1 溶解氧对发酵的影响
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）
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。
发酵学 第7章 发酵工艺的控制2
• 微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。
丙酮丁醇菌 生长：pH 5.5－7.0; 发酵：pH 4.3-5.3; 生长：pH 6.5-7.2 青霉素菌 发酵：pH 6.2-6.8 生长： pH 6.3-6.9 链霉素菌 发酵： pH 6.7-7.3
pH对发酵影响的机理 • 1.pH影响酶的活性
– 当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌 体的新陈代谢
• 初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与 氨基酸的合成途径密切相关。 • 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。
对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小 时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3， 调节这一段的 pH 值至 7.0 左右，以后自控 pH ，可提高发酵单位。
pH 7.0 pH 效价
t 不调pH 调pH
例：克拉维酸发酵中pH变换控制
• 2. pH值影响基质和中间代谢物的解离
– 进而影响微生物对这些成分的吸收
• 3. pH影响发酵产物的稳定性
影响产物稳定性
• β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.7～7.5 之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围， 合成受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳 定性未受到严重影响；但pH>7.5时，稳定性下降， 半衰期缩短，发酵单位也下降。 • 青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳 定性有关。
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。
7发酵过程控制
（1）溶解氧控制的一般原则
生长阶段：CL CCr
即可
产物合成阶段： CL Cm
即可
❖ 过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑 制作用
（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一
❖ 控制原理
▪ 发酵过程中， 糖量↑→ x ↑, QO2 ↑ → γ ↑ → CL↓ 糖量 ↓ → QO2 ↓ → γ ↓ → CL ↑
正确评价通气的作用：
供氧：VVM , KLa 排废气：
水分及挥发性组分的散失
(2) 基质浓度对产物合成的影响
低浓度限制 低水平诱导 高浓度抑制及分解阻遏作用
e.g.葡萄糖氧化酶发酵：葡萄糖用量从8%降至6%，补入 2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高26%或6.7%。 谷氨酸发酵（乙醇为碳源）：当乙醇浓度为2.5g/L和 35g/L时，可延长谷氨酸生产时间，但在更高浓度下， 菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低。
C CL
QO2 x
▪影响供氧的因素：C*- CL 温度、溶质、溶剂、氧分压
KLa 设备参数、操作参数、发酵液特性
▪影响耗氧的因素：γ 菌种特性、培养基成分和浓度、菌
龄、培养条件（T、pH）、代谢类型
（2）发酵过程中溶氧变化规律
批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为“波谷现象”
CL
x
QO2
（六）CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制
1. 定义 2. 发酵过程中CO2释放率的变化 3. CO2对发酵的影响
1. 定义
呼吸商（RQ）：指菌体呼吸过程中，CO2释放率和菌的耗 氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况。
菌体耗氧速率 OUR，molO2/L·h 菌体CO2释放率CER，molCO2/L·h
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。
微生物发酵工艺及其控制简述
微生物发酵工艺及其控制简述罗宗学（云南大学生命科学学院云南昆明 650091）摘要：根据操作方式不同，发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中流加发酵在生产和科研上应用最为广泛。
在发酵工艺中反映发酵过程变化的参数分为物理参数、化学参数和生物学参数三大类，这些参数的变化直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。
本文从对发酵工艺过程影响较大的发酵温度、pH值、溶解氧、泡沫、菌体浓度和基质、发酵时间等6个方面阐述如何进行发酵工艺的控制，为实现发酵产业的经济效益最大化提供必要的理论依据。
关键字：发酵工艺变化参数影响和控制发酵是指通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的过程。
早在2000多年前，我国就有了酿酒、制醋的发酵技术，那时候发酵完全属于天然发酵。
20 世纪40年代中期，美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素，建立了深层通气发酵技术。
1957年，日本微生物生产谷氨酸盐(味精)发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。
70年代开始，随着基因工程、细胞工程等生物过程技术的开发，以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。
80年代，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。
发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。
影响发酵过程发的因素很多，包括物理的（如温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、表观粘度、浊度、料液流量等），化学的（如质浓度、pH、产物浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、废气中氧及二氧化碳浓度、核酸量等）和生物的（如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力等）三大类。
溶解氧对发酵的影响及控制ppt课件
• 微生物对氧的需求
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
卷须霉素
5%(相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
• 微生物对氧的需求
品种 鲤鱼
氧对鱼类的影响
测定水温 窒息点 （mmol/l)
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接触面积
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
r= QO2 .X
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。
（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
发酵过程控制
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（3）搅拌热：液体之间、液体和设备之间 的摩擦
（4）蒸发热：发酵过程中以蒸汽形式散发 到发酵罐的液面，由排气管带走的热量。
（5）辐射热：罐内外温差，使发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。
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2. 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有 关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
3. 参数检测
参数按获取方式可分为两类： ➢直接参数：如 T 、 pH 、 罐 压 、 空 气 流 量 、 搅 拌转速、溶氧浓度等
➢ 间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生长 速率（μ) 、体积溶氧系数(KLa)、呼吸熵(RQ) 等。
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3. 参数检测
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3. 参数检测
❖ 参数检测方法 空气流量测定 体积流量型：
会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响； ①同心孔板压差式流量计； ②转子流量计。 质量流量型：
根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能） 设计的流量计。
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3. 参数检测
❖ 参数检测方法 罐压测量
压力表 压力传感器
的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成。
