第四章氧的供需4

1、 第四章第四章 发酵过程控制发酵过程控制第四节第四节 氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响http:/ 溶氧控制复习题1、什么叫呼吸强度、耗氧速率和临界氧浓度。2、氧从气相传递到细胞内要克服哪些阻力，其 中最大阻力是哪一个。3、描述供氧与耗氧平衡方程式。4、溶氧对发酵有何影响。5、影响氧传递的因素有哪一些。6、在发酵过程中如何从供氧和需氧两个方面对 溶氧进行控制。7、溶氧表示方法有哪几种其中哪一种是常用的。湖北工业大学生物工程学院http:/ 微生物的需氧和溶解氧的控制微生物的需氧和溶解氧的控制 一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系 a. 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要好气性微

2、生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气消耗氧气。 b.微生物只能利用溶解于液体中的氧微生物只能利用溶解于液体中的氧（需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中）。 c.各种需氧微生物的吸氧量或呼吸强度是不同各种需氧微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的的(各种好气微生物所含的氧化酶体系如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等的种类和数量不同) 。 湖北工业大学生物工程学院http:/ 溶氧溶氧(do)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程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中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制控制因因素。素。 在在28氧在发

3、酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 mmol.l-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之内几秒（分）钟之内便便耗竭，使溶氧成为限制因素。耗竭，使溶氧成为限制因素。 氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响湖北工业大学生物工程学院http:/ 二、微生物的吸氧量二、微生物的吸氧量 呼吸强度和耗氧速率呼吸强度和耗氧速率 呼吸强度呼吸强度 是指单位重量干菌体在单

4、位时间内所吸取的是指单位重量干菌体在单位时间内所吸取的氧量氧量 以以qo2，表示，表示mmolo2g干菌体干菌体h。 耗氧速率耗氧速率 是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量， 以以r表示，单位为表示，单位为mmo10 2lh。 微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积液体的菌体浓度。度和单位体积液体的菌体浓度。 rqo2x 式中：式中：r微生物耗氧速率微生物耗氧速率mmo1o2(lh)； qo2 菌体呼吸强度，菌体呼吸强度，mmolo2(gh)； x 发酵液中菌体浓度，发酵液中菌体浓度

5、，(gl)。 湖北工业大学生物工程学院http:/ clccr: 临界溶氧浓度临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v微生物对氧的需求微生物对氧的需求湖北工业大学生物工程学院http:/ ccr: 115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.l-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.l-1, 8.8%定义定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧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所以对于微生物生长，只要控制发

6、酵过程中氧饱和度1.氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v微生物对氧的需求微生物对氧的需求湖北工业大学生物工程学院http:/ 2 传质理论传质理论 一、氧的传递途径与传质阻力一、氧的传递途径与传质阻力 在需氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在需氧发酵中，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，系列的传递过程，这些传递过程又可分这些传递过程又可分供供 氧氧及及耗氧耗氧两个方面。两个方面。供氧供氧是指空气中的氧气从空气泡里通过是指空气中的氧气

7、从空气泡里通过气膜气膜、气液界面气液界面和和液膜液膜扩扩散到散到液体主流液体主流中。中。耗氧耗氧是指氧分子自液体主流通过是指氧分子自液体主流通过液膜液膜、菌丝丛菌丝丛、细胞膜细胞膜扩散到扩散到细细胞胞内。内。氧在传递过程中必须克服一系列的阻力，才能被微生物所利用，氧在传递过程中必须克服一系列的阻力，才能被微生物所利用，这些阻力主要可以归纳成如下几种：这些阻力主要可以归纳成如下几种： 湖北工业大学生物工程学院http:/ (1)气膜阻力 ， 为气体主流及气一液界面间的 气膜阻力，与空气情况有关； (2)气液界面阻力 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， (3)液膜阻力 为从

8、气一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 ，液流阻力也是与发酵液的成分和浓度有关 11k2k13k14k1湖北工业大学生物工程学院http:/ (1)细胞周围液膜阻力 ， 细胞周围液膜阻力同样与发酵液的 成份和浓度有关； (2)菌丝丛或团内的扩散阻力 ，这种阻力与微生物的种类、生理特性状态有关 (3)细胞膜的阻力 ，细胞膜的阻力与微生物的生理特性有关； (4)细胞内反应阻力 ，细胞内反应阻力是指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。由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是控制过程，即由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧方

