发酵程第九章发酵供氧ppt课件

1、u好气微生物的生长和代谢需求耗费氧气，只需在氧存在时好气微生物的生长和代谢需求耗费氧气，只需在氧存在时才干完成生物氧化作用，因此，供氧对需氧微生物必不可才干完成生物氧化作用，因此，供氧对需氧微生物必不可少。少。u氧气只需溶解到发酵液并进一步传送到细胞内的氧化酶系氧气只需溶解到发酵液并进一步传送到细胞内的氧化酶系后才干被利用。后才干被利用。发酵液中溶解氧的多少，普通以溶氧系数发酵液中溶解氧的多少，普通以溶氧系数 值表示。值表示。各种微生物的氧化酶体系如过氧化氢酶、细胞色素氧化各种微生物的氧化酶体系如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等不同，在不同条件下，酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶

2、等不同，在不同条件下，其呼吸程度是不同的。其呼吸程度是不同的。微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。呼吸强度：指单位质量干菌体在单位时间内所汲取的氧量，呼吸强度：指单位质量干菌体在单位时间内所汲取的氧量，以以QO2QO2表示，单位为表示，单位为mmol/(g.h)mmol/(g.h)。呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但当培育液中有固呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但当培育液中有固定成分存在时，测定就有困难，这时可用耗氧速率来表示。定成分存在时，测定就有困难，这时可用耗氧速率来表示。耗氧速率：指单位体积培育液在单位时间内的

3、吸氧量，以耗氧速率：指单位体积培育液在单位时间内的吸氧量，以r r表示，单位为表示，单位为mmol/(L.h)mmol/(L.h)。式中：式中： r r为微生物耗氧速率，为微生物耗氧速率，mmol/(L.h)mmol/(L.h)； QO2 QO2为呼吸强度，单位为为呼吸强度，单位为mmol/(g.h)mmol/(g.h)； 为菌体的质量浓度，为菌体的质量浓度，g/Lg/L。u耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。发酵的不同阶段对氧的要求不同：发酵的不同阶段对氧的要求不同：举例：举例： 普通菌体生长繁衍期比谷氨酸生成期对溶氧普通菌体生长繁衍期比谷氨酸生成期对溶氧要求

4、低，长菌阶段供氧为菌体需氧量的要求低，长菌阶段供氧为菌体需氧量的“亚适量，要求溶亚适量，要求溶氧系数氧系数K dK d为为4.04.0l0-6l0-6一一5.95.9l0-6mol/(ml.min.M Pa)l0-6mol/(ml.min.M Pa)，构，构成谷氨酸阶段要求溶氧系数成谷氨酸阶段要求溶氧系数K dK d为为1 15 5l0-5l0-5一一1 18 8l0-5 l0-5 mol/(ml.min.M Pa)mol/(ml.min.M Pa)。作为供氧目的与作为供氧目的与K dK d比较，用氧的传送速率比较，用氧的传送速率rabrab表示更适宜。表示更适宜。举例：举例： 谷氨酸发酵最适

5、亚硫酸盐耗氧速率为谷氨酸发酵最适亚硫酸盐耗氧速率为1.01.0l0-l0-6_1.56_1.5l0-6mol/(m L.min)l0-6mol/(m L.min)，生物耗氧速率，生物耗氧速率r r应大于应大于1010l0-l0-7mol/(m L.min)7mol/(m L.min)。 长菌阶段，假设供氧过量，在生物素限量的长菌阶段，假设供氧过量，在生物素限量的情况下，菌体生长遭到抑制，表现为耗糖慢，情况下，菌体生长遭到抑制，表现为耗糖慢，pHpH值偏高，值偏高，且不易下降。且不易下降。 产酸阶段如供氧缺乏，发酵主产物由谷氨酸产酸阶段如供氧缺乏，发酵主产物由谷氨酸转为乳酸。是因在缺氧条件下，谷

6、氨酸合成所需的丙酮酸转为乳酸。是因在缺氧条件下，谷氨酸合成所需的丙酮酸以后的氧化反响停滞，导致丙酮酸转化为乳酸。但是，如以后的氧化反响停滞，导致丙酮酸转化为乳酸。但是，如供氧过量，那么不利于供氧过量，那么不利于酮戊二酸进一步复原氨基化，导酮戊二酸进一步复原氨基化，导致致酮戊二酸的积累。酮戊二酸的积累。溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。由于氧在水、发酵液的溶解度都很小，因此，需求不断通风和搅拌，才干满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧对菌体生长和产物构成都会产生不同的影响。溶氧对菌体生长和产物构成都会产生不同的影响。例例1 1：谷氨酸发酵：谷氨酸发酵供氧缺乏时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸

7、和琥供氧缺乏时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。珀酸。例例2 2：维生素：维生素 薛氏丙酸菌发酵消费维生素薛氏丙酸菌发酵消费维生素 中，维生素中，维生素 的组成的组成部分咕啉醇酰胺又称因子的生物合成前期的两种主要部分咕啉醇酰胺又称因子的生物合成前期的两种主要酶会遭到氧的阻遏，限制氧的供应才干积累大量的因子，酶会遭到氧的阻遏，限制氧的供应才干积累大量的因子，因子又在供氧的条件下才干转变成维生素因子又在供氧的条件下才干转变成维生素 ，因此，因此采用厌氧和供氧相结合的方法有利于维生素采用厌氧和供氧相结合的方法有利于维生素 的合成。的合成。据实验研讨，当溶氧下降到时，就从好气培育转为厌气

