发酵工程 第7章 溶解氧对发酵的影响及其控制
溶解氧对发酵的影响及其控制
QO2
C临界
CL
满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度（c临界），当溶 氧溶度（cL）高于菌体生长的临界溶氧浓度（c临界）时，菌体 的各种代谢活动不受干扰，反之则反。
一般好氧微生物的c临界很低，大约为饱和氧浓度1%~25%。
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
提高罐压
Pi增加则与之平衡的Ci也会增加，对提高（c* - c) 是有一定作用的。
利用纯氧，可以提高（c* - cL)
缺点：价格较高 易引起爆炸
可见，提高KLa最有效的方法是提高N与Vs，并 协调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受 限制较多。
2、发酵液的需氧量
发酵液的需氧量（OUR），受c(X) 、基质的种
式中
KL
(c
cL
)
OTR-氧由气相向液相的传递速率(传氧速率，
oxygen take rate)，mmol O2 ／(L·h)；
KLα-液相体积氧传递系数，1／h；
c*-液相饱和溶氧浓度，mmol O2 ／L；
cL-液相实际溶氧浓度，mmol O2 ／L；
OUR-菌的耗氧速率(摄氧速率，oxygen uptake
但不能够无限的增加通风量,研究表明，当通风量 增加到一定的量后，(Pg/V)会随着Q的增加而下 降。
也就是说单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下 降，不但不能提高kLa，甚至会造成kLa值的下降。
（2）提高（c* - cL)，即氧传递动力
c*，改变c*是没有太大的余地的。因为，发酵温 度、浓度等严格的受到菌体生长和发酵工艺的限 制。
OTR = kLa×（P*-P）
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及其控制The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth (Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation. According to the demand of dissolution characteristics and microbial oxygen on oxygen, analysis of the effects of dissolved oxygen on the fermentation and the effect on fermentation, and then determine the control of dissolved oxygen in the fermentation broth and transfer, the maximum production efficiency.Compared with normal PID controller, the new controller is of small overshoot and quick response, improved stability of the system andincrease the yield of products. Study the influence of dissolved oxygen and controlling the fermentation to improve production efficiency, improve product quality, etc. are important.溶氧浓度（DO）作为发酵控制中的一个关键参数，直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本，受到工业生产和实验室研究的重视，无论是厌氧还是需氧发酵，研究发酵液中溶氧对发酵的影响都有重要意义。
发酵工艺控制(溶氧)
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸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形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及控制溶氧是微生物发酵过程中的重要因素之一，它对微生物的生长和代谢有着直接的影响。
本文将从溶氧对发酵的影响、溶氧的控制及其方法等方面进行探讨。
一、溶氧对发酵的影响1. 溶氧影响微生物生长速度和代谢产物微生物在发酵过程中需要通过呼吸作用来产生能量，而呼吸作用需要氧气参与。
当溶氧充足时，微生物的生长速度和代谢产物的产量都会增加。
但当溶氧不足时，微生物会采用厌氧代谢途径，此时代谢产物的种类和产量都会发生改变。
2. 溶氧影响微生物的代谢途径微生物在不同的溶氧条件下，会采用不同的代谢途径，从而影响代谢产物的种类和产量。
当溶氧充足时，微生物会采用呼吸代谢途径，产生的代谢产物主要是二氧化碳和水。
当溶氧不足时，微生物会采用厌氧代谢途径，产生的代谢产物主要是乳酸、酒精等。
3. 溶氧影响微生物的生理状态溶氧对微生物的生理状态也有着直接的影响。
当溶氧充足时，微生物的细胞膜通透性和细胞内酶的活性都会增强，从而提高微生物的生理状态。
当溶氧不足时，微生物的生理状态会下降，从而影响微生物的生长和代谢。
二、溶氧的控制及其方法1. 气体控制法气体控制法是一种常用的溶氧控制方法。
通过控制氧气的流量和进气口的大小，来调节溶氧的浓度。
这种方法适用于规模较大的发酵过程。
2. 搅拌控制法搅拌控制法是一种通过搅拌来增加氧气传递的方法。
通过调节搅拌的强度和速度，来增加氧气的传递速率，从而提高溶氧浓度。
这种方法适用于规模较小的发酵过程。
3. 降低发酵液的粘度发酵液的粘度越高，氧气传递速率就越慢。
因此，通过降低发酵液的粘度，来增加氧气的传递速率，从而提高溶氧浓度。
4. 控制发酵液的温度发酵液的温度也会影响溶氧浓度。
当温度升高时，溶氧浓度会下降。
因此，通过控制发酵液的温度，来调节溶氧浓度。
5. 使用溶氧控制仪溶氧控制仪是一种通过测量发酵液中的溶氧浓度，来控制氧气的流量和进气口的大小，从而调节溶氧浓度的设备。
