氧的供需及對發酵的影響第1頁/共63頁/jpkc/fjgc微生物對氧的需求發酵液中氧的供給影響Kla的因素（供氧的調節）與溶氧相關的參數測定發酵過程中溶氧監控的意義氧的供需及對發酵的影響第2頁/共63頁/jpkc/fjgc第一節微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內單位重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：單位時間內單位體積的發酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X氧的供需及對發酵的影響微生物對氧的需求第3頁/共63頁/jpkc/fjgc二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。氧的供需及對發酵的影響微生物對氧的需求第4頁/共63頁/jpkc/fjgc一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度>1.氧的供需及對發酵的影響微生物對氧的需求第5頁/共63頁/jpkc/fjgc問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于產物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產物>13%>8%氧的供需及對發酵的影響微生物對氧的需求第6頁/共63頁/jpkc/fjgc品種測定水溫窒息點（mmol/l)相當于鯉魚290.09-0.014%鰱魚270.01-0.024-8%鯽魚290.0042%氧對魚類的影響胡隱昌，水產養殖,2003氧的供需及對發酵的影響微生物對氧的需求第7頁/共63頁/jpkc/fjgc三、影響需氧的因素r=QO2.X

菌體濃度QO2

遺傳因素

菌齡

營養的成分與濃度

有害物質的積累

培養條件氧的供需及對發酵的影響微生物對氧的需求第8頁/共63頁/jpkc/fjgc第二節反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質系數kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質系數m/h氧的供需及對發酵的影響反應器中氧的傳遞第9頁/共63頁/jpkc/fjgcC*＝P*H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數h-1氧的供需及對發酵的影響反應器中氧的傳遞第10頁/共63頁/jpkc/fjgc二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發酵液中氧的濃度上面氧的供需及對發酵的影響反應器中氧的傳遞第11頁/共63頁/jpkc/fjgc三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調節其中C*＝P*HNvHPKla氧的供需及對發酵的影響反應器中氧的傳遞第12頁/共63頁/jpkc/fjgc調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的設備供氧能力不一樣氧的供需及對發酵的影響反應器中氧的傳遞第13頁/共63頁/jpkc/fjgc第三節影響Kla的因素

Kla反映了設備的供氧能力。發酵常用的設備為：搖瓶發酵罐

氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第14頁/共63頁/jpkc/fjgc一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12,轉述250rpm氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第15頁/共63頁/jpkc/fjgc裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第16頁/共63頁/jpkc/fjgc二、影響發酵罐中Kla的因素氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第17頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第18頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第19頁/共63頁/jpkc/fjgc已知在通風攪拌發酵罐中，全擋板條件下：氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第20頁/共63頁/jpkc/fjgc1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調節kla的效果顯著氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第21頁/共63頁/jpkc/fjgc例某一產品的發酵

dnp0/vc產量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產量提高N,比提高Q有效氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第22頁/共63頁/jpkc/fjgc2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發量大中間揮發性代謝產物帶走氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第23頁/共63頁/jpkc/fjgc例：紅曲霉生產色素用于食品工業，靜止培養改為通氣培養，比色法測定產量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發酵設備的供氧是有限的氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第24頁/共63頁/jpkc/fjgc3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點

小型發酵罐，轉速可調

大型發酵罐，轉速往往不可調

大型反應器的合理設計

對現有設備一定要注意工藝配套氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第25頁/共63頁/jpkc/fjgc4、生物反應器放大的基本思想小型反應器和大型反應器的差異：傳動傳熱傳遞生物反應過程剪切、混合、供氧氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第26頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第27頁/共63頁/jpkc/fjgc箭葉平葉氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第28頁/共63頁/jpkc/fjgc不同攪拌漿對菌體濃度的影響氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第29頁/共63頁/jpkc/fjgc發酵過程中攪拌轉速和溶氧的變化平葉箭葉箭葉：在4h左右溶氧就從90的下降到14.8%，通過不斷提高轉數DO水平始終維持在20%左右。平葉：在8h左右才下降到23.43%;中后期DO水平則一直在40%以上。氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第30頁/共63頁/jpkc/fjgc平葉箭葉慶大霉素的生產水平提高了40%以上氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第31頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第32頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第33頁/共63頁/jpkc/fjgc計算流體力學氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第34頁/共63頁/jpkc/fjgc發酵過程放大困難的原因就在放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學相似和流體動力學相似，當在小試研究時某一個對生產產生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大時成為關鍵因子時，就會造成整個發酵過程的失敗(供氧、混合、剪切）。氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第35頁/共63頁/jpkc/fjgc