8、据实验研讨，当溶氧下降到时，就从好气培育转为厌气培育，酶的活力可提高倍，这阐明控制溶氧的重要性。培育，酶的活力可提高倍，这阐明控制溶氧的重要性。例例3 3：金霉素发酵：金霉素发酵对抗生素发酵来说，氧的供应更为重要。对抗生素发酵来说，氧的供应更为重要。金霉素发酵，在生长期中短时间停顿通风，就能够影响菌体金霉素发酵，在生长期中短时间停顿通风，就能够影响菌体在消费期的糖代谢途径，由途径转向途径，在消费期的糖代谢途径，由途径转向途径，使金霉素合成的产量减少。使金霉素合成的产量减少。金霉素上的氧还直接来源于溶解氧，所以，溶氧对菌体金霉素上的氧还直接来源于溶解氧，所以，溶氧对菌体代谢和产物合成都有影响。代

9、谢和产物合成都有影响。微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生微生物的耗氧速率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，这一溶氧浓度叫物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，这一溶氧浓度叫做临界氧浓度，以临界做临界氧浓度，以临界 表示。表示。好气性微生物的临界氧浓度普通为好气性微生物的临界氧浓度普通为0.003-0.050.003-0.05/ /，某些微生物的临界氧浓度：某些微生物的临界氧浓度：不同种类的微生物的需氧量不同不同种类的微生物的需氧量不同 普通为普通为/ /. .。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培育条件的不同而异。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培育

10、条件的不同而异。 a a、菌体生长和构成产物时的耗氧量往往不、菌体生长和构成产物时的耗氧量往往不同；同； b b、 普通幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，普通幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培育阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低；但是种子培育阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低； c c 、晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，、晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，由于菌体浓度高，耗氧量大。由于菌体浓度高，耗氧量大。举例：举例：青霉素产生菌培育青霉素产生菌培育8080的耗氧速率为的耗氧速率为40mmol/40mmol/. .；链霉素产生菌培育链霉素产生菌培育1212的耗氧速率为的耗氧速率为5mm

11、ol/(L.h)5mmol/(L.h)；黑曲霉生长的最大耗氧速率为黑曲霉生长的最大耗氧速率为 mmol/(L.h) mmol/(L.h) ，而产而产淀粉酶时的最大耗氧速率为淀粉酶时的最大耗氧速率为 mmol/(L.h) mmol/(L.h) ；谷氨酸消费菌在种子培育谷氨酸消费菌在种子培育7 7的耗氧速率为的耗氧速率为13 mmol/(L.h) 13 mmol/(L.h) ，发酵的耗氧速率为发酵的耗氧速率为50 mmol/(L.h) 50 mmol/(L.h) ，发酵，发酵的耗氧速率为的耗氧速率为51mmol/(L.h) 51mmol/(L.h) 。为防止发酵处于限氧条件下，需调查临界氧浓度和最

12、适氧为防止发酵处于限氧条件下，需调查临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程坚持在最适浓度。浓度，并使发酵过程坚持在最适浓度。最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这由实验来确定。这由实验来确定。举例：举例： 青霉素发酵的临界氧浓度在青霉素发酵的临界氧浓度在/ /之间，之间，低于此值就会对青霉素合成带来损失，时间愈长，损失愈低于此值就会对青霉素合成带来损失，时间愈长，损失愈大。大。举例： 氨基酸发酵需氧量与氨基酸的合成途径亲密相关。 根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类第一类 谷氨酸、谷谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨氨酰胺、精氨酸和脯

13、氨酸等谷氨酸系氨基酸，酸等谷氨酸系氨基酸，在菌体呼吸充足的条件在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如供下，产量才最大，如供氧缺乏，合成就会遭到氧缺乏，合成就会遭到剧烈抑制，大量积累乳剧烈抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；酸和琥珀酸；第二类第二类 异亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供可得最高产量，但供氧受限产量受影响并氧受限产量受影响并不明显；不明显；第三类第三类 亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才干获得最受抑制时，才干

14、获得最大量的氨基酸，假设供大量的氨基酸，假设供氧充足，产物构成反而氧充足，产物构成反而遭到抑制。遭到抑制。p氨基酸生物合成途径的不同引起需氧不同，由于不同代谢氨基酸生物合成途径的不同引起需氧不同，由于不同代谢途径产生不同数量的，那么进展氧化所需途径产生不同数量的，那么进展氧化所需溶氧量也就不同。溶氧量也就不同。p第一类：是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统第一类：是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径构成的，产生的量最多，需氧量也最多，两个途径构成的，产生的量最多，需氧量也最多，供氧愈多，合成愈顺利。供氧愈多，合成愈顺利。p第二类：合成途径是乙醛酸循环或磷酸烯醇式丙酮酸羧化第

15、二类：合成途径是乙醛酸循环或磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的量不多，因此与供氧量关系不明显。系统，产生的量不多，因此与供氧量关系不明显。p第三类：不经循环，产量很少，过量供氧第三类：不经循环，产量很少，过量供氧反而起抑制造用。反而起抑制造用。p由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径亲密相关。由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径亲密相关。正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有本人正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有本人的规律。的规律。举例：举例：谷氨酸和红霉素发酵前期，菌大量繁衍，需氧量不断增大，需溶氧谷氨酸和红霉素发酵前期，菌大量繁衍，需氧量不断增大，需溶氧浓度下降，出现一

