氧的供需及对发酵的影响课件

溶氧(dissolvedoxygen，DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。

在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。第六章氧的供需及对发酵的影响1可编辑版第一节微生物对氧的需求第二节发酵液中氧的供给第三节影响Kla的因素（供氧的调节）第四节与溶氧相关的参数测定第五节发酵过程中溶氧监控的意义2可编辑版第一节微生物对氧的需求一、描述微生物需氧的物理量

比耗氧速度(呼吸强度)（Qo2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g-1cell·h-1

摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=Qo2.X3可编辑版微生物温度/℃临界氧值/(mmolO2/L)温度/℃临界氧值/(mgO2/L)大肠杆菌37.80.00820.003115.00.26酵母34.80.00460.003720.00.60产黄青霉30.00.00900.022024.00.40几种微生物的呼吸临界氧值4可编辑版二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr:

临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。5可编辑版一般对于微生物：CCr:

＝1～15%饱和浓度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

产黄青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧浓度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.6可编辑版问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。例：以微生物的摄氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

计，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：

头孢菌素卷须霉素生长5%(相对于饱和浓度）13%产物>13%>8%7可编辑版品种测定水温窒息点（mmol/l)相当于鲤鱼290.09-0.014%鲢鱼270.01-0.024-8%鲫鱼290.0042%氧对鱼类的影响胡隐昌，水产养殖,20038可编辑版三、影响需氧的因素r=QO2·X

菌体浓度QO2

遗传因素

菌龄

营养的成分与浓度

有害物质的积累

培养条件9可编辑版第二节反应器中氧的传递CP气膜液膜只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微生物所利用双膜理论前提：气泡与包围着气泡的液体间存在接触面；气泡侧为气膜，液泡侧为液膜。O2以扩散方式，借浓度差由气液双膜进入液相。双膜之间两相界面上，氧分压强与溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系；传质过程处于稳定态，传质途径个各点氧浓度不随时间变化。双膜理论PiCi传氧方向界面10可编辑版第二节反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程CP气膜液膜N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数m/hP:气相中氧的分压强C：液相溶解氧浓度双膜理论PiCi传氧方向界面11可编辑版C*＝P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)

再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a(m2/m3)Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-112可编辑版二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面13可编辑版三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa

和C*来调节其中C*＝P/HNvHPKLa14可编辑版调节KLa是最常用的方法，KLa反映了设备的供氧能力。

45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的设备供氧能力不一样15可编辑版第三节影响KLa的因素KLa反映了设备的供氧能力。发酵常用的设备为：摇瓶发酵罐

16可编辑版一、影响摇瓶KLa的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12，转述250rpm17可编辑版装液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml50ml750ml80ml例：

500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml

酶活力7137342539218可编辑版二、影响发酵罐中KLa的因素19可编辑版20可编辑版21可编辑版已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：22可编辑版1、理论上分析KLand通气量提高搅拌转速，调节KLa的效果显著23可编辑版例某一产品的发酵

dnp0/vc产量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生产糖化酶

n230230270

通气比1:0.81:1.21:0.8

产量181224162846提高d、n显著提高C，提高了产量提高n，比提高Q有效24可编辑版2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的蒸发量大中间挥发性代谢产物带走25可编辑版例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培养，比色法测定产量：通气静止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的26可编辑版3、小型发酵罐和大型发酵罐调节KLa的特点

小型发酵罐，转速可调

大型发酵罐，转速往往不可调

大型反应器的合理设计

对现有设备一定要注意工艺配套27可编辑版4、生物反应器放大的基本思想小型反应器和大型反应器的差异：传动传热传递生物反应过程剪切、混合、供氧28可编辑版29可编辑版箭叶平叶30可编辑版不同搅拌浆对菌体浓度的影响31可编辑版发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化平叶箭叶箭叶：在4h左右溶氧就从90的下降到14.8%，通过不断提高转数DO水平始终维持在20%左右。平叶：在8h左右才下降到23.43%;中后期DO水平则一直在40%以上。32可编辑版平叶箭叶庆大霉素的生产水平提高了40%以上33可编辑版34可编辑版35可编辑版计算流体力学36可编辑版

发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败(供氧、混合、剪切）。37可编辑版

根据r,KLa、搅拌桨特性→搅拌功率根据r、菌体细胞剪切→搅拌器形式、转速等;

搅拌器的混和计算流体力学的应用研究;

大型发酵罐高功率搅拌器的加工与平衡，传动装置技术和整体罐结构设计研究;

。。。。。。。张嗣良，中国生物工程杂志，200538可编辑版根据r,KLa、搅拌桨特性→搅拌功率KLaN,D(搅拌功率）Q（通气量）大小小大39可编辑版5、影响KLa的其它因素空气分布器液体的粘度氧载体40可编辑版41可编辑版

通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻力，从而提高传氧效率(Mengeetal.,2001;Loweetal.,1998)。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体oxygen-vector)。通常使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。42可编辑版溶氧水平提高，虾青素合成增加43可编辑版读书报告：溶氧对发酵的影响及其控制要求：字数不限要有参考文献（06年以后）44可编辑版第四节CL、r和KLa的测定一、CL的测定1、化学法45可编辑版2、溶氧电极

极谱型(阴极)：O2+2H++2e→H2O2

原电池型(阴极)：O2+2H2O+4e→4OH-46可编辑版

极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5～30μA(主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。

膜：耐温、透气、不通水

测定：一般是得到相对值47可编辑版二、r的测定1、物料衡算

流量（进口空气中氧的氧含量—出口空气中的氧含量）r=————————————————————————

发酵液体积氧的浓度：氧分压仪48可编辑版2、溶氧电极停止供气：dCL——=-rdt49可编辑版三、KLa的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）氧→亚硫酸钠的氧化KLa.C*=亚硫酸浓度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO450可编辑版2、平衡法

rKLa=————C*-CL例：一装料为7L的发酵罐，通气量1vvm，操作压力为0.3Kg/cm2，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的25%，空气进入时的氧含量为21%，废气排出时的氧含量为19.8%。（1

atm时氧饱和浓度C*=0.2mmol/L，氧气密度1.429g/L）求此时菌的摄氧率和KLa51可编辑版r=Q*(Y进口-Y出口)/VKLa=r/(C*-CL)发酵罐中实际氧饱和浓度：C*=0.2(1+P)KLa＝r/0.206(0.21-0.198)r=1×7×60×(0.21-0.198)×1.429/32×103

/752可编辑版3、动态法

不同的测定方法得出的kLa是不一样的53可编辑版第五节溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定KLa下）：rXQCL一般有一个低谷，在对数生长的末期54可编辑版华东理工大学学报，200055可编辑版OUR=r：摄氧率TEMP：温度AGIT：搅拌转速DO：溶氧浓度56可编辑版结论：

当OUR(r)与DO反向变化时,表明其限制因素为细胞水平的菌体代谢问题,当OUR(r)与DO同向变化时,表明其限制因素为工程水平的氧传递问题。此时溶氧处于临界氧以下(这一结论)可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。57可编辑版二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反应:

XS→P+Xπ=a+bμ58可编辑版溶氧浓度的变化及其控制59可编辑版菌体生长期：酶系统Ⅰ酶系统Ⅱ关键因子开始的细胞生长好后的细胞产物合成60可编辑版产物形成期：底物产物酶系统Ⅱ

反应动力学问题

61可编辑版发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体