9、面液膜是控制过程，即 液膜阻力液膜阻力 是最为显著的是最为显著的 5k16k17k18k13k1湖北工业大学生物工程学院http:/ 必须穿过这两层膜。氧从空气扩散到气液界面这一段的推动力是空气中氧的分压与界面处氧分压之差，即ppi，氧穿过界面溶于液体，继续扩散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之差，即cicl。与两个推动力相对应的阻力是气膜阻力和液膜阻力。单位接触界面氧的传递速率为： 图图 双膜理论的气液接触双膜理论的气液接触ppicicl气液界面气液界面气膜液膜液相主体气相主体湖北工业大学生物工程学院http:/ p,pi气相中和气、液界面处氧分压，(mpa)； cl, ci液

10、相中和气、液界面处氧的浓度，kmo1m3； kg气膜传质系数，kmo1(m2hmpa)； kl液膜传质系数，kmol(m2hkmolm3或(mh)(111)湖北工业大学生物工程学院http:/ nakg(p-p*)kl(c*-cl) (112) 式中： kg以氧分压差为总推动力的总传质系数，kmo1(m2hmpa) kl以氧浓度差为总推动力的总传质系数，(mh) p*与液相中氧浓度相平衡时氧的分压，(mpa)； c*与气相中氧分压达平衡氧的溶解度，(kmo1m3)。湖北工业大学生物工程学院http:/ 为方便于实际应用，内界面以a表示，单位为(m2m3)， 即单位体积的内界面。在气、液传质过程

11、中，通常将 ,a为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数kla 。溶氧速率方程为： *)pp(h1k)pp(k)cc (knlagal*la*式中：n单位体积液体氧的传递速率，kmol(m3h)； kla以浓度差为推动力的体积溶氧系数，(h-3)； kg a以分压差为推动力的体积溶氧系数，kmo1(m3hmpa)； cl溶液中氧的实际浓度，(kmo1m3)； c*与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，(kmolm3)； p气相中氧的分压，(mpa)； p*与液相中氧浓度c平衡时的氧分压，(mpa)； h亨利常数，(m3mpakmo1)。 kla、kga、kd、kv称为体积溶氧系数。 kl湖北工

12、业大学生物工程学院http:/ 即： p=hc* p*=hcl (113) pi=hci 式中：h亨利常数，它表示气体溶解于液体的易难程度。如在亚硫酸盐溶液中，当氧分压为0.21mpa，溶氧浓度为0.2mmo1/l，即： 根据式(112)：)molo/mpaml(1005. 1)mmolo/mpal(105. 02 . 0021. 0cph262*湖北工业大学生物工程学院http:/ *ppnkagaliaiaiaiagncchnppnppnppnppk)(1* 又根据式(111)： alilaignccknppk1,1 湖北工业大学生物工程学院http:/ 可略，则kgkg，说明这溶解过程的

13、主要阻力是气膜阻力。 对于难溶气体，如氧溶于水，h值甚大，式(11-5)右边第一项 可以略去，则klkl，说明这一过程液膜阻力是主要因素。ghk1湖北工业大学生物工程学院http:/ 要保持发酵液一定的溶氧速度，供氧与耗氧供氧与耗氧至少必须平衡平衡，可用下式表示： nkla(c*-cl)=qo2x (117) (118) 式中：qo2微生物的呼吸强度，即单位菌体细胞(干重)单位时间内的需氧量，mmo1/g(干重)h或mol/(mg(干重)h)； x菌体细胞的浓度，(g/l)。l*olaccxqk2 移项后得湖北工业大学生物工程学院http:/ kla “亦可称为“通气效率”，可用来衡量发酵罐的

