溶解氧对发酵的影响及控制
溶氧的影响及控制
方法：通气搅拌，溶氧升到最高；中止通气，继续 搅拌，顶部充氮气，溶氧迅速下降。 各种微生物的呼吸临界氧值：
细菌和酵母：3~10% 放线菌：5~30% 霉菌：10~15%
合成的临界氧值：
考察不同溶氧浓度对生产的影响，便可求 得合成的临界氧值。
注意： ●实际上，呼吸临界氧值不一定与产物 合成临界氧值相同。 ●生物合成临界氧浓度并不等于其最适 氧浓度。 ●在培养过程中并不是维持溶氧越高越 好。过高的溶氧对生长可能不利。
发酵13h
50～55
20
13 50
当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界
值，细胞的比耗氧速率保持恒定；
如果溶解氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率就 会大大下降，或者是微生物的呼吸速率随溶解氧浓 度降低而显著下降，细胞处于半厌气状态，代谢活
动受到阻碍。
呼吸临界氧值可用尾气O2含量变化和通气量测定， 也可用溶氧电极测定。
r QO2 X
P188
①微生物本身遗传特征：不同种类耗氧量不同 ②培养基的成分和浓度：
培养基成分尤其是碳源对细胞耗氧影响大， 耗氧由大 到小：油质或烃类>G>蔗糖>乳糖 培养基浓度大，耗氧增加 培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大； 发酵浓度高，耗氧量大； 发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着增大。
氧浓度有明显作用；当转速很高时，再增大搅拌速度起不到调 节作用，反而打碎菌丝体，使菌体自溶并减少产量。
（3）改变气体组成中的氧分压 （4）改变罐压：提高C*。不是十分有效 （5）改变发酵液的理化性质：如加消沫剂、补加无菌水、
改变培养基的成分等
（6）加入传氧中间介质：一般是不溶于培养液的液体，
呈乳化状态来提高气液相之间的传递。传氧中间介质有：血红 蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡等）、含氟碳化物。
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控制总述：溶氧（DO）是需氧微生物生长所必须，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。
发酵液中的溶氧浓度对微生物的生长和产物形成有着重要的影响，在发酵液中溶氧的高低直接影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定着发酵产物产量的高低。
根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。
以下则主要针对氧在好养微生物，需要微生物或兼性厌氧型微生物的一些影响。
1.溶氧在好氧微生物发酵过程的影响溶氧是发酵中的营养和环境因素，不同发酵阶段的需氧量通常不同。
根据溶氧调控策略对Alcaligenes.sp.NX-3 产威兰胶的发酵过程的影响（5）溶氧对好氧微生物发酵的影响主要分为两方面：是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，影响微生物生长代谢。
二是在氧直接参与产物合成，且通过溶氧控制条件对深层灵芝发酵生产灵芝酸产量的影响溶氧是好氧性微生物生长发酵的重要工艺参数，对菌体生长和积累代谢产物都有较大影响，定着代谢产物产量的高低。
溶氧过低，不利于菌体生长和代谢产物的积累，溶氧过高，只利于菌体大量生长，代谢产物的积累受到抑制，好氧微生物生长和代谢均需要氧气，此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要，在不同的环境条件下，各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。
因此，对于好氧性微生物发酵，溶氧参数的控制尤为重要。
而好氧微生物发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。
可以针对不同的影响因素对发酵过程进行控制与调节。
2.溶氧在需氧菌或兼性厌氧菌微生物发酵过程的影响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。
因此，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。
根据溶氧对氨基酸发酵的影响及控制（2）中可知发酵液中的氧（溶解氧）是菌体生长与代谢的必需品。
发酵的影响因素-溶氧
Qo2---菌体呼吸强度（比耗氧速率）， molO2/（kg干细胞·s ） ；
X ---发酵液中菌体浓度，（kg/m3）；
1.溶氧对发酵过程的影响
溶氧对菌体生长和产物形成的影响：
一般对于微生物： 临界溶氧浓度: ＝1～15%饱和溶氧浓度 例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%
影响供氧的因素： 影响发酵罐中Kla的因素
搅拌：效果明显 空气流速 罐压
空气分布器 温度 空气中含氧量
发酵液物理性质
控制溶氧的工艺手段主要是从供氧和需氧两方面来考虑。
思考题
1 摄氧率如何计算？ 2 生产上，如何增加供氧量？
谢谢观看
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
2. 发酵过程对溶氧的控制
2.发酵过程对溶氧的控制
影响需氧的因素：
菌体浓度
r= QO2 .X
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
2.发酵过程对溶氧的控制
影响供氧的因素：
Nv Kla(c * c)
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度要大于 临界溶氧浓度.
