发酵工艺学课件第七章 发酵过程中的通气与搅拌

微生物的呼吸强度随着溶氧浓度的增加而增强，直到一个临 界点，该点的临界值称为“临界溶氧浓度”。溶氧浓度高于临 界值，呼吸强度不再增加。
呼吸临界溶氧浓度与培养的理化性质和发酵罐的结构有关。
二、影响微生物需氧量的因素
1、微生物种类和生长阶段 微生物种类不同，其生理活性也不同，
代谢中需氧量也不同。同一种菌在不同生 长阶段，其需氧量也不同。对数期菌呼吸 强度较高，生长期的摄氧率大于产物合成 期的摄氧率。
第七章 发酵过程中的通气与搅拌
氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。 从葡萄糖氧化的需氧量来看，1 mol的葡萄糖彻 底氧化分解，需6 mol的氧； 当糖用于合成代谢产物时，1 mol葡萄糖约需 1.9 mol的氧。 因此，好氧型微生物对氧的需要量是很大的。 但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧， 然而氧很难溶于水。在101.32 kPa、25℃时， 氧在水中的溶解度为0.26mmol/L。
若供氧速率大于需氧速率，发酵液中溶氧浓度CL随 培养时间的延长而增加，直至发酵液中的CL趋于C*；
反之，若供氧速率小于需氧速率，发酵液中的CL随 培养时间的延长而下降，直至发酵液中CL趋于零。
KLa的变学
培养基的流变特性，影响动量，热量和质量的有 效传递，因而影响到各种发酵条件。
二、影响微生物需氧量的因素
一些微生物的Qo2的最大值(╳10－3) 黑曲霉 8.3 灰色链霉菌 8.3
产黄青霉菌 1.1 产气克雷伯氏菌 1.1
啤酒酵母 2.2 大肠杆菌
3.0
二、影响微生物需氧量的因素
接种后的溶氧浓度定义为100%计算。
二、影响微生物需氧量的因素
2.培养基的组成 培养基成份和浓度显著影响微生的摄氧率。碳源的种类 和浓度影响尤为显著。
3.培养液中溶解氧浓度CL的影响 CL>C长临，呼吸不受影响； CL<C长临,代谢受影响，抑制菌 体的生长和产物合成。
4.培养条件 受到pH、温度等环境条件的影响。
5.CO2的影响 如不及时排出，会抑制微生物的呼吸。
Typical dO2 profile in batch fermentor with oxygen monitoring
牛顿型流体：在一定温度下，流体粘度不随操作条 件变化而变化，即剪切力改变时，剪切速度也相应 改变，粘度μ为一常数。
非牛顿型液体：依据流变学特性分为：平汉塑性流 体、拟塑性流体、涨塑性流体。
(1)牛顿型流体 剪应力与剪切速度之间呈直线关系。直线斜率为 粘度μ。为一个常数。 (2)平汉塑性流体 需要一个启动的剪切应力（亦称屈服应力）。
2.氧传递方程式
氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率: N=KLa(C*-CL)
N －单位体积培养液中氧传递速率。 C*－溶液中饱和氧浓度(mmol O2/L) CL－溶液主流中的溶氧浓度(mmol O2/L) KL －以浓度差为推动力的氧传递系数(m/h)。 a－比表面积，单位体积溶液中所含有的气液接触面积 （m2/m3）。因a很难测量。因此，将KLa当成一项,称为液相 体积氧传递系数，单位：1/h。
RH+2NADPH+O2→R-OH+NADP++H2O
通常的方法是加强搅拌和加大通气，甚至通富氧 或在发酵液中加入可高溶氧的物质（氧载体），来 满足菌体对氧的需求。
这些措施都会增加能耗和生产成本。有时甚至仍 达不到高密度培养的要求。
提高氧的利用率是生物发酵过程中出现的一大难 题。
第一节 氧对发酵的影响
Low [oxygen] limits maximum culture growth
Cell growth
Rapid oxygen depletion
Culture death
[oxygen]
Fermentation time
第二节 氧在发酵液中的传递
一.微生物供氧的传递过程
空气中的氧(氧溶入液体的传递速度)—液体 中的溶氧(氧由液体至微生物的传递速度)— 微生物体内的氧(氧的利用速度)—产物。 在氧的传递过程中液膜阻力是控制因素。
在发酵液中，当氧不是菌体生长和产物合成的限 制性因素时：
需氧速率：N= Qo2*X=Υ Qo2－微生物呼吸强度,mmol/[g(干菌丝)·h],即单位 重量的干菌体每小时消耗的氧量。
X－菌体细胞的浓度（g/L） Υ-摄氧率,mmolO2/(L·H) 当溶液中的供氧量与耗氧量达到平衡时：
上式也可表述为： KLa =γ/ (C*-CL)
1.氧传递的阻力
供氧方面
耗氧方面
1、气膜阻力 2、气液界面阻力 3、液膜阻力 4、液流传递阻力 5、细胞表面液膜阻力 6、菌丝团传递阻力 7、细胞膜阻力 8、呼吸酶阻力
供氧的阻力1－4，耗氧的阻力5－8
1.氧传递的阻力
氧从空气泡到达细胞的总传递阻力，为上述阻力之 和。 氧传递过程中，传递过程的总推动力就是气相与细 胞内的氧分压差的浓度差。 由于氧难溶于水，供氧方面液膜（3）是一个控制 过程。 需氧方面的阻力主要来自于菌丝细胞团和细胞壁的 阻力。 反应阻力与多种因素有关。
发酵液为三相体系：固相（菌体细胞和不溶性的 培养基组分）、液相、气相（通气、菌体代谢排 出的CO2,易挥发的小分子物质，氨等）。
1、液流的类型
粘度：液体流动过程中，两薄层液替之间滑动时产 生剪切应力（T），剪切应力（T）与剪切速度（v） 之比成为流体动力粘度，简称粘度μ。
μ=T/v 按粘度大小可以将流体分为：牛顿型和非牛顿型流 体。
一、微生物对氧的需求
微生物的耗氧量的两个物理量： 1、摄氧率（Υ）:单位体积培养液每小时消耗氧的量 [mmol(O2)/（L·h）] 2、呼吸强度（Qo2）：单位重量的干菌体每小时消 耗的氧的量[mmol(O2)/g(干菌体) /h] 两者之间的关系：
Υ= Qo2·X X: 发酵液中菌体干重的浓度（g/L）
T=T0+η.v
(3)拟塑性流体和涨性流体 T=K（v）α K——均匀度常数 Α——流态常数。
α›1为涨塑性流体，α‹1，为拟塑性流体。 2、发酵液的流变力学 发酵液一般为非牛顿型流体。
第四节 影响供氧的因素