16、个低峰，菌的摄氧率、菌浓、黏度也同时出现浓度下降，出现一个低峰，菌的摄氧率、菌浓、黏度也同时出现一个顶峰。这都阐明产生菌正处在对数生长期。一个顶峰。这都阐明产生菌正处在对数生长期。过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段如谷氨酸发酵或随之上升如抗生素发酵后，就开场构成如谷氨酸发酵或随之上升如抗生素发酵后，就开场构成产物，溶氧也不断上升。产物，溶氧也不断上升。谷氨酸发酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在谷氨酸发酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、

17、工艺条件和设备供氧才干的不同而异。备供氧才干的不同而异。发酵中后期，对于分零售酵来说，溶氧变化比较小。发酵中后期，对于分零售酵来说，溶氧变化比较小。在消费后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐在消费后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐渐上升，一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。渐上升，一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。补料对溶氧的影响：补料对溶氧的影响：当外界进展补料包括碳源、前体、消泡剂时，那么溶氧当外界进展补料包括碳源、前体、消泡剂时，那么溶氧发生改动，其变化大小和继续时间的长短随补料时的菌龄、发生改动，其变化大小和继续时间的长短随补料时的菌龄、补入物质的种类和剂量不同而不同。补入

18、物质的种类和剂量不同而不同。如补加糖后，发酵液的摄氧率添加，引起溶氧下降，经过一如补加糖后，发酵液的摄氧率添加，引起溶氧下降，经过一段时间后又逐渐上升；继续补糖，甚至降至临界氧浓度以段时间后又逐渐上升；继续补糖，甚至降至临界氧浓度以下，因此成为消费上的限制要素。下，因此成为消费上的限制要素。在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，常见的是溶氧下降。变化，常见的是溶氧下降。呵斥异常变化的缘由有两方面：耗氧或供氧出现了异常或呵斥异常变化的缘由有两方面：耗氧或供氧出现了异常或发生了妨碍。发生了妨碍。从溶解氧浓度的变化，可以了解微生物生

19、长代谢能否正常，从溶解氧浓度的变化，可以了解微生物生长代谢能否正常，工艺控制能否合理，设备供氧才干能否充足，查出发酵不工艺控制能否合理，设备供氧才干能否充足，查出发酵不正常的缘由，控制好发酵消费。正常的缘由，控制好发酵消费。引起溶氧异常下降的缘由：引起溶氧异常下降的缘由： 污染好气性杂菌。污染好气性杂菌。 菌体代谢发生异常，需氧量添加，使溶氧下降。菌体代谢发生异常，需氧量添加，使溶氧下降。 设备或工艺控制发生缺点或变化，设备或工艺控制发生缺点或变化， 例如：例如：a a 搅拌功率耗费变小或搅拌速度变慢；搅拌功率耗费变小或搅拌速度变慢； b b 消泡剂因自动加油器失灵或人为参消泡剂因自动加油器失

20、灵或人为参与量太多；与量太多； c c 停顿搅拌、闷罐罐排气封锁停顿搅拌、闷罐罐排气封锁等。等。引起溶氧异常升高的缘由引起溶氧异常升高的缘由在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改动，在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改动，如菌体代谢出现异常，耗氧才干下降，使溶氧上升。如菌体代谢出现异常，耗氧才干下降，使溶氧上升。特别是污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，特别是污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已遭到抑制，溶氧有能够上升，直到菌体破裂后，完呼吸已遭到抑制，溶氧有能够上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸才干，溶氧就直线上升。全失去呼吸才干，溶氧就直

21、线上升。微生物只能利用溶解形状下的氧气液界面处的微生物也能直接利用气相中的氧。氧是很难溶解的气体，在、下，在发酵液中的溶解氧为/，在这种溶氧浓度下菌的正常呼吸只能维持。由于微生物不断耗费发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低，故必需采取强化供氧。在发酵工业中，随着高产菌株的筛得，高浓度发酵、丰富培育基的采用对通气和搅拌的要求更高。在丰富培育基内，发酵旺盛期间，即使培育液完全被空气饱和，它所储存的氧也是很少的，只能维持菌正常呼吸，之后菌的呼吸就遭到抑制。这种随时都有窒息能够的形状，是由于微生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培育液中氧的溶解度比在水中更小。这就决议了大多数的好气性发酵需求

22、有适当的通气条件才干维持一定的消费程度。近年来，许多好气性发酵已开展到如此地步，以致氧的需求超越现有的发酵设备的氧传送的才干，其后果是氧传送率成为这种发酵消费的限制要素。愈来愈多的现实阐明，氧的供应缺乏能够引起消费菌种的不可弥补的损失，或能够导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。由于菌体的新陈代谢与氧气呼吸有关，调理通风和搅拌，可影响发酵周期的长短和代谢产物生成的多少。而了解长菌阶段和产物产生阶段的最适需氧量，就可以分别合理地供氧，因此，溶解氧的控制是极其重要的。现实上，发酵液中氧的浓度并不需求到达饱和浓度，只需维持在氧的临界浓度以上即可。因此，应尽能够了解发酵过程中菌的临界氧浓度和到达最高发