这种方法适用于规模较大的发酵过程。
溶解氧对发酵的影响及其控制
利用纯氧，可以提高（c* - cL) 缺点：价格较高
易引起爆炸
可见，提高KLa最有效的方法是提高N与Vs，并协 调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受限 制较多。
（3）改变发酵液理化性质
① 加消泡剂，消除泡沫，增加溶氧 ② 补加无菌水，降低粘度 ③ 改变培养基成分，降低粘度 ④ 改变温度，影响溶氧
溶解氧对发酵的影响及其控制
溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 发酵过程溶解氧控制的策略与方法
（一）溶氧在发酵过程控制中的重要作用
（1）溶解氧判断发酵体系是否污染杂菌。
（2）溶解氧判断中间补料是否恰当。中问补料是否得当可 以从DO值的变化看出，如赤霉素发酵，有些批次的发酵罐 会出现"发酸。
（3）溶氧作为控制代谢方向的指标。在天冬氨酸发酵中前 期好氧培养，后期转为厌氧培养，酶活可大大提高。
2. 溶氧控制的方法：
溶氧浓度的控制从供给和消耗两方面考虑：
OTR KL (C * CL) 供给
QO2 X
消耗
（1）从供氧方面考虑
从氧传递动力学方程式，可以看出：在供氧方 面，主要是设法提高氧传递的推动力（c* - cL)和 体积氧传递系数KLα。 （1）提高 kLa kLa 反映了设备的供氧能力，不但与反应器的结构 参数有关，还与发酵液的性质有关（粘度、浓度 等）， kLa与操作参数之间的关系，可以使用下 式表示出来：
kLa = f(N Q μ Vs ……)
搅拌转速
kLa ∝ (Pg/V)α ×Vsв
Pg ∝ N2.46
可见，提高N可以有效的提高kLa，从而增加发 酵液中的溶氧浓度。
但是，高转速也有不利的方面（能耗 、菌体对 剪切力的要求）。
发酵工艺控制(溶氧)
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸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形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
微生物的比耗氧速率的大小受多种因素影响，当培养基中不存在其他限制性基质时，比耗氧速率随溶氧浓度增加而增加，直至某一点，比耗氧速率不再随溶氧浓度的增加而增加，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度(criticaloxygenconcentrationOf respiration)，以Ccr表示。呼吸临界溶氧浓度一般指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，如对产物形成而言便称为产物合成的呼吸临界氧浓度。
பைடு நூலகம்
3、培养液中溶解氧浓度的影响
在发酵过程中，培养液中的溶解氧浓度(CL)高于菌体生长的临界氧浓度(C长临)时，菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰；如果培养液中的CL低于C长临时，菌体的多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制菌体生长和产物合成的现象。
溶解氧对发酵的影响及其控制
溶解氧对发酵的影响及其控制1 溶解氧对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。
1.1 溶氧量在发酵的各个过程中对微生物的生长的影响是不同的改变通气速率发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现一个低峰。
在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但受补料、加油等条件大影响。
补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。
如继续补糖，又会继续下降，甚至引起生产受到限制。
发酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升。
1.2 溶氧对发酵产物的影响对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营养因素，又是环境因素。
特别是对于具有一定氧化还原性质的代谢产物的生产来说，DO的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。
[1]在黄原胶发酵中，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长速率影响不大,但是对菌体浓度达到最大之后的菌体的稳定期的长短及产品质量却有着明显的影响。
[2]需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。
谷氨酸发酵中，高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。
[3]DO值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发酵环境甚至使目标产物发生偏离。
研究表明，L-异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中的代谢流分布,从而改变Ile等氨基酸合成的代谢流量。
[4]2 溶氧量的控制对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及控制引言：发酵是一种广泛应用于食品和生物工程领域的生物过程。
溶氧是发酵过程中必不可少的因素之一，对发酵的效率和产物品质有着重要的影响。
本文将探讨溶氧对发酵的影响及其控制方法。
一、溶氧对发酵的影响1. 溶氧影响生物代谢：生物发酵过程中需要大量的氧气参与代谢反应，例如呼吸作用和产物合成。
充足的溶氧可提供细胞所需的氧气，加速代谢反应进行，从而提高发酵效率和产物质量。
2. 溶氧影响菌群生长：某些微生物在缺氧环境下更适合生长，而另一些微生物则需要较高的溶氧浓度。
适宜的溶氧浓度能够选择性地促进或抑制特定微生物的生长，从而调控发酵过程中菌群的种类和数量。
