发酵工程_第7章_溶解氧对发酵的影响和控制

1. 引起溶解氧变化的因素 2. 溶解氧对发酵的影响 3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 4. 发酵液中溶解氧的控制 5. 溶解氧控制实例
氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa条件下，氧 在纯水中的溶解度为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的 溶解度更低（0.25mmol/L）。在28℃氧在发酵液中的100% 的空气饱和浓度只有7mg/L左右，比糖的溶解度小7000倍。
lg
C*w C*e
KCE
Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3 Cw*—氧在纯水中的溶解度, mol/m3 CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3
K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变 化.
(CE , C*e )
2) 溶质
影响推动力C*-CL的因素
2）对于几种电解质的混合溶液：
4. 溶解氧控制的意义
溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响 可能是不同的，所以须了解生长期和生产 期的最适需氧量 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的 限制因素 目前,在发酵工业上氧的利用率很低，因此 提高传氧效率,就能大大降低空气消耗量, 从而降低设备费和动力消耗,且减少泡沫形 成和染菌的机会, 大大提高设备利用率
lg
C*w C*e
i
hiIi
式中 hi—第i种离子的常数, m3/kmol
Ii
1 2
ZiCEi
离子强度,
kmol/m3
Zi—第i种离子的价数,
CEi —第i种离子的浓度, kmol/m3
在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传 质的基本方程式）为
OTR KLa(C* CL )
在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理， 称为体积溶氧系数或体积传质系数
7.3 发酵过程耗氧与供氧的动态关系
细胞的呼吸作用 氧传递特征（发酵罐传递性能）
若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进 一步提高传递能力； 若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需 筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：
OTR KLa(C* CL )
传递
消耗 x QO2
对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得：
KLa
QO2 x C* CL
kLa亦可称为“通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通 气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条
件贫乏。
在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可 用下式表示:
25℃，1×106Pa下，空气中氧在纯水中的 溶解度仅0.25mol/m3 好氧发酵中，若菌体浓度1015个/m3，呼吸 强度QO2=2.6×10-3mol/(kg·S),则每立方米 发酵液中菌体的需氧量约187mol/（m3·h）
即：1m3发酵液中每小时需要的氧是溶解量 的750倍
7.2 氧传递方程
在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2< (QO2 )m， x<xm 对数生长期末：S↓, OTR↓, QO2 ↓而γ∝(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、 OTR 占主导地位，所 以 γ↓
培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓
影响微生物耗氧的因素
微生物本身遗传特征的影响 培养基的成分和浓度
在对数生长期，即使发酵液被空气饱和，若此时中止供氧， 发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗尽。
在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重 要限制因素之一。
1. 氧在微生物发酵中的作用 （好气性微生物）
呼吸作用 直接参与一些生物合成反应
CH3CH 2OH O2 CH3COOH
只有溶解状态的氧才能被微生物利用
碳源种类
耗氧速率：油脂或烃类>葡萄糖> 蔗糖> 乳糖
培养基浓度
浓度大, QO2 ↑; 浓度小, QO2↓
菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小
发酵条件的影响
pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征; 温度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T ↑, ห้องสมุดไป่ตู้O↓
代谢类型(发酵类型)的影响
若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小
发酵行业用空气饱和度（%）来表示DO含量的单位
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/饱和溶氧溶度
对于微生物： CCr: ＝1～15%饱和浓度
例：细菌和酵母, 3%~10% 放线菌， 5%~30% 霉菌， 10%~15%
3. 培养过程中细胞耗氧的一般规律
培养初期： QO2逐渐增高，x较小 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时x较低, γ 并不高
dCL dt
KLa(C* CL ) QO2`
x
在稳态时,
dCL 0 dt
CL
C*
QO2 x KLa
7.4 影响氧传递的因素
OTR KLa(C* CL )
可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：
1. 影响推动力C*-CL的因素
2. kLa的影响因素
影响比表面积a的因素
影响液膜传递系数kL的因素
2.微生物需氧量的表示方式
呼吸强度QO2（比耗氧速率） ：单位质量 干菌体在单位时间内消耗氧的量。
摄氧率γ（耗氧速率）：单位体积培养液在 单位时间内消耗氧的量。
QO2和γ的关系
x QO2
概念：临界溶氧浓度 Ccr
微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响， 各种微生物对发酵液中溶氧浓度CL有一个最低要求 ，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界 溶氧浓度，以Ccr表示。 CL> Ccr，QO2 保持恒定 CL< Ccr， QO2 大大下降
第八章 发酵过程控制
本章内容
一、概述 二、温度对发酵的影响及其控制 三、 pH对发酵的影响及其控制 四、溶解氧对发酵的影响及其控制 五、 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 六、基质浓度对发酵的影响及补料控制 七、泡沫对发酵的影响及其控制 八、自动控制技术在发酵过程控制中的应用
（四）溶解氧对发酵的影响及其控制
1.影响推动力的因素 1) 温度
氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在 1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的 纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算:
Cw*
t
14.6 31.6
t—温度,℃
T ↑ ，Cw* ↓ ，推动力↓
2) 溶质
影响推动力C*-CL的因素
A.
电解质 1)对于单一电解质