23、酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵产物构成过程中的最高需氧量，以便分别合理地供应足够氧气。通常搅拌可添加通气效果，且通气本身也具有搅拌作用，因此，发酵上常把通气和搅拌看作一个作业。目前，在发酵工业上氧的利用率是很低的。在抗生素发酵方面，被微生物利用的氧不超越空气含氧量的。在谷氨酸发酵方面，氧的利用率为。就是说，有大量的经过净化处置的无菌空气被浪费掉。因此，提高供氧效率，就能大大降低空气耗费量，减少动力耗费，且减少染菌时机，减少泡沫构成，提高设备利用率。在需氧发酵中，首先是气相中的氧溶解到发酵液中，然后传送到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。这一传送过程又可分为供氧及耗氧两个方面。供氧：是指空气中

24、的氧气从空气泡里经过气膜、气液界面和液膜分散到液体主流中。耗氧：是指氧分子自液体主流经过液膜、菌丝丛、细胞膜分散到细胞内。氧在传送过程中必需抑制一系列阻力。氧膜阻力 1/k1，为气体主流及气液界面间的气膜阻力，与空气情况有关。气液界面阻力1/k2，与空气情况有关，只需具备高能量的氧分子才干透到液相中去，而其他的那么前往气相。液膜阻力1/k3，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。液流阻力1/k4 ，液流阻力也是与发酵液的成分和浓度有关的，通常它不作为一项重要阻力，因在液体主流中氧的浓度是假定不变的。当然，只需在适当搅拌情况下才如此。细胞周围液膜阻力1/k5，细胞周围液膜

25、阻力同样与发酵液的成分和浓度有关。菌丝丛或团内的分散阻力1/k6，这种阻力与微生物的种类、生理特性有关。单细胞的细菌和酵母不存在这种阻力，对于菌丝这种阻力最为突出。细胞膜的阻力1/k7，细胞膜的阻力与微生物的生理特性有关。细胞内反响阻力1/k8，细胞内反响阻力是指氧分子与细胞内呼吸酶系反响时的阻力，与微生物的种类、生理特性有关。由于氧是难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个控制过程，即1/k3是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生的湍动可以减少这方面的阻力。在耗氧方面，液体主流和细胞壁上氧的浓度相差很小，也就是说氧经过细胞周围液膜的阻力很小，但此液膜阻力随细胞外径的添加而增大。在有搅拌的情

26、况下，结团景象减少，液体和菌丝间的相对运动添加，因此减少了膜厚，也减少了阻力。通常耗氧方面阻力主要是1/k6与 1/k7，即由菌丝丛内分散阻力与细胞膜阻力所引起，但搅拌可以减少逆向分散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。至于细胞内反响阻力1/k8，可因以下情况而产生：培育基成分与其相应的酶的作用失活；一些生理条件如温度、值等不适于酶的反响；一些代谢物的积累或其不能及时从反响处移去。气体溶解于液体的假说。氧首先由气相分散到气液两相的接触界面，再进入液相，界面的一侧是气膜，另一侧是液膜，氧由气相分散到液相必需穿过这两层膜。传送的动力与阻力氧从空气分散到气液界面这一段的推进力是空气中氧的分压与界面处氧

27、的分压之差，即 ，氧穿过界面溶于液体，继续分散到液体中的推进力是界面处氧的浓度与液体中氧的浓度之差，即 。与这两个推进力相对应的阻力是气膜阻力 1/kG和液膜阻力1/kL 。单位接触界面氧的传送速率：式中：式中： 为单位接触界面的氧传送速率，为单位接触界面的氧传送速率，/ /3.3.； 、 分别为气相中和气、液界面处氧分压，；分别为气相中和气、液界面处氧分压，； 、 分别为液相中和气、液界面处氧的浓度，分别为液相中和气、液界面处氧的浓度，/ /3 3 ； 为气膜传质系数，为气膜传质系数，/ /2.2. .； 为液膜传质系数，为液膜传质系数，/ /2.2. ./ /3 3或或/ /。通常情况下，

28、不能够测定界面处的氧分压和氧浓度，所以式-不能直接用于实践。为计算方便，并不单独运用 或 ，而改用总传质系数和总推进力，在稳定形状时 * * - 为以氧分压差为总推进力的总传质系数，/ 2.； 为以氧浓度差为总推进力的总传质系数，/；* 为与液相中氧浓度相平衡时氧的分压，；* 为与气相中氧分压 达平衡时氧的溶解度，/3 。亨利定律亨利定律根据亨利定律，与溶解浓度到达平衡的气体分压与该气根据亨利定律，与溶解浓度到达平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即体被溶解的分子分数成正比，即式中，为亨利常数，它表示气体溶解于液体的难易程度。如在亚硫式中，为亨利常数，它表示气体溶解于液体的难易程度。

29、如在亚硫酸盐溶液中，当氧分压为、溶氧浓度为酸盐溶液中，当氧分压为、溶氧浓度为/ /时，其亨利常数时，其亨利常数 /c/c* * /0.2/0.2 m m. ./ / 6 6 . ./ /根据式根据式- -，有，有 NA/(NA/(* *) ) 对于易溶气体，如氨溶于水，值甚小，式-右边第二项可忽略，那么 ，阐明该溶解过程的主要阻力是气膜阻力。 对于难溶气体，如氧溶于水，值甚大，式-右边第二项可以略去，那么 ，阐明这一过程液膜阻力是主要要素。双膜实际的局限性由于传质实际随着消费实际的开展而不断开展，目前双膜实际缺乏以完全阐明气液间传质的景象。例如，膜的存在是以分子分散为根据，但实践能否存在双膜还