1.溶氧对发酵过程的影响
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0.052 mmol O2·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：
浅述氧化在啤酒生产过程中的影响和控制
啤酒中过高氧的含量易使啤酒氧化，影响啤酒的爽快、醇厚性，且使啤酒的后苦味增强，使啤酒风味变差，饮用时有明显的氧化味（老化味）。
过高氧含量的啤酒，放置时间越长，越容易产生老化味，啤酒也容易失光和浑浊。
除了在主酵期氧有利于酵母增殖、促进新陈代谢以外，在其它过程中任何的氧和氧化反应都会对啤酒质量产生危害。
因此，需要采取一定的措施，控制啤酒生产过程中的氧，使成品啤酒中氧含量降最低，防止其危害啤酒的质量。
１氧对啤酒生产及质量的影响１．１麦汁中溶解氧对发酵的影响麦汁中溶解氧含量会影响发酵过程中酵母的增殖速度和增殖量。
影响发酵速率，影响ＶＤＫ前驱物质１一乙酰乳酸的生成量和氧化速度，影响高级醇、挥发酯等代谢产物的生成量，最终影响到啤酒的风味。
１．２促进啤酒胶体浑浊麦汁和啤酒中含有的多肽和疏基氨基酸蛋白质，在氧存在的条件下，氧化形’成双疏键，从而促进了蛋白质和多酚聚合，形成浑浊物质。
１．３促使麦汁和啤酒的色泽加深糖化、过滤和煮沸过程中，氧的存在造成了溶液中多酚物质的氧化，使麦汁色泽加深，最终影响到成品的色泽。
１．４破坏酒花香味和苦味酒花精油是啤酒重要的香气物质，在煮沸时接触到氧，容易氧化形成脂肪臭。
酒花中的苦味物质在煮沸时，接触到氧，易被氧化成＾ｙ’破树脂，给啤酒带来不愉快的后苦味。
成品啤酒中氧的存在同样也会使酒花香气物质和苦味物质氧化，给啤酒带来脂肪臭和不愉快的后苦味。
１．５使ＶＤＫ回升成品啤酒中存在一定量的ＶＤＫ前驱物质叫一乙酰乳酸，在氧存在的条件下，其经氧化收稿Ｅｌ期：２００９—０１—０６·２５·叶利安庆天拄啤酒有限责任公司２４６００５脱羧反应形成ＶＤＫ，影响啤酒风味。
１．６产生老化昧成品啤酒中含有醇类、酯类、醛类、酮类、挥发酸、酚类及含硫化合物等风味物质。
这些风味物质在氧存在的条件下，大部分易发生氧化，生成氧化物，改变了风味物质性质和呈味性能，产生了老化昧，以致啤酒风味变差，风味稳定性遭到破坏。
发酵过程中溶解氧的控制措施
发酵过程中溶解氧的控制措施一、引言发酵是一种广泛应用于食品、医药、化工等领域的生物技术，而溶解氧是影响发酵过程的重要因素之一。
在发酵过程中，微生物需要氧气参与代谢活动，但过高或过低的溶解氧浓度都会对微生物的生长和代谢产生不利影响。
因此，在发酵过程中控制溶解氧浓度至关重要。
二、影响溶解氧浓度的因素1. 发酵系统中空气流量和搅拌速度：空气流量和搅拌速度是控制发酵系统内溶解氧浓度的两个主要因素。
适当增加空气流量和搅拌速度可以提高溶解氧浓度，促进微生物生长和代谢活动。
2. 发酵液温度：温度对微生物代谢活动有直接影响，适宜的温度可以提高微生物代谢效率，增加需求氧量；但过高的温度会使微生物失去活性，降低需求氧量。
3. 发酵液pH值：pH值对微生物代谢活动也有直接影响，适宜的pH 值可以提高微生物代谢效率，增加需求氧量；但过高或过低的pH值会使微生物失去活性，降低需求氧量。
4. 发酵液中有机质浓度：有机质浓度是微生物生长和代谢的重要营养源，但过高的有机质浓度会导致微生物代谢产生大量二氧化碳等废气，使溶解氧浓度降低。
三、控制溶解氧浓度的措施1. 适当增加空气流量和搅拌速度：在发酵过程中适当增加空气流量和搅拌速度可以提高溶解氧浓度。
具体来说，可根据不同微生物需要的溶解氧浓度和发酵系统的特点确定最佳空气流量和搅拌速度。
2. 控制发酵液温度：在发酵过程中控制发酵液温度可以影响微生物需求氧量。
对于需求较高的微生物，在合适的温度范围内增加温度可以提高其代谢效率和需求氧量；对于需求较低的微生物，降低温度可以减少其需求氧量。
