第六章氧供需及对发酵影响剖析
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第六章 氧的供需及对发酵的影响
溶氧(dissolved oxygen，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 0.25 mmol/L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秒（分）钟之内 便耗竭，使溶氧成为限制因素。
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第一节 微生物对氧的需求 第二节 发酵液中氧的供给 第三节 影响Kla的因素（供氧的调节） 第四节 与溶氧相关的参数测定 第五节 发酵过程中溶氧监控的意义
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速度(呼吸强度)（Qo2）：单位时间内单
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：
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
H
Nv
P
KLa
第六章氧供需及对发酵影响剖析
调节KLa是最常用的方法， KLa反映了设备的供氧能力。
不同的设备供氧能力不一样
搅拌速度 供氧速率
45升 250 rpm
7.6
1吨 120 10.7
10吨 120 20.1
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第三节 影响KLa的因素
KLa反映了设备的供氧能力。 发酵常用的设备为：摇瓶
第六章氧供需及对发酵影响剖析
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/临界溶氧浓度 所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.
第六章氧供需及对发酵影响剖析
位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2·g-1 cell·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
第六章氧供需及对发酵影响剖析
几种微生物的呼吸临界氧值
微生物 大肠杆菌
温度 /℃
37.8
临界氧值
温度 临界氧值
/(mmol O2/L) / ℃ /(mg O2/L)
0.0082 0.0031 15.0 0.26
酵母
34.8 0.0046 0.0037 20.0 0.60
产黄青霉 30.0 0.0090 0.0220 24.0 0.40
第六章氧供需及对发酵影响剖析
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 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。
界面 气膜 液膜
Ci
Pi C
传氧方向
双膜理论
第六章氧供需及对发酵影响剖析
C*＝P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
NKl(c*c)
Kl: 以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)
再令： 单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)
NvKla(c*c)
Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h Kla: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1
第六章氧供需及对发酵影响剖析
界面 气膜 液膜
Ci
Pi C
传氧方向
双膜理论
第二节 反应器中氧的传递
一、发酵液中氧的传递方程 Nkg(P P i)kl(cic) P N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h P: 气相中氧的分压强 C：液相溶解氧浓度
发酵罐
第六章氧供需及对发酵影响剖析
一、影响摇瓶KLa的因素
为装液量和摇瓶机的种类
摇瓶机
往复，频率80-120分/次，振幅8cm 旋转，偏心距25、12，转述250rpm
第六章氧供需及对发酵影响剖析
装液量，一般取1/10左右：
250ml 15-25 ml
500ml
50 ml
750ml
80 ml
例：
第六章氧供需及对发酵影响剖析
品种 鲤鱼 鲢鱼 鲫鱼
氧对鱼类的影响
测定水温 29
窒息点 （mmol/l)
0.09-0.01
相当于 4%
27
0.01-0.02 4-8%
29
0.004
2%
胡隐昌，水产养殖,2003
第六章氧供需及对发酵影响剖析
三、影响需氧的因素
r = QO2 ·X 菌体浓度
QO2
➢ 遗传因素 ➢ 菌龄 ➢ 营养的成分与浓度 ➢ 有害物质的积累
第六章氧供需及对发酵影响剖析
二、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中 传递： NvKla(c*c) 消耗： r = QO2 .X 氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
第六章氧供需及对发酵影响剖析
三、供氧的调节 NvKla(c*c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa 和C*来调节 其中C*＝P/H
500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响
装液量 酶活力
30 ml 60ml 90ml 120ml
713 734 253
92
第六章氧供需及对发酵影响剖析
二、影响发酵罐中KLa的因素
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第六章氧供需及对发酵影响剖析
已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：
➢ 培养条件
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第二节 反应器中氧的传递
只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微 生物所利用
双膜理论前提： 1. 气泡与包围着气泡的液体间存在P
接触面；气泡侧为气膜，液泡侧 为液膜。O2以扩散方式，借浓度 差由气液双膜进入液相。 2. 双膜之间两相界面上，氧分压强 与溶于界面液膜中的氧浓度处于 平衡关系； 3. 传质过程处于稳定态，传质途径 个各点氧浓度不随时间变化。
KlaK(Pg/V)(Vs)
Pg
C(
P02nd3 Q 0.56
g
)0.45
P0 Kn3d5
Kla(ndQ)
第六章氧供需及对发酵影响剖析
1、理论上分析 KLa
n d 通气量
Hale Waihona Puke Baidu
提高搅拌转速，调节KLa的效果显著
第六章氧供需及对发酵影响剖析
例 某一产品的发酵 d n p0/v 450 180 1.62 450 280 2.12 550 180 2.61
溶氧(dissolved oxygen，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 0.25 mmol/L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秒（分）钟之内 便耗竭，使溶氧成为限制因素。
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第一节 微生物对氧的需求 第二节 发酵液中氧的供给 第三节 影响Kla的因素（供氧的调节） 第四节 与溶氧相关的参数测定 第五节 发酵过程中溶氧监控的意义
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速度(呼吸强度)（Qo2）：单位时间内单
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：
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
H
Nv
P
KLa
第六章氧供需及对发酵影响剖析
调节KLa是最常用的方法， KLa反映了设备的供氧能力。
不同的设备供氧能力不一样
搅拌速度 供氧速率
45升 250 rpm
7.6
1吨 120 10.7
10吨 120 20.1
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第三节 影响KLa的因素
KLa反映了设备的供氧能力。 发酵常用的设备为：摇瓶
第六章氧供需及对发酵影响剖析
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/临界溶氧浓度 所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.