30、有疑问，传质不仅仅是分子分散，还包括各种要素。所以说双膜实际尚不完善，以后又提出过许多实际，如浸透实际、外表更新实际等，但同样尚待完善. 要坚持发酵液一定的溶氧速率，正是为满足微生物的呼吸代谢活动的耗氧速率。 假设溶氧速率小于微生物的耗氧速率，那么发酵液中氧逐渐耗尽，当溶液中氧浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物生成。 因此，供氧与耗氧至少必需平衡。式中， 为微生物的呼吸强度，即单位菌体细胞干重单位时间内的需氧量，/.或 /.；为菌体细胞的质量浓度，/。供氧与耗氧平衡时：但是，在实践发酵过程中，这种平衡的建立往往是暂时的，因发酵过程中培育物生化、物理等性质随时变化，相应氧传

31、送情况也不断变化，平衡不断地被突破，又重新建立。亦可称为“通气效率，可用来衡量发酵罐的通气情况，高值表示通气条件富余，低值表示通气条件贫乏。在发酵过程中，培育液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示：根据气液传质方程式-7，可以看出影响氧传送速率的要素有溶氧系数值和推进力* 。此外，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，而与溶氧系数有关的那么有搅拌、空气线速度、空气分布器的方式、发酵液的粘度等，与推进力* 有关的那么有发酵液的深度、氧分压、发酵液性质等。好气性发酵罐通常设有通风搅拌安装。通风是为了供应需氧或兼性需氧微生物适量的空气，以满足菌体生长繁衍和积累代谢产物的需求。搅拌的作

32、用是把气泡打碎，强化流体的湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地接触，一方面添加溶氧速率，另一方面使微生物悬浮混合一致，促进产物代谢。机械搅拌是提高溶氧系数行之有效的普遍采用的方法，这是由于搅拌可从以下几个方面改善溶氧速率： 搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，添加了接触面积，且小气泡的上升速度要比大气泡慢，因此接触时间添加。 搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是做螺旋运动上升，延伸了气泡的运动道路，即添加了气液的接触时间。 搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，减少了液膜阻力，因此值增大。 搅拌使菌体分散，防止结团，有利于固液传送中的接触面积的添加，使推

33、进力均一。同时，也减少菌体外表液膜的厚度，有利于氧的传送。然而，过度剧烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细胞呵斥损伤，特别对不同发酵类型的丝状菌，更应思索剪切力对菌体细胞的损伤。搅拌器的方式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传送速率都有影响。 搅拌器方式按液流方式可分为轴向式和径向式两种。浆式、锚式、框式和推进式的搅拌器均属于轴向式涡轮式搅拌器那么属于径向式。涡轮式搅拌器对于气-液混合系统，采用圆盘涡轮式搅拌器较好，因此发酵罐的搅拌器普通采用涡轮式;涡轮式的特点是直径小，转速快，搅拌效率高，功率耗费较低，主要产生径向液流，在搅拌器的上下两面构成两个循环的翻腾，可以延伸空

34、气在发酵罐中的停留时间，有利于氧在醪液中溶解。根据搅拌器的主要作用，打碎气泡主要靠下组搅拌，上组主要起混协作用，因此，下组宜采用圆盘涡轮式搅拌器，上组采用平桨式搅拌器。圆盘涡轮搅拌器的情况可用圆盘涡轮搅拌器的情况可用发酵罐搅拌液体翻动流型图发酵罐搅拌液体翻动流型图来阐明，如图来阐明，如图- -所示。所示。挡板作用：不带挡板的搅拌流型，在中部液面下陷，构成一个很深的漩涡，搅拌功率降低，大部分功率耗费在漩涡部分，接近罐壁处流体速度很低，气液混合不均匀。带挡板的搅拌流型，流体从搅拌器径向甩出去后，遇到挡板的妨碍，构成向上、向下两部分垂直方向的流动，向上部分经过液面后，流经轴向而转下，不发生中央下陷的

35、漩涡，液体外表外观是旋转起伏的动摇。两个搅拌器之间：液体发生向上、向下的垂直流动，流近搅拌器圆盘外随着搅拌器叶轮向外甩出，经罐壁遇到挡板的妨碍，迫使液体又发生垂直运动，这样在两只搅拌器的上、下方各自构成了自中间轴到罐壁的循环流动。下组搅拌器下方：罐底中间部分液体被迫向上，然后顺着搅拌器径向甩出，构成循环。搅拌器的相对位置对搅拌效果影响很大：搅拌器的相对位置对搅拌效果影响很大：如下组搅拌器距罐底太远，那么罐底部分液如下组搅拌器距罐底太远，那么罐底部分液体不能全部被提升，呵斥部分缺氧，距罐体不能全部被提升，呵斥部分缺氧，距罐底普通以底普通以0.80.81 1为好。为好。两组搅拌器之间间隔假设太大，

36、会使其中间两组搅拌器之间间隔假设太大，会使其中间部分搅拌不到，搅拌效果差；假设间隔太部分搅拌不到，搅拌效果差；假设间隔太小，将会发生流体的相互关扰，功率降低，小，将会发生流体的相互关扰，功率降低，混合效果不好。混合效果不好。普通对非牛顿型发酵液，粘度大，菌体易结普通对非牛顿型发酵液，粘度大，菌体易结团，搅拌器间距宜小些，在以下，对团，搅拌器间距宜小些，在以下，对于牛顿型发酵液以为好。于牛顿型发酵液以为好。搅拌转速和叶径对溶氧程度和混合程度有很大影响。当功率不变时，即35常数，低转速、大叶径或高转速、小叶径都能到达同样的功率，然而、对溶氧有不同程度的影响。耗费于搅拌的功率与搅拌循环量搅和液流速度