3. 控制发酵液pH值：在发酵过程中控制发酵液pH值可以影响微生物需求氧量。
对于需求较高的微生物，在合适的pH值范围内调整pH 值可以提高其代谢效率和需求氧量；对于需求较低的微生物，调整pH 值可以减少其需求氧量。
4. 控制有机质浓度：在发酵过程中控制有机质浓度可以影响微生物产生废气的量，从而影响溶解氧浓度。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制
发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制在好氧深层培养中，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。
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。
溶氧在发酵工程中的重要性
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
是一直陪着她走那阴暗的岁月，她曾经想要追随父亲而去天堂的念想
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。在黄原
胶发酵中，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长
超氧化物 O2-和过氧化物基 O22-，破坏许多细胞 组分，进而破坏微生物生长。三、结束语发酵液 中的氧含量对菌体生长和产物形成都有着重要
的影响，溶氧量的控制主要从氧的溶解和传递两
个方面考虑。随着计算机和自动化技术的发展，
发酵工业中从 DO 的测量到分析控制都正逐步走 向自动及控制一体化模式，研究利用 DO 作为补 料的在线控制信号[9]将大大提高了发酵调控的
这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通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。二、溶氧量的控制对溶解氧进行控制的
培养，后期严格控制 DO 进行厌氧发酵。厌氧和
微好氧微生物能耐受坏境中的氧，但它们的生长
并不需要氧，这些微生物在发酵生产中应用较 少。而对于专性厌氧微生物，氧则可对其显示毒 性，如产甲烷杆菌，此时能否限制 DO 在一个较
低值往往成为发酵成败的关键。溶解氧对微生物
自身生长的影响体现在多个方面，其中对微生物
考虑 KLa 的影响因素。从一定意义上讲，KLa 愈
大，好氧生物反应器的传质性能愈好。控制 KLa
是一直陪着她走那阴暗的岁月，她曾经想要追随父亲而去天堂的念想
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略作者：***单位：河北天俱时自动化科技有限公司2009年4月10日好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略刘伟河北天俱时自动化科技有限公司摘要：好氧发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、通风量等，为了保证发酵过程中合适的溶解氧含量，对溶氧值进行控制，本文分析了溶氧检测值的影响因素，并指出溶氧控制的一般性控制策略。
关键词：好氧发酵，溶氧调节一、引言好氧发酵过程溶氧浓度（DO）是一个非常重要的发酵参数，它既影响细胞的生长，又影响产物的生成。
控制发酵液溶氧值一方面可以改善微生物的生长代谢环境，有效促进发酵单位的提高，另一方面还可以起到节能降耗的作用，对企业生产意义重大。
二、影响因素通常情况下，对发酵液溶氧参数影响较大的几个物理参数包括：通风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。