3. 溶氧影响发酵产物：溶氧水平的变化会导致发酵微生物的代谢途径发生改变，从而影响产物的种类和数量。
例如，在酿造啤酒的过程中，高溶氧浓度会促使酵母细胞产生醋酸，而低溶氧浓度则有利于乙醇的产生。
二、控制溶氧浓度的方法1. 气体供应控制：通过调节气体供应速率和流量，可以控制发酵罐中的氧气浓度。
例如，增加通气速率可以提高溶氧浓度，而减少通气速率则可以降低溶氧浓度。
2. 搅拌控制：搅拌发酵罐中的培养基可以增加气液传质速率，促进氧气的溶解和分配。
合理的搅拌速度可以保持溶氧浓度的稳定，避免过高或过低的溶氧浓度对发酵过程的不利影响。
3. 温度控制：适宜的温度可以影响氧气在液体中的溶解度。
根据不同微生物的需求，可以通过调节发酵罐的温度，来控制溶氧浓度的变化。
4. 添加表面活性剂：表面活性剂的添加可以降低氧气的表面张力，促进氧气的溶解和分散。
这种方法可以提高溶氧浓度，特别适用于高粘度的发酵培养基。
5. 使用溶氧传感器：通过安装溶氧传感器，可以实时监测发酵罐中的溶氧浓度，并根据需求进行及时调整。
结论：溶氧是发酵过程中不可忽视的重要因素，它对发酵效率和产物品质有着显著的影响。
合理控制溶氧浓度可以优化发酵过程，提高产物的质量和产量。
通过调节气体供应、搅拌、温度和添加表面活性剂等方法，可以有效地控制溶氧浓度，实现理想的发酵效果。
氧气对发酵的影响
发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制录入时间:2010-8-13 9:26:18 来源：青岛海博《微生物工程》在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。
通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
一、溶解氧对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。
需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。
溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。
因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。
最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。
根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。
第一类氨基酸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形成的，产生的NADH量最多。
因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。
第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。
氧气对发酵的影响
发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制录入时间:2010-8-13 9:26:18 来源：青岛海博《微生物工程》在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。
通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
一、溶解氧对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。
需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。
溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。
因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。
最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。
根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。
第一类氨基酸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形成的，产生的NADH量最多。
因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。
第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。
发酵工程_第7章_溶解氧对发酵的影响和控制
氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa条件下，氧 在纯水中的溶解度为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的 溶解度更低（0.25mmol/L）。在28℃氧在发酵液中的100% 的空气饱和浓度只有7mg/L左右，比糖的溶解度小7000倍。
在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传 质的基本方程式）为
OTR KLa(C* CL )
在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理， 称为体积溶氧系数或体积传质系数
7.3 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
细胞的呼吸作用 氧传递特征（发酵罐传递性能）
若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进 一步提高传递能力； 若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需 筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少必须平衡，此时
式中 hi—第i种离子的常数, m3/kmol
Ii
1 2
ZiCEi
