第六章发酵工业中的传氧

第六章发酵过程中的通气和搅拌葡萄糖在生物体内的有氧氧化C6H12O6＋6O2→6H2O＋6CO2＋能量，1mol（180克）葡萄糖完全水解需要6mol（192克）氧，微生物只能利用溶解在水中的葡萄糖和氧，葡萄糖的溶解度70％（W/V）。

而一个大气压25度下，氧的溶解度6.4mgO2/L，如生产中的需氧量按20－50mmolO2/L.H计算的话，培养液中的溶解氧只能维持微生物正常的生命活动20－50秒。

第一节发酵过程中氧的需求一微生物对氧的需求氧－细胞组成。

产物组成。

代谢所需元素。

好气微生物的最终电子受体。

通过氧化磷酸化为生物体提供能量摄氧率：单位体积培养液每小时消耗的氧 mmol（O2）/L.h呼吸强度：单位干菌体每小时消耗氧量mmol（O2）/g(干菌)。

在溶氧浓度低的情况下，呼吸强度随溶解氧的浓度的增加而增加，当溶解氧达到一定的值以后，呼吸强度就不再变化。

此时的溶解氧浓度称之为呼吸临界氧浓度。

C临界，在抗生素的发酵过程中，微生物生长阶段和产物代谢阶段的C是不同的。

多数品种的C长临>C合临二氧在液体中的溶解特性三影响微生物需氧量的因素（一）微生物的种类和生长阶段菌体处于对数生长阶段的呼吸强度较高，生长阶段的摄氧率大于产物合成的摄氧率。

（二）培养基的组成一般来说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。

（三）培养液中溶解氧浓度C L的影响当培养液中的溶解氧浓度C L高于菌体的C长临时，菌体的呼吸就不受影响，如果C L低于C长临时，则代谢产生了变化。

（四）培养条件一般说来，温度越高，营养成分越丰富，其呼吸强度的临界值也增加（五）二氧化碳的影响已知在相同条件下，二氧化碳在水中的溶解度是氧溶解度的30倍，所以要及时把二氧化碳排除罐内。

第二节氧在溶液中的传递一氧传递的阻力在需氧发酵中，气态氧必须先溶解于培养液中，然后才能传递至细胞表面，再经过简单的扩散作用进入细胞内，参与菌体内的氧化等生化反应。

第六章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
氧的供需与传递
微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 培养过程中氧的传质理论 影响供氧的因素及改善供氧条件的措施 发酵液中溶解氧的测定和控制 固态发酵通风与搅拌技术
第一节 微生物细胞对氧的需求和 溶解氧的控制
• 一、溶解氧 • 1. 溶解氧 2. 享利（Ｈenry）定律
温度对溶氧浓度的影响
饱和溶氧浓度C*与温度的关系：C*=14.6/(t+31.6)
温度越高，溶解氧浓度越低。
温度（℃） 0 2 4 溶解度系数 （ppm/KPa） 0.6979 0.6606 0.6267 温度 （℃） 22 24 26 溶解度系数（ppm/KPa） 0.4215 0.4072 0.3924
6
8 10 12
0.5957
0.5666 0.5408 0.5169
28
30 32 34
0.3780
0.3667 0.3551 0.3437
14
16 18 20
0.4950
0.4749 0.4554 0.4377
36
37 48 40
0.3341
0.3294 0.3246 0.3150
溶质对溶氧浓度的影响
Ho
VG V

6H O
dG
• 气液比表面积α与培养液中气体截留率、 气泡的直径dG有关，气体截留率越高、气泡 直径越小，气液比表面积就越大。而通风 量和搅拌转速与这二个参数有密切的关系。
四、影响体积溶氧传递系数KLα的因素
K L f(d ,n,s ,DL ,,, ,g )
• • • • • •
d—搅拌桨的直径，m；n—搅拌转速，s-1； μs—气体表观线速度，m/s；DL—扩散系数，m2/s； μ—液体粘度，Pa.s； ρ—发酵液的密度，Kg/m3； σ—表面张力，N/m； g—重力加速度，9.81m/s2。

(2)在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡(空气中 氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态)， 即界面上不存在氧传递阻力。
(3)在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分 流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传 质阻力，因此，氧由气相主体到液相主体所遇到阻 力仅存在于两层滞流膜中。
气液界面附近氧分压与浓度的变化如图6—3所示。
发酵过程中，有的微生物以菌丝团(或絮状物)的 形式生长繁殖，这时，基质必须通过扩散进入 菌丝团内，基质的扩散与利用是同步进行的。 当菌丝团内的基质浓度低于主体发酵液中的， 且反应速度与基质浓度呈正比时，产物的生成 速度和菌体的生成速度都将低于悬浮单一细胞 的相应速度。为克服发酵过程中的扩散限制， 可通过减小菌丝团尺寸的方法来解决。
利用氧电极进行kLa的测量有多种方法，动态法是常用 的方法之一。通风培养液中氧的物料衡算为：
有多种经验方程来描述非牛顿型流体的流变特性， 其中最简单的形式是指数律方程。
6．1．2 发酵液的流变学特性
发酵液中的主要成分是菌体，因此，发酵 液流变学特性受菌体的大小和形状的 影 响。一些稀薄的细菌发酵液，以水解糖 或糖蜜为原料培养酵母的醪液，为噬菌 体侵害的发酵液等为牛顿型流体。丝状 菌(霉菌或放线菌)悬浮液不同于细菌和酵 母菌悬浮液，菌丝呈丝状或团状。
另外，发酵液黏度的改变会影响液体的湍 动性、界面张力或液膜阻力等。图6—1 是黏度对不同过程影响的示意图。由图 6—1可知，了解发酵液流变学特性的变 化(特别是黏度变化)，对掌握生物反应过 程传质与混合特点，进而改进发酵过程 控制工艺条件及生物反应器设计都有重 要意义。
6.1.1 流体的流变学特性
微小颗粒(如菌体)悬浮液的黏度是多种因素的函 数，除依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形 状、大小、颗粒的变形度、表面特性等因素影 响。在霉菌或放线菌等的发酵中，发酵液的流 动特性常出现大幅度变化。例如，青霉素发酵 液的屈服应力与刚性系数都随发酵时间的增加 而增大。发酵后期与前期相比，刚性系数可增 加近百倍，表观黏度明显增加。

第六章 发酵工艺过程控制
• 发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程 。 在广义的工艺上，则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下（通常是 需氧）经特定的代谢转变成产物的过程。
• 发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要 多年的经验才能掌握。
第二节 发酵过程的主要控制参 数
• 在发酵工艺中，要想控制发酵，使其按人的意志转移，是很难办到的。因为影响发 酵的因素太多，有些因素还是未知的，但了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反 映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和 生产。
第二节 发酵过程的主要控制参
数 1. pH值（酸碱度）
以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分 压及代谢产物浓度等作为控制参数
３、半连续发酵
是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液 （行业中称为带放）的培养方法。
优点：
① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当 的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 克服养分的不足，避免发酵过早结束； 缺点
（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物 的克数。
工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同 步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关 联型 和② 非生长关联型。
二、pH值对发酵的影响及控制
• 发酵液pH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大 。生产前应进行试验和研究。
• 菌体生长、繁殖和产物积累的最适pH不一定相同 。
• 整个发酵过程的pH是变化的。 1、 pH对发酵的影响 2、影响发酵pH的因素 3、最适pH的选择和调节