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(2) 调节方法 诱导作用 避开固有的负反馈 操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选
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操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成
改变培养基成分来避免分解阻遏作用
e.g.链霉素发酵中限制磷酸盐的加量，避 免其对参与生物合成的磷酸酯酶的反馈 抑制和阻遏作用
中后期不同溶氧水平对赖氨酸发酵的影响
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ＳＵ伍 ｃｉｅｎｔ ｏｘｙｇｅｎ ｓｕｐｐｌｙ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ａｉｎ ｗ ａｙｓ ｔｏ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ Ｌ—ｌｙｓｉｎｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｙｉｅｌｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｓ ａｒｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍ ｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｌｙｓｉｎｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ．Ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｆａｃｔｏｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ｉｔ＇ｓ ｏｆｔｅｎ ｄｉｆ ｉ ｃｕｌｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｌｙｓｉｎｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍ ｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｓｔａｇｅｓ ｗ ａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ５ Ｌ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｔａｎｋ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｔｔｅｍ ｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ４０％－６０％
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。
第七章 发酵过程的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
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。
14-1溶氧浓度对发酵的影响
溶氧浓度对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一一、溶氧浓度对微生物生长的影响氧既是微生物细胞的重要组成成分，又是能量代谢的必需元素。
对于需氧微生物来说，供氧不足会抑制细胞的生长代谢。
因此，在需氧发酵过程中，必须不断通气，使发酵液中有足够的溶解氧以满足微生物生长代谢的需要。
由于各种微生物所含氧化酶系种类和数量不同，在不同的环境下其需氧量是不同的。
微生物的需氧量常用呼吸强度和耗氧速率来表示呼吸强度指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，表示，单位为mmol/(g.h)。
以QO2呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但其测定有困难，因此可用耗氧速率来表示。
耗氧速率指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，用r表示，单位为mmol/(L.h)。
耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。
式中：u r为微生物耗氧速率，mmol/(L.h)；u Q O2为呼吸强度，单位为mmol/(g.h)；u X 为菌体的质量浓度，g/L。
由于氧在发酵液的溶解度很低，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足发酵过程对氧的需求。
但在培养的过程中并不需要使溶氧浓度达到饱和值。
微生物生长对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，这一溶氧浓度称为“生长临界氧浓度”。
当发酵液中的溶氧浓度低于临界氧浓度时，微生物的耗氧速率将随溶氧浓度降低很快下降，这时溶氧就是微生物生长的限制因素。
改善供氧，对微生物生长有利；但当溶解氧浓度高于临界氧浓度时，微生物的耗氧速率并不随溶氧浓度的升高而上升，而是保持基本的恒定。
对于有些微生物，超过溶氧上限，氧对微生物反而产生毒害作用。
一般说来，微生物的生长临界氧浓度一般为饱和氧浓度的1％一25％二、溶氧浓度对产物合成的影响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。
同时，产物的合成也有一个合适的溶解氧浓度。
溶氧浓度太高也有可能抑制产物的形成。
最佳的产物合成氧浓度既可能低于也可能高于最适生长溶氧浓度或生长临界氧浓度。
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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。
在微生物发酵过程中,溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂,受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约。
从氧的传递速率方程也可看出，对DO值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。
2.1 控制溶氧量
(C*-CL)是氧溶解的推动力，控制溶氧量首要因素是控制氧分压（C*）。
高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。
如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8～10PPM；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2PPM。
[5] 2.2控制氧传递速率
氧传递速率主要考虑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的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构3个部分。
操作变量包括温度、压力、通风量和转速(搅拌功率)等；发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。
当然有些因素是相互关联的。
3适当溶解氧的选择
在好氧微生物反应中，一般取 [DO]＞[DO]cri以保证反应的正常进行。
临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。
3.1 合适溶解氧选择的原则
如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），则应达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应根据生产的目的不同，使溶解氧控制在最适浓度（不同的满足度）例如：黄色短杆菌可生产多种氨基酸，但要求的氧浓度可能不同Ø 但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在低于临界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的 0.55、0.66、0.85。
3.2 供氧方面
1）增加空气中氧的含量，使氧分压增加，进行富氧通气
2）提高罐压
4）增加搅拌速度
3.3 需氧方面
1）调整养料的浓度
2）调节控制温度
Note：溶氧浓度必须与其它参数配合
此外，氧饱和度还会受到温度、罐压、发酵液性质的影响。
发酵过程的需氧受到菌体浓度、营养基质的种类浓度、培养条件等因素的影响。
保持最佳的菌体浓度，最适菌体浓度的控制可以通过营养基质浓度来控制。
还可以控制补料速度、调节发酵温度、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂等来控制。
4 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将大大提高了发酵调控的准确性和自动化性能。
参考文献：
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[2]林剑,郑舒文,徐世艾.搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响[J].中国食品添加剂，2003（2）：63-65
[3]郜培,陆静波等.溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响[J].食品与发酵工食品与发酵工
业,2005(31):72-75
[4]杨宁,王健等.基于途径分析的L-异亮氨酸发酵溶氧控制研究[J].中国生物工程杂
志,2007,27(2):70-75
[5]李仁建.氧对啤酒的影响与减少氧化的措施[J].啤酒科技,2004(3):36-38。