离子强度,
kmol/m3
Zi—第i种离子的价数,
CEi —第i种离子的浓度, kmol/m3
碳源种类
耗氧速率：油脂或烃类>葡萄糖> 蔗糖> 乳糖
培养基浓度
浓度大, QO2 ↑; 浓度小, QO2↓
菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
发酵条件的影响
pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征; 温度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T ↑, DO↓
代谢类型(发酵类型)的影响
若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小
有机酸工艺学-溶解氧对发酵的影响及其控制
A. 酸碱调节，使蛋白质与盐或离子形成沉淀。
在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水 杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉 淀；
在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，如Ag+、Cu2+、 Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。
2. 变性法
① 加热， ② 大幅度调节pH值， ③ 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采用适当的浓度。
柠檬酸发酵终点控制：
• 当通风搅拌培养50-72H柠檬酸产酸达140-180G/L，柠檬酸产量不再上升， 残糖降至2 G/L以下，可升温终止发酵，泵送至储罐中，及时进行提取。
1. 发酵温度为36±1℃。 2．PH5.0， 3．溶氧控制通风搅拌 通风量0.08-0.15M3/M3MIN。50M3罐搅拌器3挡，转速90-100R/MIN 4.发酵终点控制 残糖降至2 G/L以下,每两小时产酸不增加。
工业上使用的絮凝剂可分为三类：
1）有机高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙 烯类衍生物； 2）无机高分子聚合物，如聚合铝盐、聚合铁盐等； 3）天然有机高分子絮凝剂，如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、 明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
目前最常见的高分子聚合物絮凝剂
有机合成的聚丙烯酰胺（polyacrylamide）类衍生物
1.降低液体粘度
根据流体力学原理，滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比，降低 液体粘度（加水稀释法和加热法等）可有效提高过滤速率。注意加热 温度与时间，不影响产物活性和细胞的完整性。
2.调整pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH值 可改善其过滤特性。氨基酸、蛋白质等电点的调节；在膜过滤中，发酵 液中的大分子物质易与膜发生吸附，通过调整pH值改变易吸附分子的电 荷性质，即可减少堵塞和污染；细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某 个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒，有利于过滤的进行。
发酵过程的控制
【例】： 在GA(谷氨酸)发酵的合成期，过量供氧会使NADPH（还原型辅酶Ⅱ）进入呼吸链被氧化，减少了其数量，而NADPH与α-KGA（α-酮戊二酸）的还原氨基化是相偶联的，必然会影响α-KGA →GA的合成。
要指出的是，需氧发酵并不是溶解氧越高越好，适宜的溶氧水平有利于菌体生长和产物形成。但溶氧太高，有时反而抑制产物的形成。即使是专性好气菌，过高的DO对生长也可能不利。因为过量的氧会形成新生态[O]、活性氧自由基 O2 ·和 OH· ，造成许多细胞组分破坏，反而不利于微生物的生长。 发酵过程需氧程度产生差异的原因是：微生物的代谢途径不同所引起的。由于不同代谢途径产生不同数量的还原型NAD(P)H，它再氧化所需要的溶氧量当然也不同。由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径有关。
三、发酵过程氧的传质理论
（一）氧从气泡至细胞的传递过程
供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中。
耗氧：氧从液相主体通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内，才能被微生物利用。 以上氧传递的整个过程必须克服一系列的阻力。
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
O2
气膜
发酵罐的温度传感器、耐高温pH和溶氧传感器
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，它们只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖、积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。 溶氧(Dissolved Oxygen , DO)是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是制约发酵进行的重要限制因素。
一、溶氧对发酵的影响 氧对微生物发酵的影响是多方面的，不同的菌、不同的发酵阶段对于氧的要求也不相同，氧对其的影响也不相同，表现如下： 1、影响菌系的酶活性 在微生物的代谢过程中，许多参与催化脱氢氧化反应的酶都是以NAD(P)为辅酶的，NAD(P)的数量是保证酶活力的基础。NAD(P)作为H的受体，脱氢后成为还原的NAD(P)H。NAD(P)H只有在有氧条件下才能通过呼吸链被氧化，生成氧化型NAD(P)后又重新参加脱氢反应，一旦发酵液中的氧的浓度不够，与NAD(P)相关的酶促反应就会停止。