14、通气状况，高值表示通气条件富裕，低值则表示通气条件贫乏。 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xq)cc (kdtdc2ol*lal在稳定状态(119)(11-10)0dtdcl则kla(c*c) qo2x湖北工业大学生物工程学院http:/ 3 溶氧对发酵的影响溶氧对发酵的影响 3.1 溶氧作为发酵中氧是否足够的度量、了解菌对氧利用的规律 通过在各批发酵中维持不同氧浓度看其对摄氧率或产量的影响，通过在各批发酵中维持不同氧浓度看其对摄氧率或产量的影响， 求出求出 菌呼吸的临界氧浓度菌呼吸的临界氧浓度 生物合成的临界氧浓度。生物合成的临界氧浓度。 生物合成最适氧浓度与菌呼吸的临界

15、氧浓度是不同的生物合成最适氧浓度与菌呼吸的临界氧浓度是不同的， 为了避免使抗生素的合成处在限制氧的条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程中保持在最适氧浓度。这样便有可能减少批与批之间的波动和更有效地利用空气动力。湖北工业大学生物工程学院http:/ 都有一溶氧低谷阶段,在此阶段，菌的摄氧率也往往呈现一高峰值，与溶氧低谷值相对应，同一品种在供氧较充裕条件下，低谷时的溶氧水平较高，反之，溶氧水平较低。 在溶氧低谷阶段，加强供氧对发酵单位是否有好处呢? 表94各种抗生素发酵的前期 溶氧低谷出现的时间 品 种 溶氧低谷出现时间(h) 红霉素 两性霉素 土霉素 链霉素 赤霉

16、素 卷须霉素 头抱菌素g 制霉菌素 利福霉素 烟曲霉素 2050 3050 1030 3070 2060 9050 205 0 2570 50一70 2030湖北工业大学生物工程学院http:/ 溶氧作为发酵异常情况的指示. (1)发酵中污染好气性杂菌污染好气性杂菌。溶氧会溶氧会一反往常在较短的时间内一反往常在较短的时间内，跌到零附跌到零附近，近，跌零后长时间跌零后长时间不回升不回升。 有时会出现染菌后溶氧反而升高的染菌后溶氧反而升高的现象现象，这是因为生产菌受到杂菌的抑制。而杂茵本身又非十分好气杂茵本身又非十分好气。这样生产菌的呼吸大为减弱而使溶氧上升。 另外补料或加油在供氧不良的罐内也会引

17、起溶氧迅速降低，若溶氧原来较低就容易降至零。一般13小时溶氧即回升，这可与染菌时的溶氧变化相区别。须要积累更多的数据才能判断中后期溶氧对各种抗生素发酵的影响。 湖北工业大学生物工程学院http:/ (2) 污染噬菌体或其它不明原因会出现发酵液变稀现象，此时溶氧迅速回升(3) 赤霉素发酵时有的罐批会出现发酸现象，发酸可能是溶氧不足而引起的。导致溶氧处于较低水平的原因是工艺控制不善。 湖北工业大学生物工程学院http:/ (5)作为质量控制指标。在天门冬酰氨酶发酵中，前期是好气培养而后期转为厌气培养，酶的活力可大为提高。而掌握由好气转为厌气培养的时机是颇为关键的。经试验发现当溶氧值下降到45%饱和

18、度时，就从好气培养转为厌气培养，并适当地补充基质，培养液中天门冬酰氨酶的活力提高六倍。在酵母以及不少其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代谢方向的最好的指标之一。湖北工业大学生物工程学院http:/ 3.3 溶氧作为发酵中间控制的手段溶氧作为发酵中间控制的手段之一之一 将溶氧或排气二氧化碳与ph值一起作为控制青霉素发酵的参数。添加糖时，菌丝量和呼吸增加，溶氧下降 。相反，碳源减少，呼吸减少，溶氧上升 ，故利用上述现象便可有效控制溶氧在所需的最适范围内。 用ph来调节青霉素发酵的加糖速率，其主要缺点是发酵的前13时间ph的变化显得很敏感。但这种响应到了发酵晚期逐渐迟钝，以致补料系统的错乱可能觉