37、压头搅的乘积成正比，即 搅 搅 -在湍流形状下， 搅 ， 搅 ，而 搅 - 搅 -从两式可看出， 搅 与的一次方、的三次方成正比， 搅 与、的二次方成正比。增大对添加循环量 搅 、液体混合均匀有利；增大对提高液流速度压头、加强湍流程度、提高溶氧程度有利。两者必需兼顾，既要求有一定的液体速度压头，以提高溶氧程度，又要有一定的搅拌循环量，使混合均匀，防止部分缺氧景象。因此，要根据详细情况决议和。和的选定：和的选定：空气流量较小、动力耗费较小时，以小叶径、高转速为好；空气流量较小、动力耗费较小时，以小叶径、高转速为好；空气流量较小、动力耗费较大时，的大小对通气效果的影响空气流量较小、动力耗费较大时，

38、的大小对通气效果的影响不太大；不太大；空气流量大、功率耗费小时，以大叶径、低转速为好；空气流量大、功率耗费小时，以大叶径、低转速为好；空气流量和动力耗费都较大时，以小叶径、高转速为好；空气流量和动力耗费都较大时，以小叶径、高转速为好；粘度大、菌丝易结团的非牛顿型发酵液，以大叶径、低转速、粘度大、菌丝易结团的非牛顿型发酵液，以大叶径、低转速、多组搅拌器较好；多组搅拌器较好；粘度小、菌体易分散均匀的牛顿型发酵液，以小叶径、高转速粘度小、菌体易分散均匀的牛顿型发酵液，以小叶径、高转速较好。较好。搅拌组数对溶氧的影响。搅拌组数对溶氧的影响。搅拌组数对溶氧也有较大影响，确定装设几组搅拌器既要搅拌组数对溶

39、氧也有较大影响，确定装设几组搅拌器既要思索到有利于提高溶氧程度，又要保证混合均匀。思索到有利于提高溶氧程度，又要保证混合均匀。例如：在例如：在/ /2.42.4的发酵罐中，当培育物为牛顿型醪液的发酵罐中，当培育物为牛顿型醪液时，在功率一样的条件下，两组搅拌器的亚硫酸盐法测定时，在功率一样的条件下，两组搅拌器的亚硫酸盐法测定的溶氧值的溶氧值 比三组搅拌器的比三组搅拌器的 值高。但，对粘度较值高。但，对粘度较高的丝状发酵液，当粘度高的丝状发酵液，当粘度 . .时，三时，三组搅拌器的组搅拌器的 值比两组搅拌器的值比两组搅拌器的 值高；而当值高；而当 . .时，三组和两组搅拌的值根本相等。时，三组和两

40、组搅拌的值根本相等。挡板：目前国内大发酵罐均用排管替代挡板，但普通不如挡板效果好。挡板宽度普通为罐径的 1/121/10，与罐壁垂直，与罐壁留有空隙，挡板略高于液面，下端接罐底。普通发酵罐可安装个挡板，多装那么通气效率添加不明显。挡板能使液体构成轴向运动，因此提高了混合效果，改善了氧的传送条件，特别是在低搅拌转速时更为显著。溶氧系统与空气线速度 有以下关系： 式中，是溶解氧系数； 为空气线速度/； 为指数，在0.40.72之间，随搅拌方式而异。这个关系阐明通气效率或是随空气量增多而增大的。当添加通风量时，相应添加，从而增大溶氧；但是，只添加风量而转速不变时，功率会降低，又会使溶氧系数降低。过载

41、景象过载景象空气线速度过大时，会发生空气线速度过大时，会发生“过载景象，这时，桨叶过载景象，这时，桨叶不能打散空气，气流构成大气泡在轴的周围逸出，不能打散空气，气流构成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。开放式涡轮无圆盘的或桨叶搅拌器易发生过载，开放式涡轮无圆盘的或桨叶搅拌器易发生过载，即气体可不经分散而沿搅拌叶的缓慢运动的中心迅即气体可不经分散而沿搅拌叶的缓慢运动的中心迅速上升。在空气流速只需速上升。在空气流速只需2121/ /时，平浆式搅拌器时，平浆式搅拌器就会发生过载。普通来说，用一个搅拌叶的过载空就会发生过载。普通来说，用一个搅拌叶的过

42、载空气流速为气流速为90m/90m/，用两个搅拌叶的过载空气流速可，用两个搅拌叶的过载空气流速可增至增至150150/ /。空气分布管的方式、喷口直径及管口与罐底间隔的相对位置对氧溶解速率有较大的影响，在发酵罐中采用的空气分布安装有单管、多孔环管及多孔分支环管等几种。空气分布器的类型选择空气分布器的类型选择当通风量小当通风量小/ /时，气泡的直径与时，气泡的直径与空气喷口直径的空气喷口直径的 1/3 1/3次方成正比，就是说，喷口直径越小，次方成正比，就是说，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。但是，普通发酵工业的通风量都远远超越这个范围。这时，但是，