通风量的影响通风量的影响是最直观的，溶氧值大小的影响最主要的是进入发酵罐的氧的量，因为在好氧发酵过程中，如果截断进风的补给发酵液中的氧很快将被微生物消耗掉，通常在进风管道上安装调节阀门进行进风流量的调节。
搅拌的影响由于溶氧电极在工作中存在明显的电流，自身消耗大量的氧。
电极的信号与氧向电极表面传递的速率成比例，而氧的传递速率则受氧跨膜扩散速率控制。
这一速率与发酵液的浓度成比例，其比值（以及电极的校准）取决于总的传质过程。
电极的一般工作条件是，氧向膜外表面的传递速率很快且不受限制。
因此整个过程受跨膜传递的限制，比例常数（传质系数）较易维持恒定。
发酵实验时搅拌操作可以获得满意的跨膜传递速率。
需要指出，在对电极进行最初校准的过程中，必须对发酵罐进行搅拌。
温度的影响溶氧电极的信号随温度的升高而显著增强，这主要是因为温度影响氧的扩散速率。
发酵实验过程中需控制发酵罐的温度，因为即使0.5℃左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超过1%）。
溶氧读数的周期性变化（每隔若干分钟观察1次）显示了温度波动的影响，而且较大的温度变化能引起校准的较大漂移。
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。
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• 从发酵液的溶解氧浓度变化可以了解：
1.微生物生长代谢是否正常； 2.工艺控制是否合理； 3.设备供氧能力是否充足
（二）溶解氧的检测方法
• 目前测定发酵液中的溶解氧主要采用复 膜式电极测定法。 复膜式电极有由置于碱性电解质中的银阴
极和铅阳极组成的原电池型，以及由管状
银阳极、铂丝阳极、氯化钾电解液及极化
鲢鱼 鲫鱼
27 29
0.01-0.02 0.004
4-8% 2%
三、影响需氧的因素
r= QO2 .X
菌体浓度
Q O2
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
二、溶解氧浓度对产物形成的影响
• 与微生物生长有一临界溶解氧浓度 类似，微生物产物的合成也有一最 低的溶氧浓度，称为产物合成临界 氧浓度。
• 安装方便 • 可实现溶解氧的在线连续测定 • 有利于发酵过程的优化和控制
• 性能稳定
• 耐高温
• 使用寿命长
要能耐高压蒸汽灭菌！
逐步下降
• 因此，在通过检测发酵过程溶解氧 的变化从而了解菌体对氧需求规律 的基础上，通过控制措施可使整个
发酵过程的不同阶段溶解氧浓度保
持在最适水平。
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
溶氧异常下降的原因有哪些？
• 污染好气性杂菌
微生物对氧的需求
发酵液中氧的供给
影响KLa的因素（供氧的调节） 与溶氧相关的参数测定 发酵过程中溶氧监控的意义
一 溶解氧浓度对发酵的影响
1.溶解氧对微生物生长的影响 （氧的重要性）
比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内 单位重量的干菌体所消耗的氧气，mmol O2· g 菌-1· 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。mmol O2· L-1· h-1 。 r= QO2 .X
• 微生物对氧的需求
一般对于微生物： CCr:＝1～15%饱和浓度 例：酵母 4.6×10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2×10-2 mmol.L-1, 8.8% 定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度 >1.