19、察不到或发觉后也为时已晚。 湖北工业大学生物工程学院http:/ 影响氧传递速率的主要因素影响氧传递速率的主要因素 根据气液传质方程式(式116)可以看出影响氧传递率的因素有溶氧系数kla和推动力c*-cl。发酵罐中液体的体积与高度及发酵液的物理性质等也和供氧有关与溶氧系数kla 有关的有: 搅拌搅拌、空气线速度空气线速度、空气分布器空气分布器的形式、的形式、挡板挡板、发酵液发酵液的体积与高度的体积与高度、发酵液的粘度发酵液的粘度等与推动力c*-cl 有关的有: 发酵液的深度发酵液的深度、氧分压氧分压、发酵液性质发酵液性质等 湖北工业大学生物工程学院http:/ (1)采用机械搅拌提高溶氧系数

20、是行之有效普通采用的方法。 搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积增加了接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢，因此接触时间就增长。 搅拌使液体作涡流运动使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间增加了气液的接触时间。 搅拌使使发酵液呈湍流运动发酵液呈湍流运动，减少气泡周围液膜的厚度减少气泡周围液膜的厚度，减减少液膜阻力少液膜阻力，因而增大增大kla值值。 搅拌使菌体分散使菌体分散，避免结团，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，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。

21、 过度强烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细胞损伤，特别对丝状菌的发酵类型，更应考虑到剪切力对菌体细胞的损伤。 湖北工业大学生物工程学院http:/ (2)搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距距以及在罐内的相对位置罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。 搅拌器按液流形式可分为轴向式和径向式两种。 轴向式轴向式: 浆式、锚式、框式和推进式浆式、锚式、框式和推进式 主要用于上组搅拌起混合作用上组搅拌起混合作用 径向式径向式: 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 它的特点是直径小，转速快，搅拌效率高，功 率消耗较低，产生径向液流， 主要用于下组搅拌打碎气泡下组搅拌打

22、碎气泡湖北工业大学生物工程学院http:/ 湖北工业大学生物工程学院http:/ （平直叶平直叶弯叶弯叶箭叶箭叶http:/ 从右图搅拌液体流型可看出发酵罐从右图搅拌液体流型可看出发酵罐装有装有挡板的重要作用挡板的重要作用，目前国内大，目前国内大发酵罐用排管代替挡板，但一般不发酵罐用排管代替挡板，但一般不如挡板效果好。挡板宽度一般为罐如挡板效果好。挡板宽度一般为罐径的径的与罐壁垂直，与罐壁留有空隙与罐壁垂直，与罐壁留有空隙1040mm101121湖北工业大学生物工程学院http:/ 三、空气分布管 喷口直径越小喷口直径越小，气泡的直径越小，溶氧系数就越大气泡的直径越小，溶氧系数就越大。 一般发

23、酵工业的通风量大发酵工业的通风量大，采用单管或环形管，环形管的小孔易堵塞四、氧的分压 从氧传质方程式看出增加推动力(c*-cl)或(p-p*)，可使氧的溶解度增加。增加空气压力，即增大罐压，或用含氧较多的空气或纯氧都能增增加空气压力，即增大罐压，或用含氧较多的空气或纯氧都能增加氧加氧 的分压。的分压。 h1湖北工业大学生物工程学院http:/ 通风效率是随h/d的增大而增加，h/d为罐的径高比。一般一般罐径高比罐径高比h/d23之间为宜之间为宜。六、发酵罐体积 通常发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用率差发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用率差。七、发酵液的物理性质粘度、表面张力、离子

24、浓度、消泡剂等，影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的 传递效率。 湖北工业大学生物工程学院http:/ 四十年代中期，青霉素的四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。代通风发酵工业的开始。v 在深层通风培养技术中，在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。谢和形成发酵产物。湖北工业大学生物工程学院http:/ 2，机械搅拌发酵罐的结构，机械搅拌发酵罐的结构 好气性机械搅拌发酵罐

25、是密封式受压好气性机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件包括：设备，主要部件包括：v 罐身罐身v 轴封轴封v 消泡器消泡器v 搅拌器搅拌器v 联轴器联轴器v 中间轴承中间轴承v 挡板挡板v 空气分布管空气分布管v 换热装置换热装置v 人孔以及管路等人孔以及管路等湖北工业大学生物工程学院http:/ 发酵液中的溶氧控制发酵液中的溶氧控制 培养液中氧浓度的任何变化都是供需平衡的结果。调节发酵液中溶氧含量不外从供、需两个方面去考虑。 a 先从供氧方面考虑先从供氧方面考虑，供氧方程见式(917)： (9-17)式中dcdt单位时间内培养溶液氧浓度的变化，mmolo2lh； c*在罐内氧分压下培养液中