发酵工艺控制讲义——氧对发酵的影响及控制
发酵工艺控制讲义——氧对发酵的影响及控制氧是发酵过程中重要的因子之一，对发酵的影响及其控制具有重要意义。
本文将从氧对发酵的影响、氧的供给方式以及氧的控制等方面进行讲解。
发酵过程中，微生物需要通过氧气来进行呼吸作用，产生能量。
氧气的供给不足或过量都会对发酵过程产生一定影响。
首先，缺氧对发酵过程会产生不利影响。
微生物进行发酵作用时，需要大量的氧气来满足能量需求。
如果氧气供给不足，会导致微生物代谢和生长速率减慢，进而影响发酵产物的生成。
此外，缺氧还会导致乳酸、乙醇等代谢产物的积累增加，影响发酵过程的效率和产物品质。
其次，过量氧气也会对发酵产生负面影响。
过量的氧气会导致微生物产生过多的氧自由基，从而加速细胞氧化损伤的发生，降低细胞代谢的活性。
此外，过量的氧气还容易引起微生物DNA的氧化损伤，降低细胞的生存能力。
针对氧对发酵的影响，发酵过程中需要进行氧的供给和控制。
氧的供给方式可以通过气体通气或溶氧控制来实现。
气体通气是通过将氧气通入反应器中，供给微生物所需的氧气量。
气体通气的主要优点是供给灵活、操作简单。
但是，在气体通气过程中，氧气的传质效率较低，容易产生氧催化剂，进而加速微生物氧化损伤的发生。
溶氧控制是通过调整溶解氧的含量来控制氧的供给。
溶氧控制可以通过调整搅拌速度、改变气体通气速率等方式来实现。
溶氧控制的优点是能够更加准确地控制氧的供给量，避免过量或不足。
但是，溶氧控制需要较为复杂的设备和操作步骤，成本较高。
在发酵工艺中，可以根据具体情况选择合适的氧供给方式和控制策略。
对于一些需求较高氧气的发酵过程，如酒精发酵、乳酸发酵等，通常会采用气体通气供氧；而对于一些对氧敏感的发酵过程，如抗生素发酵、干酪起始菌发酵等，通常会采用溶氧控制的方法。
总而言之，氧是发酵过程中重要的因子之一，对发酵的影响及其控制具有重要意义。
合理的氧供给和控制策略，可以提高发酵过程的效率和产物品质，是发酵工艺控制中不可忽视的一环。
最佳氧的供给和控制方式需要根据具体发酵过程的要求而定，需要深入研究和实践。
溶解氧对微生物发酵的影响及其控制
溶解氧对微生物发酵的影响及其控制一、溶解氧对发酵的影响在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：⑴培养基的成分和菌浓显著影响耗氧培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大；菌浓高，耗氧量大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随之增大。
⑵菌龄影响耗氧呼吸旺盛时，耗氧量大。
发酵后期菌体处于衰老状态，耗氧量自然减弱。
⑶发酵条件影响耗氧在最适条件下发酵，耗氧量大。
发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。
在25℃，0.10MPa下，空气中的氧在水中的溶解度为0.25mmol ／L，在发酵液中的溶解度只有0.22mmol／L，而发酵液中的大量微生物耗氧迅速(耗氧速率大于25～100mmol／L·h)。
因此，供氧对于好氧微生物来说是非常重要的。
在好氧发酵中，微生物对氧有一个最低要求，满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度(criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration)，用c临界表示。
在c临界以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。
一般好氧微生物c临界很低，约为0.003～0.05mmol／L，需氧量一般为25～100mmol／(L·h)。
其c临界大约是氧饱和溶解度的1％～25％。
当不存在其他限制性基质时，溶氧高于c临界，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧低于c临界，细胞的比耗氧速率就会大大下降，细胞处于半厌氧状态，代谢活动受到阻碍。
培养液中维持微生物呼吸和代谢所需的氧保持供氧与耗氧的平衡，才能满足微生物对氧的利用。
液体中的微生物只能利用溶解氧，气液界面处的微生物还能利用气相中的氧，故强化气液界面也将有利于供氧。
溶氧是好氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度更小，因此，需要不断调整通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
• 此方法只是近似测量溶氧的方法。
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
2.溶解氧作为发酵异常情况的指示
发酵过程中，出现异常变化的原 因：耗氧或供氧出现了异常因素或 发生了障碍
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
溶氧异常下降的原因有哪些？
• 污染好气性杂菌 • 菌体代谢发生异常现象 • 某些设备或工艺控制发生故
障或变化
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧对发酵的影响 及控制
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
溶氧(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-1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分钟之内便耗竭，使溶氧 成为限制因素。
r= QO2 .X
X指发酵液的菌体浓度，单位为（g干菌体/L）
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
• 微生物对氧的需求
QO2
CCr
CL
CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
当发酵液中的溶解氧浓度低于此临界氧 浓度时，微生物的耗氧速率将随着溶解 氧浓度降低而很快下降，此时溶解氧是 微生物生长的限制因素，改善供氧对微 生物生长有利。
