 气相主流中氧的分压 (atm)
P_i - 气液界面上氧分压 (atm)
C - 液相主流中氧的浓度 (kmol/m³)
C_i - 气液界面上氧的平衡浓度 (kmol/m³)

总传质系数方程

N = K_G(P - P*) = K_L(C* - C)

其中：

P* - 与液相平衡的气相分压 (atm)
C* - 与气相平衡的液相浓度 (kmol/m³)

亨利定律

p = H·C*

p* = H·C

H为亨利常数 (atm·m³/kmol O₂)

H越大，气体越难溶解
氧难溶于水，H很大

液膜阻力主导

N = K_L(C* - C) = k_L(C* - C)

由于H很大，液膜阻力远大于气膜阻力，通常以(C* - C)为溶氧推动力计算传氧速率

五、影响传氧速率的因素

搅拌

把大气泡打成小气泡，增加接触面积
小气泡上升速度慢，延长接触时间
使液体作涡流运动，增加气泡运动路径
减少菌体结团，降低液膜阻力

空气流速

K_La正比于空气线速度V_s
但增加通风量Q时：
- 转速N不变时，P_g下降，K_La下降
- V_s过大可能发生过载现象
最佳方案：增大Q同时提高N

空气分布管

形式、喷口直径及位置影响氧溶解速率
通风量小时(0.02~0.5ml/s)：气泡直径∝喷口直径^1/3
工业通风量远超过此范围：气泡直径与通风量有关
发酵工业多采用单管空气分布器

氧分压

增加推动力(C* - C)或(P - P*)
增加罐压或用含氧较多空气或纯氧
过分增加罐压不提倡：设备成本增加
氧分压过高影响菌的生理代谢

罐内液柱高度

空气流量和单位体积功率不变时，通风效率随H/D增大而增加
但H/D太大，溶氧系数增加不大
一般H/D=2~3为宜

罐容

体积大的氧利用率高(7~10%)
体积小的氧利用率低(3~5%)

醪液性质

黏度、表面张力等影响气泡大小和稳定性
丝状菌发酵液对溶氧系数有明显不利影响

温度

温度增高能提高K_La

有机物质和表面活性剂

消泡油脂等分布在气液界面，增大传递阻力
使氧传递系数K_La等发生变化

离子强度

电解质溶液中生成的气泡比水中小
电解质溶液的K_La比水大
随电解质浓度增加，K_La增加

六、溶氧系数及其测定

溶氧系数常见形式

符号	名称	推动力
K_La	以浓度差为推动力的体积溶氧系数	浓度差
K_Ga	以氧分压差为推动力的溶氧系数	压力差
K_d	亚硫酸盐氧化值	压力差
K_v	与K_d相同，单位不同	压力差

亚硫酸盐氧化法

反应原理

Na₂SO₃ + 1/2 O₂ → Na₂SO₄

Na₂SO₃ + I₂ + H₂O → Na₂SO₄ + 2HI

Na₂S₂O₃ + I₂ → Na₂S₄O₆ + 2NaI

每1mol溶氧可氧化2mol Na₂SO₃，消耗4mol Na₂S₂O₃

计算方法

N_v = V·N·60/(m·t·4) (mol/L·h)

其中：

V - 滴定用标准Na₂S₂O₃体积差(ml)
N - Na₂S₂O₃标定浓度(mol/L)
m - 样液体积(ml)
t - 氧化时间(min)

溶氧电极测定法

原理：电极产生电流强度与测量液体中溶氧浓度成正比

标定：

放入Na₂SO₃水溶液中，搅拌，定为0%溶氧
放入水中，通气搅拌至饱和，定为100%溶氧

溶氧系数换算

K_d = K_La / H

其中：

K_d - 以氧分压差为推动力的体积溶氧系数
K_La - 以浓度差为推动力的体积溶氧系数
H - 亨利常数