氧的供需及對發(fā)酵的影響

溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。第六章氧的供需及對發(fā)酵的影響氧的供需及對發(fā)酵的影響/jpkc/fjgc微生物對氧的需求發(fā)酵液中氧的供給影響Kla的因素（供氧的調(diào)節(jié)）與溶氧相關(guān)的參數(shù)測定發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義氧的供需及對發(fā)酵的影響/jpkc/fjgc第一節(jié)微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內(nèi)單位重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X氧的供需及對發(fā)酵的影響微生物對氧的需求/jpkc/fjgc二、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。氧的供需及對發(fā)酵的影響微生物對氧的需求/jpkc/fjgc一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%產(chǎn)黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度>1.氧的供需及對發(fā)酵的影響微生物對氧的需求/jpkc/fjgc問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1計，0.25/0.052=4.8秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%氧的供需及對發(fā)酵的影響微生物對氧的需求/jpkc/fjgc品種測定水溫窒息點（mmol/l)相當于鯉魚290.09-0.014%鰱魚270.01-0.024-8%鯽魚290.0042%氧對魚類的影響胡隱昌，水產(chǎn)養(yǎng)殖,2003氧的供需及對發(fā)酵的影響微生物對氧的需求/jpkc/fjgc三、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件氧的供需及對發(fā)酵的影響微生物對氧的需求/jpkc/fjgc第二節(jié)反應(yīng)器中氧的傳遞一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質(zhì)系數(shù)m/h氧的供需及對發(fā)酵的影響反應(yīng)器中氧的傳遞/jpkc/fjgcC*＝P*H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(shù)h-1氧的供需及對發(fā)酵的影響反應(yīng)器中氧的傳遞/jpkc/fjgc二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面氧的供需及對發(fā)酵的影響反應(yīng)器中氧的傳遞/jpkc/fjgc三、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調(diào)節(jié)其中C*＝P*HNvHPKla氧的供需及對發(fā)酵的影響反應(yīng)器中氧的傳遞/jpkc/fjgc調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的設(shè)備供氧能力不一樣氧的供需及對發(fā)酵的影響反應(yīng)器中氧的傳遞/jpkc/fjgc第三節(jié)影響Kla的因素

Kla反映了設(shè)備的供氧能力。發(fā)酵常用的設(shè)備為：搖瓶發(fā)酵罐

氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述250rpm氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc裝液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml酶活力71373425392氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc二、影響發(fā)酵罐中Kla的因素氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc已知在通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐中，全擋板條件下：氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調(diào)節(jié)kla的效果顯著氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc例某一產(chǎn)品的發(fā)酵dnp0/vc產(chǎn)量4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶n230230270通氣比1:0.81:1.21:0.8產(chǎn)量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產(chǎn)量提高N,比提高Q有效氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc例：紅曲霉生產(chǎn)色素用于食品工業(yè)，靜止培養(yǎng)改為通氣培養(yǎng)，比色法測定產(chǎn)量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供氧是有限的氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)大型反應(yīng)器的合理設(shè)計對現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc4、生物反應(yīng)器放大的基本思想小型反應(yīng)器和大型反應(yīng)器的差異：傳動傳熱傳遞生物反應(yīng)過程剪切、混合、供氧氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc箭葉平葉氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc不同攪拌漿對菌體濃度的影響氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc發(fā)酵過程中攪拌轉(zhuǎn)速和溶氧的變化平葉箭葉箭葉：在4h左右溶氧就從90的下降到14.8%，通過不斷提高轉(zhuǎn)數(shù)DO水平始終維持在20%左右。平葉：在8h左右才下降到23.43%;中后期DO水平則一直在40%以上。氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc平葉箭葉慶大霉素的生產(chǎn)水平提高了40%以上氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc計算流體力學(xué)氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學(xué)相似和流體動力學(xué)相似，當在小試研究時某一個對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大時成為關(guān)鍵因子時，就會造成整個發(fā)酵過程的失敗(供氧、混合、剪切）。氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc根據(jù)r,Kla、攪拌槳特性→攪拌功率根據(jù)r、菌體細胞剪切→攪拌器形式、轉(zhuǎn)速等;

攪拌器的混和計算流體力學(xué)的應(yīng)用研究;

大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡，傳動裝置技術(shù)和整體罐結(jié)構(gòu)設(shè)計研究;

。。。。。。。張嗣良，中國生物工程雜志，2005氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc根據(jù)r,Kla、攪拌槳特性→攪拌功率KlaN,D(攪拌功率）Q（通氣量）大小小大氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc5、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc

通過在發(fā)酵液中引入一種新的液相，以減少氣液傳氧阻力，從而提高傳氧效率(Mengeetal.,2001;Loweetal.,1998)。這種液相一般具有比水更高的溶氧能力，且與發(fā)酵液互不相溶，稱為氧載體oxygen-vector)。通常使用的氧載體主要有:液態(tài)烷烴、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc溶氧水平提高，蝦青素合成增加氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc讀書報告：溶氧對發(fā)酵的影響及其控制要求：字數(shù)不限要有參考文獻（04年以后）氧的供需及對發(fā)酵的影響影響Kla的因素/jpkc/fjgc第四節(jié)CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學(xué)法I2+2氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應(yīng)小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優(yōu)點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。膜：耐溫、透氣、不通水測定：一般是得到相對值氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc二、r的測定1、物料衡算

流量（進口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————發(fā)酵液體積氧的濃度：氧分壓儀氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc三、Kla的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化Kla.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc2、平衡法

rKla=————C*-CL例：一個裝料為7L的實驗室小罐，通氣量為1VVM（標態(tài)），發(fā)酵液的CL＝25%、空氣進入時的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時菌體的攝氧率和發(fā)酵罐的Kla氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc3、動態(tài)法不同的測定方法得出的kla是不一樣的氧的供需及對發(fā)酵的影響CL、r和Kla的測定/jpkc/fjgc第五節(jié)溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定Kla下）：rXQCL一般有一個低谷，在對數(shù)生長的末期氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgc華東理工大學(xué)學(xué)報，2000氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgcOUR=r：攝氧率TEMP：溫度AGIT：攪拌轉(zhuǎn)速DO：溶氧濃度氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgc結(jié)論：

當OUR(r)與DO反向變化時,表明其限制因素為細胞水平的菌體代謝問題,當OUR(r)與DO同向變化時,表明其限制因素為工程水平的氧傳遞問題。此時溶氧處于臨界氧以下(這一結(jié)論)可客觀地、動態(tài)地把握臨界氧水平及氧平衡的制約因素。氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgc二、發(fā)酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應(yīng):

XS→P+Xπ=a+bμ氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgc氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgc菌體生長期：酶系統(tǒng)Ⅰ酶系統(tǒng)Ⅱ關(guān)鍵因子開始的細胞生長好后的細胞產(chǎn)物合成氧的供需及對發(fā)酵的影響溶氧濃度的變化及其控制/jpkc/fjgc產(chǎn)物形成期：底物產(chǎn)物酶系統(tǒng)Ⅱ

反應(yīng)動力學(xué)問題

氧的供需及對