溶氧异常升高的原因有哪些？
• 在供氧条件没发生变化的情况下，耗氧量 的显著减少，会引起溶氧异常上升。 特别注意：是否污染烈性噬菌体 若污染了烈性噬菌体： 产生菌尚未裂解，呼吸就受到抑制→溶氧 明显上升 菌体破裂会完全失去呼吸能力→溶氧直线 上升
第七节 溶解氧对发酵的影响及控制
一、溶解氧浓度对发酵的影响
1、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 呼吸强度： /g干菌体 干菌体·h 呼吸强度：QO2（mmol O2/g干菌体 h） • 耗氧速率：r （mmol O2/L h） /L·h 耗氧速率：
r = QO2 • X
---发酵液中菌体浓度，（kg/m 发酵液中菌体浓度，（ X ---发酵液中菌体浓度，（kg/m3）；
• 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，为了计算 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度， 方便，通常情况下，改用总传质系数和总推动力表示， 方便，通常情况下，改用总传质系数和总推动力表示， 在稳定状态时， 在稳定状态时，有：
N o 2 = K L (c − cL ) = K G ( p − p )
N = K Lα ( c − c L )
*
N：氧的传递速率[kmol/（m3·h）]； ：氧的传递速率 （ ）； KLa：以浓度差为动力的体积溶氧系数（h-1）； ：以浓度差为动力的体积溶氧系数（ KGa：以分压差为动力的体积溶氧系数 ：以分压差为动力的体积溶氧系数[kmol/（m3·h·M pa）]； （ ）； cL：发酵液中氧浓度（kmol/m3）； 发酵液中氧浓度（ c*：与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）； 平衡的发酵液氧浓度（ ：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 p：气相中氧分压（M Pa）； ：气相中氧分压（ ）； p*：与液相中氧浓度 平衡的氧分压（M Pa）； 平衡的氧分压（ ：与液相中氧浓度c平衡的氧分压 ）； H：亨利常数（m3·M Pa/kmol） ：亨利常数（ ）
1 1 H 所 ： = 以 + KG kG kL
同样的方法可得出K 的表达式： 同样的方法可得出 L的表达式：
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2.微生物需氧量的表示方式
呼吸强度QO2（比耗氧速率） ：单位质量 干菌体在单位时间内消耗氧的量。
摄率γ（耗氧速率）：单位体积培养液在 单位时间内消耗氧的量。
QO2和γ的关系
x QO2
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概念：临界溶氧浓度 Ccr
KLa
QO2 x C* CL
kLa亦可称为“通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通 气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条
件贫乏。
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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:
dCL dt
KLa(C* CL ) QO2`
x
在稳态时,
dCL 0 dt
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7.2 氧传递方程
在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传 质的基本方程式）为
OTR KLa(C* CL )
在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理， 称为体积溶氧系数或体积传质系数
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7.3 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
细胞的呼吸作用 氧传递特征（发酵罐传递性能）
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（四）溶解氧对发酵的影响及其控制
1. 引起溶解氧变化的因素 2. 溶解氧对发酵的影响 3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 4. 发酵液中溶解氧的控制 5. 溶解氧控制实例
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氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa条件下，氧 在纯水中的溶解度为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的 溶解度更低（0.25mmol/L）。在28℃氧在发酵液中的100% 的空气饱和浓度只有7mg/L左右，比糖的溶解度小7000倍。
lg
C*w C*e
KCE
在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2< (QO2 )m， x<xm
对数生长期末：S↓, OTR↓, QO2 ↓而γ∝(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、 OTR 占主导地位，所 以 γ↓
培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
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影响微生物耗氧的因素
微生物本身遗传特征的影响 培养基的成分和浓度
第八章 发酵过程控制
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本章内容