43、普通发酵工业的通风量都远远超越这个范围。这时，气泡直径与通风量有关，而与喷口直径无关。即在通风量气泡直径与通风量有关，而与喷口直径无关。即在通风量大时，采用单管或环形管，其通风效应不受影响。但是，大时，采用单管或环形管，其通风效应不受影响。但是，环形管的小孔极易堵塞，因此，发酵工业大多采用单管空环形管的小孔极易堵塞，因此，发酵工业大多采用单管空气分布器。气分布器。空气分布器的位置空气分布器的位置空气分布器在搅拌器下方的罐底中间位置，管口向上空气分布器在搅拌器下方的罐底中间位置，管口向上(?)(?)，使空气喷出后就被搅拌器打碎，从而提高了通气效率。使空气喷出后就被搅拌器打碎，从而提高了通气效率。

44、管口与罐底间隔根据发酵罐方式等详细确定。管口与罐底间隔根据发酵罐方式等详细确定。根据阅历数据，当根据阅历数据，当/ /时，管口距罐时，管口距罐底；当底；当/ /时，管时，管口距罐底。管径可按空气流速口距罐底。管径可按空气流速/ /左右计算，环形管的环径以等于为好，小孔左右计算，环形管的环径以等于为好，小孔直径为，小孔总面积大致与通风截面积相等。直径为，小孔总面积大致与通风截面积相等。由氧传质方程式看出，添加推进力* 或 * 可使氧的溶解度添加。根据亨利定律：平衡形状时液体中氧的溶解度/式中为亨利常数，与温度及液体中固形物质的浓度有关； 为氧的分压。从上式可知，添加空气中氧的分压可使氧的溶解度增

45、大，添加空气压力，即增大罐压，或用含氧较多的空气或纯氧都能添加氧的分压。提高罐压的问题：普通微生物在个大气压以下的压力下不会遭到损害，因此适当提高空气压力即提高罐压对提高通风效果是有益处的。但是，过分添加罐中空气压力是不值得提倡的，由于罐压增大，空气压力增大，整个设备耐压性就要提高，从而使设备费用投资大大添加。同时，氧的分压过高也会影响菌的生理代谢。据报道，氧分压过高会呵斥微生物暂时的中毒景象，中毒容易与否取决于微生物的种类和培育条件，而纯氧本钱高。普通在不添加功率耗费和空气流量时，添加发酵液体积会使通风效率降低，特别是在通风量较小时更显著。但是，在空气流量和单位发酵液体积耗费功率不变时，通风

46、效率随/的增大而添加，看来以高些为好，/为罐的径高比。根据阅历数据，当罐的径高比/从添加到时， 可添加左右；当罐的径高比/从添加到时，添加。由此可见，罐的径高比/小那么氧的利用率差，因此国外倾向于采用较高的/。据报道，国外通常采用/，国内有些工厂采用/，运用效果良好。但/太大，溶氧系数反而添加不大；相反，由于罐身过高，罐内液柱过高，液柱压差增大，气泡体积减少，有气液界面积小的缺陷，且/太大，厂房要求也提高。普通罐径高比/在之间为宜。通常，发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用率低。在几何外形类似的条件下，发酵罐体积大的氧利用率可达，而体积小的氧利用率只需。发酵罐大小不同，所需搅拌转数与通风量

47、不同，大罐的转数较低，通风量较小。由于假设溶氧系数值坚持一定，大罐气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌和通风均可小些。表-为不同容积发酵罐所需搅拌与通风的关系。坚持溶氧系数相等，通风量随发酵罐容积的增大而相对减少，如表所示。在发酵过程中，微生物分解并利用培育液中的基质，大量繁衍菌体、积累代谢产物等都引起培育液的物理性质的改动，特别是粘度、外表张力、离子浓度等，从而影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传送速率。粘度粘度粘度影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传送速率。粘度影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传送速率。此外，发酵液粘度的改动还影响液体的湍动性、界面或液此外，发酵液粘度的改动还影响液体的湍动

48、性、界面或液膜阻力，从而影响溶氧速率。特别是非牛顿型流体的霉菌膜阻力，从而影响溶氧速率。特别是非牛顿型流体的霉菌的发酵液，其溶氧系数和培育基组成有关。的发酵液，其溶氧系数和培育基组成有关。通常，当发酵液浓度增大、粘度增大时，通常，当发酵液浓度增大、粘度增大时，值降低。值降低。泡沫发酵过程中由于构成大量泡沫，菌体与泡沫构成稳定的乳浊液，影响了氧的传送。这种情况下可参与适量的消泡剂，消除泡沫对氧溶解的不利影响。但是，消泡剂用量过多，消泡剂聚集在微生物细胞外表及构成气泡液膜，添加了传质阻力，大大降低了氧的传送速率。溶氧系数的测定方法很多，最早采用化学法测定，即亚溶氧系数的测定方法很多，最早采用化学法

49、测定，即亚硫酸盐氧化法，继而是极谱法，直至目前的耐高压蒸汽硫酸盐氧化法，继而是极谱法，直至目前的耐高压蒸汽灭菌、灵敏度较高的复膜电极的溶解氧测定仪，可以测灭菌、灵敏度较高的复膜电极的溶解氧测定仪，可以测定发酵过程中溶解氧浓度、菌的耗氧速率及溶氧系定发酵过程中溶解氧浓度、菌的耗氧速率及溶氧系数数。此外，还可根据发酵过程中基质耗费比速，间接计算出此外，还可根据发酵过程中基质耗费比速，间接计算出。现分别表达如下。现分别表达如下。作用原理此法是利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效率的。由于亚硫酸盐的氧化速率远较氧的溶解速率为大，所以氧一溶解于液体中就立刻被耗尽，