26、氧的饱和浓度，mmo1o2l c测定的氧浓度，mmo1o2l kl传质系数，mh; 比界面面积，m2m3。 从式(917)中分析，凡是使kla和c*增加的因素均能使发酵液的供氧改善。增加c*可通过下列办法： )c*c(kdtdcla 湖北工业大学生物工程学院http:/ 增加通气速率以提高氧的传递速率是一种速减性的，即当气流速度越大，再增加其速度对氧的溶解度的提高作用越小。并且当系统被气流引起液泛时，传质速率会显著下降，使泡沫增多，罐的有效利用率减小。湖北工业大学生物工程学院http:/ 改变搅拌转速改变搅拌转速的效果要比改变通气速率大泡沫被充分破碎，增加有效气液接触面积液流湍流增加，气泡周围

27、液膜厚度和菌丝表面液膜厚度减小 延长气泡在液体中的停留时间，明显地增加kla 提高供氧能力 改善罐内液体的混合和循环，从而具有抑制气泡聚合的效果 并且液相的良好混合可避免低于平均氧浓度的“死角”的存在采用控制搅拌效果较佳。 （5）改变发酵液的理化性质例如改变消沫剂、补加无菌水，改变培养基的成分等都可以 改善通气效果，以适应菌的正常生长。（6） 传氧中间介质的加入传氧中间介质有血红蛋白，烃类碳氢化合物和全氟化碳(pfc)等类化合物。 湖北工业大学生物工程学院http:/ *)lnvk a ccc有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过kla 和和c*来调节来调节其中其中c*p

28、*hnvhpkla氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v反应器中氧的传递反应器中氧的传递湖北工业大学生物工程学院http:/ 45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1不同的设备供氧能力不一样不同的设备供氧能力不一样氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v反应器中氧的传递反应器中氧的传递湖北工业大学生物工程学院http:/ 影响kla的因素 klakla反映了设备的供氧能力。反映了设备的供氧能力。 发酵常用的设备为：摇瓶发酵常用的设备为：摇瓶 发酵罐发酵罐 氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影

29、响影响klakla的因素的因素湖北工业大学生物工程学院http:/ 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影响影响klakla的因素的因素湖北工业大学生物工程学院http:/ 某一产品的发酵某一产品的发酵 d n p0/v c 产量产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 4

30、0% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高d、n显著提高显著提高c,提高了产量提高了产量提高提高n, 比提高比提高q有效有效氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影响影响klakla的因素的因素湖北工业大学生物工程学院http:/ 养，比色法测定产量：养，比色法测定产量：通气通气 静止静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 od 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以

31、这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影响影响klakla的因素的因素湖北工业大学生物工程学院http:/ 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影响影响klakla的因素的因素湖北工业大学生物工程学院http:/ 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

32、平则 一直在40%以上。氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影响影响klakla的因素的因素湖北工业大学生物工程学院http:/ 从需氧方面考虑从需氧方面考虑 菌的需氧量以下式表示： rqo2x (9-18) 式中r摄氧率，mmo1o2lh； qo2呼吸强度，mm0102g菌(干重)h cx菌的浓度，gl 若氧浓度处在暂时的稳定状态，下式必适合此情况： (9-19) 显然，那些能影响此方程时因子会改变溶氧的浓度。 xqcckolla2)*( 湖北工业大学生物工程学院http:/ qo2 .xq 菌体浓度菌体浓度q qo2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度

33、有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件湖北工业大学生物工程学院http:/ (2)温度的影响 由于氧传质的温度系数比生长速率的温度系数低，降低培养温度可得到较高的溶氧值。这是由于c*的增加，提高了(c*一cl)项，即供氧方程的推动力。但采用降低温度使偏离最适的产物生物合成的温度以求得较高的溶氧值是不值得的。（3） 限制性基质的流加控制 限制性基质流加的目的就是控制培养液中基质浓度，由于在限制性范围内，当菌体耗氧与该基质浓度有关时，控制基质浓度就是控制需氧量，进而达到控制溶氧的目的。湖北工业大学生物工程学院http:/ 表表98溶氧控制方法的比较溶氧控制方法的比较方法作用于投资运转成本效