• 微生物对氧的需求
X指发酵液的菌体浓度，单位为（g干菌体/L）
• 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。
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。 当发酵液中的溶解氧浓度高于此临界氧 浓度时，微生物的耗氧速率并不随着溶 解氧浓度的升高而上升，而是保持基本 的恒定，对微生物的生长有利。
（一）供氧方面考虑
• 微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的 氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的 氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式 表示： N = KLa∙(C*-CL) •式中： N-单位时间内培养液氧浓度的变化 C*-在罐内氧分压下培养液中氧的饱和浓度 CL-发酵液主流中氧浓度 KL-氧传质系数 a-比表面积，即单位体积溶液所含的气液 接触面积
• 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
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
电源组成的极谱型。
• 这两种探头，产生的电流都正比于
通过膜扩散入探头的氧量，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。
• 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
张嗣良，中国生物工程杂志，2005
（二）从耗氧方面控制
• 微生物耗氧与微生物比生长速率呈
正相关，控制微生物营养物质的浓 度，从而控制其对样的需求量，在 设备供氧能力不足的情况下，是一 种常见的控制措施。
三、发酵过程中溶解氧检测的意义
（1）发酵过程中溶解氧检测的意义
1、检测溶氧作为发酵过程中氧是否足 够的度量，了解菌对氧的利用规律
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C*
影响氧在溶液中的饱和浓度的因素有：
温度 溶液的组成 氧分压
• 温度：菌的生理特性及产物需要，
不容易改
• 降低基质浓度：中间补料或者发
酵后期补入部分灭菌水
• 提高氧分压：提高发酵罐压力或
者加大通入空气中氧的含量
（2）降低发酵液中的CL
• 可以通过减少通气量或降低搅
拌转速等方式来实现。
• 注意CL≥C临界，否则影响微生
物呼吸
2、影响KLa的因素及控制措施
（1）搅拌
搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，并 且气体螺旋式上升，延长了接触时间，从 而提高氧的溶解率。
搅拌使发酵液成湍流运动，增加了气泡的液膜厚度， 从而降低氧的传质阻力，而使KLa值增大。
最佳合成氧浓度与最适生长溶氧浓
度的关系？
二、发酵液溶解氧浓度的控制
• 从供氧方面控制
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C* （2）降低发酵液中的CL 2、影响KLa的因素及控制措施 （1）搅拌 （2）空气流速 （3）发酵液的理化性质 （4）空气分布器及发酵罐的结构
• 从耗氧方面控制
在发酵过程中，微生物的摄氧率与培养时间 及生物体浓度相关的。
在一定的发酵条件下，每种产物发酵的
溶氧浓度变化都有自身的规律。 • 发酵前期：菌体浓度低，处于生长状态，摄 氧不高； • 对数生长期：随着菌浓增高溶氧升高，并达
到峰值
• 产物合成期：摄氧水平相对较稳，会受补料、
消沫油的影响；
• 发酵后期：菌体衰老，营养物质消耗，摄氧
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。
注意：有些产物的形成和菌体最适的生长 条件，常常不一样：
生长 产物
头孢菌素 5%(相对于饱和浓度） >13% 卷须霉素 13% >8%
• 微生物对氧的需求
氧对鱼类的影响 品种 鲤鱼 测定水温 29 窒息点 （mmol/l) 0.09-0.01 相当于 4%
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。
• 当多孔环状空气分布器的直径大于搅
拌器直径时，大量的空气未经搅拌器
分散即沿罐壁溢出液面，导致供氧效
果差。
• 当空气流速达到一定速度后，空气分
散主要靠搅拌器，可用单孔分布器，
并可以推动发酵液的湍动程度。
影响KLa的因素:
• 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动 平衡 • 传动装置技术和整体罐结构设计研究; • 。。。。。。。
电位差记录议上便可直接使用。
• 复膜式氧电极实际测量的是氧的分压 而非氧的绝对浓度，一般测定时显示
的读数为饱和浓度分数。
• 使用前先标定电极，使其在发酵液被
饱和时输出的电流设定为100％，发
酵液氧浓度为零时设定为0，在测量
过程中氧以氧的饱和分数表示
• 此方法只是近似测量溶氧的方法。
复膜式氧电极的优点
搅拌使菌体分散均一，降低菌体表面的液膜阻力， 增加菌氧接触面而有利于氧的吸收。
改变搅拌速率对溶解氧的影响效果大，但搅拌剪切力不易过大。
（2）空气流速
当增加通风量时，空气线速度相应 增大，传质系数KLa相应增大，从而
增大溶氧 但过大的线速度，因搅拌来不及打散气 泡（“气泛”现象），几乎对溶氧的改 善不大。
因此要控制空气流量，使搅拌轴附 近液面没有大的气泡溢出
（3）发酵液的理化性质 影响KLa的理化性质主要有黏度、 泡沫等
• 发酵液的表观黏度越大，KLa越小 • 生成大量的泡沫，易于菌体形成乳 浊液，而影响溶氧，可以添加适当 的消泡剂。
• 但过多的消泡剂的聚集以及某些消 泡剂有毒性，都要注意
（4）空气分布器及发酵罐的结构