50、从而使溶液中氧浓度为零。当亚硫酸盐浓度为0.0180.47mol/，温度在2045之间时，与氧反响的速率几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。式中，为平均溶氧速率，/.min；为亚硫酸钠的浓度，/； 为取样量，；为两次取样的时间间隔，。 计算时，为方便起见，采用罐压作为推进力，同时溶液中的氧分压* 等于零，此时的溶氧系数叫做亚硫酸盐氧化值，以 表示：亚硫酸盐氧化法的优缺陷优点：是氧溶解速度和亚硫酸盐浓度无关，且反响速度快，不需求特殊仪器；缺陷：是不及极谱法测定准确，由于测定的影响要素多，而且任务容积只能在以内测定才比较可靠。发酵液中的溶解氧可用极谱

51、仪来测定，其原理是当电解电压为时，其分散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。由于氧的分解电压最低，因此发酵液中其他物质对测定的影响甚微，且发酵液中含有氢氧化钠、磷酸盐等电解质，故可直接用来测定。测定方法：将发酵液置入极谱仪的电解池中，并记下随时间而下降的发酵液中氧的浓度 的数值。而发酵液中氧的饱和浓度* 可以在标绘以上所得 的数据后，用外推曲线的方法求得见图-，同时曲线斜率的负数即为微生物的耗氧速率。式中，为以浓度差为推进力的溶氧系数，-1 或/.2 /3 ； 为微生物的呼吸强度，/.；为菌体细胞的质量浓度， g/； 为溶液中氧的实践浓度，/3;* 为与气相中氧分压平衡的溶液中氧的浓度，

52、/3。 可将* 、 及值代入式-求得：从图-可见，只需用极谱仪取样测定发酵液中氧浓度 ，便可求得发酵液的饱和溶氧浓度* ，同时曲线的斜率 /，那么根据式-，便可计算溶氧系数。 取样极谱法的缺陷:样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的溶液已不准确，且在静止条件下所测得的 与在发酵罐中的实践情况不完全一致，因此误差较大。这是一种在非发酵情况下进展的测定方法。在被测定的发酵罐中充以事先用氮气驱出溶解氧的发酵液或/的溶液。当开场通气及搅拌后，定时取出样品，用极谱仪或其他溶氧测定仪测出其溶解氧的浓度，将 作纵坐标，作横坐标，绘制曲线，求出溶液中饱和的溶氧浓度* ，即将此曲线的最高点用虚线随横坐标

53、平行推移至与纵坐标的交点便是溶液中饱和氧浓度* ，见图-。在不稳定情况下，发酵液中没有微生物细胞时，氧分子从气体主流分散至液体主流的物质传送速率可由下式表示： 通气效率可用经过积分后的式-求出：当以* 对标绘时即可得出直线图-。根据这不断线的斜率便可计算出通气效率，即 斜率 -排气法的缺陷是不能代表发酵过程的实践情况，也不能反映当时发酵液的特性，同时也没有思索氧浓度差对溶氧系数的影响。由于亚硫酸盐氧化法、取样法和排气法都不能反映发酵过程的实践情况，因此必需探求能直接测定发酵过程溶氧系数的有效方法。目前国内外已有运用复膜电极直接测定发酵过程中溶氧系数的溶氧测定仪。原理:用能透过氧分子的薄膜将电极

54、系统与被测定溶液分隔开来，因此防止了外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响。现已制成耐高温蒸汽灭菌、灵敏度较高的适用的聚全氟乙丙烯复膜银铅电极。 利用复膜电极测定发酵液中溶解氧浓度、菌的耗氧率及溶氧系数，这样测出的及可代表发酵过程的实践情况，是较理想的方法。发酵过程中停顿通气片刻，溶解氧浓度因菌的利用而立刻迅速下降，人为地制造一个不稳定形状即溶氧速率和耗氧速率不平衡来求。不稳定形状时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为可改写成当封锁空气进口阀门时，发酵液内的溶氧浓度由当封锁空气进口阀门时，发酵液内的溶氧浓度由 降降至至 ，经过，经过1 1 时间后再翻开空气进口阀门，溶氧浓时间后再翻开空气进

55、口阀门，溶氧浓度由度由 升至升至 ，其时间为，其时间为2 2 。这样，就可以求得。这样，就可以求得菌的耗氧速率：菌的耗氧速率：这里假定发酵液中溶氧浓度的变化并不影响微生物的呼吸速这里假定发酵液中溶氧浓度的变化并不影响微生物的呼吸速率。用此法不仅能求出菌的耗氧速率，还可由式率。用此法不仅能求出菌的耗氧速率，还可由式求得溶氧系数求得溶氧系数。利用氧分析仪可测定和计算气膜体积溶氧系数利用氧分析仪可测定和计算气膜体积溶氧系数。用。用氧分析仪测定进口气体中氧的分压氧分析仪测定进口气体中氧的分压 和出口气体中氧和出口气体中氧的分压的分压 ，那么进、出口气体中单位时间的含氧量分，那么进、出口气体中单位时间的含氧量分别为：别为：式中，式中， 、 为进、出口气体为进、出口气体中单位时间的含氧量，；中单位时间的含氧量，； 、 为进、出口为进、出口气体中氧的分压，；为通风量，气体中氧的分压，；为通风量， 3/ 3/；p p为为气体的平均总压力，可取发酵液平均高度处的压力。气体的平均总压力，可取发酵液平均高度处的压力。全部发酵中，单位时