34、果对生产作用备 注气体成分气体成分搅拌速度搅拌速度挡板挡板通气速率通气速率罐压罐压基质浓度基质浓度温度温度表面活性表面活性剂剂c*klaklac*.oc*需求需求c*kl中低高中中中高中低低高低低低低低低低高高高低中高变化变化好好好 好不一定不一定不一定适于小规模在一定限度内，要避免过份剪切设备上须改装可能引起泡沫罐强度要求高，响应较慢须及早行动不是常有用需试验确定 溶氧浓度只是发酵参数之一，它对发酵过程的影响还必须与其他参数配合起来分析。湖北工业大学生物工程学院http:/ 字数不限 要有参考文献（04年以后）氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v影响影响klakla的因素的因素湖北

35、工业大学生物工程学院http:/ 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（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定kla下）：下）：rxqcl一般有一个低谷，一般有一个低谷，在对数生长的末期在对数生长的末期氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制湖北工业大学生物工程学院http:/ xs p+ x=a+b氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制湖北工业大学生物工程学院http:/ x,p t p x 0 t1 0t1growth phase t1endproducing

36、 phase 氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体小时菌体量较小，采用小通风量较小，采用小通风12氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风

37、，停搅拌，不但有利于降低能有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。定要把握好。例：例： 生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml初期初期 与与 前期前期氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 染菌、噬菌体、设备和操作故障染菌、噬菌体、设

38、备和操作故障3、间接控制的措施、间接控制的措施氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制湖北工业大学生物工程学院http:/ 极谱型极谱型(阴极阴极)：o2+2h+2e h2o2q 原电池型原电池型(阴极阴极)：o2+2h2o+4e 4oh-氧的供需及对发酵的影响氧的供需及对发酵的影响v溶氧和溶氧和klakla的测定的测定湖北工业大学生物工程学院http:/ * 阴极 o2十2h2o十4e4oh 阳极 pbpb2+十2e在使用过程中，阳极材料会有所消耗。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。氧从被测介质主体经过电极膜外侧的滞流液膜、

39、电极膜和电解质到达阴极表面，推动力是氧分压差。当扩散过程达到稳定状态时，电极内外氧分压的分布见图2618。这时单位面积氧的扩散速率为 湖北工业大学生物工程学院http:/ no2kl(pl一一p1) =km(p1一一p2) ke(p2一一pc) k(pl一一pc) (2664)其中no2氧的扩散通量molm2.s； kl液膜传递系数，molns； km 膜传递系数，molns； ke 电解质膜传递系数，molns； k 总传递系救，molns。 plp1p2pc0距离距离氧氧分分压压阴极阴极电解质电解质膜膜液膜液膜液液相相主主体体复膜氧电极内外氧分压的分布复膜氧电极内外氧分压的分布湖北工业大学

40、生物工程学院http:/ i4fano2 4fak(pl-pc) (2665)阴极表面氧分压pc0，于是 i4fakplkpl (2666 )所以复膜氧电极的测定，实际上是液体中的氧分压。如果用同一支氧电极在相同的温度和搅拌情况下，对空气饱和的纯水和盐水进行测定，二者的稳定电流值几乎是相同的，尽管在这两种液体中的氧浓度并不相同。 由式(2664)可得 (26-67)emlk1k1k1k1湖北工业大学生物工程学院http:/ 虽然复膜氧电极只能测定液体中溶氧的饱和度，但利用标准加入法，也就是在赶去溶氧的水中加入氧饱和水的样品，通过氧电报电流增加的多少，可以求出溶解氧的绝对值。 湖北工业大学生物工程学院http:/ a 氧分压表示法 电极测量的是溶液中氧的活度或与之平衡的气相中氧的分压，而不是溶液中的氧浓度。故溶氧水平的氧分压表示法是最基本和最本质的表示法。 用