一、概述 二、温度对发酵的影响及其控制 三、 pH对发酵的影响及其控制 四、溶解氧对发酵的影响及其控制 五、 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 六、基质浓度对发酵的影响及补料控制 七、泡沫对发酵的影响及其控制 八、自动控制技术在发酵过程控制中的应用
氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在 1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的 纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:
Cw*
t
14.6 31.6
t—温度,℃
T ↑ ，Cw* ↓ ，推动力↓
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2) 溶质
影响推动力C*-CL的因素
A.
电解质 1)对于单一电解质
若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小
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4. 溶解氧控制的意义
溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响 可能是不同的，所以须了解生长期和生产 期的最适需氧量 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的 限制因素 目前,在发酵工业上氧的利用率很低，因此 提高传氧效率,就能大大降低空气消耗量, 从而降低设备费和动力消耗,且减少泡沫形 成和染菌的机会, 大大提高设备利用率
在对数生长期，即使发酵液被空气饱和，若此时中止供氧， 发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗尽。
在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重 要限制因素之一。
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1. 氧在微生物发酵中的作用 （好气性微生物）
呼吸作用 直接参与一些生物合成反应
CH3CH 2OH O2 CH3COOH
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25℃，1×106Pa下，空气中氧在纯水中的 溶解度仅0.25mol/m3 好氧发酵中，若菌体浓度1015个/m3，呼吸 强度QO2=2.6×10-3mol/(kg·S),则每立方米 发酵液中菌体的需氧量约187mol/（m3·h）
即：1m3发酵液中每小时需要的氧是溶解量 的750倍
碳源种类
耗氧速率：油脂或烃类>葡萄糖> 蔗糖> 乳糖
培养基浓度
浓度大, QO2 ↑; 浓度小, QO2↓
菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
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发酵条件的影响
pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征; 温度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T ↑, DO↓
代谢类型(发酵类型)的影响
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/饱和溶氧溶度
对于微生物： CCr: ＝1～15%饱和浓度
例：细菌和酵母, 3%~10% 放线菌， 5%~30% 霉菌， 10%~15%
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3. 培养过程中细胞耗氧的一般规律
培养初期： QO2逐渐增高，x较小
在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时x较低, γ 并不高
CL
C*
QO2 x KLa
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7.4 影响氧传递的因素
OTR KLa(C* CL )
可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：
1. 影响推动力C*-CL的因素
2. kLa的影响因素
影响比表面积a的因素
影响液膜传递系数kL的因素
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1.影响推动力的因素 1) 温度
若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进 一步提高传递能力； 若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需 筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：
OTR KLa(C* CL )
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传递
消耗 x QO2
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对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得：
微生物的比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CL有一个最低要求 ，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界 溶氧浓度，以Ccr表示。 CL> Ccr，QO2 保持恒定 CL< Ccr， QO2 大大下降
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发酵行业用空气饱和度（%）来表示DO含量的单位