好氧发酵工艺及设备
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10-16×1015×1000×0.2 × 2.6×10-3 =0.052 molO2/(m3·s)
0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。
2. 亨利定律(Henry's law)
• 在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解
度与液面上该气体的平衡压力成正比。这
包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细 胞内的扩散。
氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分 压或浓度差）来克服各自的阻力。
------ 单位时间内单位体积培养液中微生物摄取
氧的量。记作 rO2 (mmol/L·h)
(耗氧速率)
rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温 度、培养液成分及浓度的不同而异。
rO2值的范围一般在 25～100 mmol/L·h
比耗氧速率-----相对于单位质量的干菌体在单位时间内 所消耗的氧量。也称呼吸强度(respiratory intensity)；用 QO2表示 (mmol O2 /g ·h)
（二）微生物的耗氧------
供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
• 氧是细胞的组成成分和各种产物的构成 元素，又是生物能量代谢的必需元素。 氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终 受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生 物体生命活动过程中所需要的能量。
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：
吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度 称为呼吸临界氧浓度。
临界氧浓度与培养液的理化性质，发酵罐的结构有关。
QO2
在好氧微生物反应中，一
般取CL >CCr ，以保证反应 的正常进行。
微生物的临界氧浓度大约是
饱和浓度的1%～25%
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。
气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相 中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶液中的 气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件 不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此
浓度为饱和浓度或平衡浓度
氧的饱和浓度单位：mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大气压
摄氧率（OUR; Oxygen Utilization Ratio)
过程，可视为一种营养性底物。
➢难溶：25℃、一个大气压，空气中的O2在纯水中的 溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶 解度更低。
➢对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体 积为10-16 m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3 molO2/(kg)，菌 体密度为1000 kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需 氧量为：
（一）氧传递的阻力
➢ 在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的 氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而 被利用。
气Байду номын сангаас 1
液膜 3
2
气液界面
4
液相主体
液膜 5
细胞团
6 生物反应 细胞
8 7 细胞膜
固液界面
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
氧传递可分供氧和耗氧两个方面：
供氧方面
包括通过气膜、气-液界面、液膜及液体主流的扩散 耗氧方面
的增加而增加。
不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程 度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。
例如；菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高
溶氧、pH、温度等 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高
二、氧的传质理论
对于需氧的微生物反应，还存在一个氧从气 相通过扩散进入液相，进而又经扩散进入絮 凝体内部供给细胞进行呼吸的传递过程。
二者关系
QO
2
rO 2 X
1 X
d
[ DO dt
]
X—每升培养液中菌体量(干重)，g。 因菌种和反应条件而异，一般在1.5～15 mmol /g ·h
微生物的临界氧浓度 critical dissolved oxygen concentration
临界氧浓度（C临界 or CCr）：在溶氧浓度低时，呼吸强度随 溶解氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某一值后，呼
Y O/P
= 1.06 Y P/G
-
0.6 X P
-
0.43
YO/P－生产1g青霉素G钠盐消耗的氧量，g(O2)/g(Pc-G) YP/G－消耗1g葡萄糖所产生的青霉素G钠盐的克数，
g(Pc-G)/g(葡萄糖) X-菌丝量（干细胞），g P－生产青霉素G钠盐的克数，g
饱和浓度(Saturation concentration)
微生物
临界氧浓度
-2
温度（℃）
氧在液体中的溶解特性
• 温度 • 溶液性质 • 氧分压
影响微生物耗氧的因素
1、微生物种类 2、培种养类基不的同组，成其与生浓理度特性不同，代谢活动中的需氧量也不同 3、培菌养龄基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种 4、培类养和条浓件度影响尤为显著。 5、有一毒般产而物说的，形碳成源及浓积度累在一定范围内，需氧量随碳源浓度
好氧发酵工艺及设备
第一节 好氧发酵产物的生物合成机制
一、谷氨酸发酵机制 二、柠檬酸发酵机制 三、其他好氧发酵产物的合成
一、微生物的需氧及溶氧
（一）溶解氧的基本概念
1、溶解氧（DO; Dissolved Oxygen)
➢ 作为环境因素对微生物反应有直接影响； ➢ 被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢
Q = 32C + 8H + 16O - 1.34 Y ·M
Q--形成1g细胞耗掉的氧量，g(O2)／g(干细胞)； C、H、O--每g碳源含有C、H、O的原子数； Y--碳源得率系数(每g碳源获得的细胞数量) g (dry cell)/g(C)； M--碳源分子量，g
如果发酵的最终产物不是菌体细胞，而是某些代 谢产物，Cooney提出青霉素G发酵需氧计算公式：
就是亨利定律，物P=理Hc化学的基本定律之
一．
H=p/c
拉乌尔定律（Raoult's law）：物理化学的基本定律之 一，是法国物理学家F.-M.拉乌尔在1887年研究含有非
挥发性溶质的稀溶液的行为时发现的，可表述为：