第六章氧供需及对发酵影响剖析
位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2·g-1 cell·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
第六章氧供需及对发酵影响剖析
几种微生物的呼吸临界氧值
微生物 大肠杆菌
温度 /℃
37.8
临界氧值
温度 临界氧值
/(mmol O2/L) / ℃ /(mg O2/L)
0.0082 0.0031 15.0 0.26
酵母
34.8 0.0046 0.0037 20.0 0.60
产黄青霉 30.0 0.0090 0.0220 24.0 0.40
第六章氧供需及对发酵影响剖析
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 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。
界面 气膜 液膜
Ci
Pi C
传氧方向
双膜理论
第六章氧供需及对发酵影响剖析
C*＝P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
NKl(c*c)
Kl: 以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)
再令： 单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)
NvKla(c*c)
Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h Kla: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1
第六章氧供需及对发酵影响剖析
界面 气膜 液膜
Ci
Pi C
传氧方向
双膜理论
第二节 反应器中氧的传递
一、发酵液中氧的传递方程 Nkg(P P i)kl(cic) P N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h P: 气相中氧的分压强 C：液相溶解氧浓度
发酵罐
第六章氧供需及对发酵影响剖析
一、影响摇瓶KLa的因素
为装液量和摇瓶机的种类
摇瓶机
往复，频率80-120分/次，振幅8cm 旋转，偏心距25、12，转述250rpm
第六章氧供需及对发酵影响剖析
装液量，一般取1/10左右：
250ml 15-25 ml
500ml
50 ml
750ml
80 ml
例：
第六章氧供需及对发酵影响剖析
品种 鲤鱼 鲢鱼 鲫鱼
氧对鱼类的影响
测定水温 29
窒息点 （mmol/l)
0.09-0.01
相当于 4%
27
0.01-0.02 4-8%
29
0.004
2%
胡隐昌，水产养殖,2003
第六章氧供需及对发酵影响剖析
三、影响需氧的因素
r = QO2 ·X 菌体浓度
QO2
➢ 遗传因素 ➢ 菌龄 ➢ 营养的成分与浓度 ➢ 有害物质的积累
第六章氧供需及对发酵影响剖析
二、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中 传递： NvKla(c*c) 消耗： r = QO2 .X 氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
第六章氧供需及对发酵影响剖析
三、供氧的调节 NvKla(c*c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa 和C*来调节 其中C*＝P/H
500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响
装液量 酶活力
30 ml 60ml 90ml 120ml
713 734 253
92
第六章氧供需及对发酵影响剖析
二、影响发酵罐中KLa的因素
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第六章氧供需及对发酵影响剖析
已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：
➢ 培养条件
第六章氧供需及对发酵影响剖析
第二节 反应器中氧的传递
只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微 生物所利用
双膜理论前提： 1. 气泡与包围着气泡的液体间存在P
接触面；气泡侧为气膜，液泡侧 为液膜。O2以扩散方式，借浓度 差由气液双膜进入液相。 2. 双膜之间两相界面上，氧分压强 与溶于界面液膜中的氧浓度处于 平衡关系； 3. 传质过程处于稳定态，传质途径 个各点氧浓度不随时间变化。
KlaK(Pg/V)(Vs)
Pg
C(
P02nd3 Q 0.56
g
)0.45
P0 Kn3d5
Kla(ndQ)
第六章氧供需及对发酵影响剖析
1、理论上分析 KLa
n d 通气量
Hale Waihona Puke Baidu
提高搅拌转速，调节KLa的效果显著
第六章氧供需及对发酵影响剖析
例 某一产品的发酵 d n p0/v 450 180 1.62 450 280 2.12 550 180 2.61