根據r,Kla、攪拌槳特性→攪拌功率根據r、菌體細胞剪切→攪拌器形式、轉速等;

攪拌器的混和計算流體力學的應用研究;

大型發酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡，傳動裝置技術和整體罐結構設計研究;

。。。。。。。張嗣良，中國生物工程雜志，2005氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第36頁/共63頁/jpkc/fjgc根據r,Kla、攪拌槳特性→攪拌功率KlaN,D(攪拌功率）Q（通氣量）大小小大氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第37頁/共63頁/jpkc/fjgc5、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第38頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第39頁/共63頁/jpkc/fjgc

通過在發酵液中引入一種新的液相，以減少氣液傳氧阻力，從而提高傳氧效率(Mengeetal.,2001;Loweetal.,1998)。這種液相一般具有比水更高的溶氧能力，且與發酵液互不相溶，稱為氧載體oxygen-vector)。通常使用的氧載體主要有:液態烷烴、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第40頁/共63頁/jpkc/fjgc溶氧水平提高，蝦青素合成增加氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第41頁/共63頁/jpkc/fjgc讀書報告：溶氧對發酵的影響及其控制要求：字數不限要有參考文獻（04年以后）氧的供需及對發酵的影響影響Kla的因素第42頁/共63頁/jpkc/fjgc第四節CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學法I2+2氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第43頁/共63頁/jpkc/fjgc2、溶氧電極

極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2

原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第44頁/共63頁/jpkc/fjgc

極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。

膜：耐溫、透氣、不通水

測定：一般是得到相對值氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第45頁/共63頁/jpkc/fjgc二、r的測定1、物料衡算

流量（進口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————

發酵液體積氧的濃度：氧分壓儀氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第46頁/共63頁/jpkc/fjgc2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第47頁/共63頁/jpkc/fjgc三、Kla的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化Kla.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第48頁/共63頁/jpkc/fjgc2、平衡法

rKla=————C*-CL例：一個裝料為7L的實驗室小罐，通氣量為1VVM（標態），發酵液的CL＝25%、空氣進入時的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時菌體的攝氧率和發酵罐的Kla氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第49頁/共63頁/jpkc/fjgc3、動態法

不同的測定方法得出的kla是不一樣的氧的供需及對發酵的影響CL、r和Kla的測定第50頁/共63頁/jpkc/fjgc第五節溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發酵中氧濃度的變化規律（一定Kla下）：rXQCL一般有一個低谷，在對數生長的末期氧的供需及對發酵的影響溶氧濃度的變化及其控制第51頁/共63頁/jpkc/fjgc華東理工大學學報，2000氧的供需及對發酵的影響溶氧濃度的變化及其控制第52頁/共63頁/jpkc/fjgcOUR=r：攝氧率TEMP：溫度AGIT：攪拌轉速DO：溶氧濃度氧的供需及對發酵的影響溶氧濃度的變化及其控制第53頁/共63頁/jpkc/fjgc結論：

當OUR(r)與DO反向變化時,表明其限制因素為細胞水平的菌體代謝問題,當OUR(r)與DO同向變化時,表明其限制因素為工程水平的氧傳遞問題。此時溶氧處于臨界氧以下(這一結論)可客觀地、動態地把握臨界氧水平及氧平衡的制約因素。氧的供需及對發酵的影響溶氧濃度的變化及其控制第54頁/共63頁/jpkc/fjgc二、發酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應:

XS→P+Xπ=a+bμ氧的供需及對發酵的影響溶氧濃度的變化及其控制第55頁/共63頁/jpkc/fjgc氧的供需及對發酵的影響溶氧濃度的變化及其控制第56頁/共63頁/jpkc/fjgc菌體生長期：酶系統Ⅰ酶系統Ⅱ關鍵因子開始的