“在某一温度下，稀溶液某溶剂的蒸气压等于该溶剂 纯溶液的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。
0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。
2. 亨利定律(Henry's law)
• 在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解
度与液面上该气体的平衡压力成正比。这
包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细 胞内的扩散。
氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分 压或浓度差）来克服各自的阻力。
------ 单位时间内单位体积培养液中微生物摄取
氧的量。记作 rO2 (mmol/L·h)
(耗氧速率)
rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温 度、培养液成分及浓度的不同而异。
rO2值的范围一般在 25～100 mmol/L·h
比耗氧速率-----相对于单位质量的干菌体在单位时间内 所消耗的氧量。也称呼吸强度(respiratory intensity)；用 QO2表示 (mmol O2 /g ·h)
（二）微生物的耗氧------
供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
• 氧是细胞的组成成分和各种产物的构成 元素，又是生物能量代谢的必需元素。 氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终 受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生 物体生命活动过程中所需要的能量。
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：
吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度 称为呼吸临界氧浓度。
临界氧浓度与培养液的理化性质，发酵罐的结构有关。
QO2
在好氧微生物反应中，一
般取CL >CCr ，以保证反应 的正常进行。
微生物的临界氧浓度大约是
饱和浓度的1%～25%
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。
气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相 中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶液中的 气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件 不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此
浓度为饱和浓度或平衡浓度
氧的饱和浓度单位：mmol O2/L, mg O2/L, ppm 或大气压
摄氧率（OUR; Oxygen Utilization Ratio)
过程，可视为一种营养性底物。
➢难溶：25℃、一个大气压，空气中的O2在纯水中的 溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶 解度更低。
➢对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体 积为10-16 m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3 molO2/(kg)，菌 体密度为1000 kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需 氧量为：
（一）氧传递的阻力
➢ 在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的 氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而 被利用。
气Байду номын сангаас 1
液膜 3
2
气液界面
4
液相主体
液膜 5
细胞团
6 生物反应 细胞
8 7 细胞膜
固液界面
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
氧传递可分供氧和耗氧两个方面：
供氧方面
包括通过气膜、气-液界面、液膜及液体主流的扩散 耗氧方面
的增加而增加。
不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程 度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。
例如；菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高
溶氧、pH、温度等 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高
二、氧的传质理论
对于需氧的微生物反应，还存在一个氧从气 相通过扩散进入液相，进而又经扩散进入絮 凝体内部供给细胞进行呼吸的传递过程。
二者关系
QO
2
rO 2 X
1 X
d
[ DO dt
]
X—每升培养液中菌体量(干重)，g。 因菌种和反应条件而异，一般在1.5～15 mmol /g ·h
微生物的临界氧浓度 critical dissolved oxygen concentration
临界氧浓度（C临界 or CCr）：在溶氧浓度低时，呼吸强度随 溶解氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某一值后，呼
Y O/P
= 1.06 Y P/G
-
0.6 X P
-
0.43
YO/P－生产1g青霉素G钠盐消耗的氧量，g(O2)/g(Pc-G) YP/G－消耗1g葡萄糖所产生的青霉素G钠盐的克数，
g(Pc-G)/g(葡萄糖) X-菌丝量（干细胞），g P－生产青霉素G钠盐的克数，g
饱和浓度(Saturation concentration)
微生物
临界氧浓度
-2
温度（℃）
氧在液体中的溶解特性
• 温度 • 溶液性质 • 氧分压
影响微生物耗氧的因素
1、微生物种类 2、培种养类基不的同组，成其与生浓理度特性不同，代谢活动中的需氧量也不同 3、培菌养龄基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种 4、培类养和条浓件度影响尤为显著。 5、有一毒般产而物说的，形碳成源及浓积度累在一定范围内，需氧量随碳源浓度
好氧发酵工艺及设备
第一节 好氧发酵产物的生物合成机制
一、谷氨酸发酵机制 二、柠檬酸发酵机制 三、其他好氧发酵产物的合成
一、微生物的需氧及溶氧
（一）溶解氧的基本概念
1、溶解氧（DO; Dissolved Oxygen)
➢ 作为环境因素对微生物反应有直接影响； ➢ 被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢
Q = 32C + 8H + 16O - 1.34 Y ·M
Q--形成1g细胞耗掉的氧量，g(O2)／g(干细胞)； C、H、O--每g碳源含有C、H、O的原子数； Y--碳源得率系数(每g碳源获得的细胞数量) g (dry cell)/g(C)； M--碳源分子量，g
如果发酵的最终产物不是菌体细胞，而是某些代 谢产物，Cooney提出青霉素G发酵需氧计算公式：
就是亨利定律，物P=理Hc化学的基本定律之
一．
H=p/c
拉乌尔定律（Raoult's law）：物理化学的基本定律之 一，是法国物理学家F.-M.拉乌尔在1887年研究含有非
挥发性溶质的稀溶液的行为时发现的，可表述为：
“在某一温度下，稀溶液某溶剂的蒸气压等于该溶剂 纯溶液的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。