好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略
溶解氧对发酵的影响及其控制
QO2
C临界
CL
满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度（c临界），当溶 氧溶度（cL）高于菌体生长的临界溶氧浓度（c临界）时，菌体 的各种代谢活动不受干扰，反之则反。
一般好氧微生物的c临界很低，大约为饱和氧浓度1%~25%。
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
提高罐压
Pi增加则与之平衡的Ci也会增加，对提高（c* - c) 是有一定作用的。
利用纯氧，可以提高（c* - cL)
缺点：价格较高 易引起爆炸
可见，提高KLa最有效的方法是提高N与Vs，并 协调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受 限制较多。
2、发酵液的需氧量
发酵液的需氧量（OUR），受c(X) 、基质的种
式中
KL
(c
cL
)
OTR-氧由气相向液相的传递速率(传氧速率，
oxygen take rate)，mmol O2 ／(L·h)；
KLα-液相体积氧传递系数，1／h；
c*-液相饱和溶氧浓度，mmol O2 ／L；
cL-液相实际溶氧浓度，mmol O2 ／L；
OUR-菌的耗氧速率(摄氧速率，oxygen uptake
但不能够无限的增加通风量,研究表明，当通风量 增加到一定的量后，(Pg/V)会随着Q的增加而下 降。
也就是说单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下 降，不但不能提高kLa，甚至会造成kLa值的下降。
（2）提高（c* - cL)，即氧传递动力
c*，改变c*是没有太大的余地的。因为，发酵温 度、浓度等严格的受到菌体生长和发酵工艺的限 制。
OTR = kLa×（P*-P）
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及控制总述：溶氧（DO）是需氧微生物生长所必须，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。
发酵液中的溶氧浓度对微生物的生长和产物形成有着重要的影响，在发酵液中溶氧的高低直接影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定着发酵产物产量的高低。
根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。
以下则主要针对氧在好养微生物，需要微生物或兼性厌氧型微生物的一些影响。
1.溶氧在好氧微生物发酵过程的影响溶氧是发酵中的营养和环境因素，不同发酵阶段的需氧量通常不同。
根据溶氧调控策略对Alcaligenes.sp.NX-3 产威兰胶的发酵过程的影响（5）溶氧对好氧微生物发酵的影响主要分为两方面：是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，影响微生物生长代谢。
二是在氧直接参与产物合成，且通过溶氧控制条件对深层灵芝发酵生产灵芝酸产量的影响溶氧是好氧性微生物生长发酵的重要工艺参数，对菌体生长和积累代谢产物都有较大影响，定着代谢产物产量的高低。
溶氧过低，不利于菌体生长和代谢产物的积累，溶氧过高，只利于菌体大量生长，代谢产物的积累受到抑制，好氧微生物生长和代谢均需要氧气，此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要，在不同的环境条件下，各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。
因此，对于好氧性微生物发酵，溶氧参数的控制尤为重要。
而好氧微生物发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。
可以针对不同的影响因素对发酵过程进行控制与调节。
2.溶氧在需氧菌或兼性厌氧菌微生物发酵过程的影响需氧发酵并不是溶氧愈大愈好，溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。
因此，发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。
根据溶氧对氨基酸发酵的影响及控制（2）中可知发酵液中的氧（溶解氧）是菌体生长与代谢的必需品。
发酵的影响因素-溶氧
Qo2---菌体呼吸强度（比耗氧速率）， molO2/（kg干细胞·s ） ；
X ---发酵液中菌体浓度，（kg/m3）；
1.溶氧对发酵过程的影响
溶氧对菌体生长和产物形成的影响：
一般对于微生物： 临界溶氧浓度: ＝1～15%饱和溶氧浓度 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%
影响供氧的因素： 影响发酵罐中Kla的因素
搅拌：效果明显 空气流速 罐压
空气分布器 温度 空气中含氧量
发酵液物理性质
控制溶氧的工艺手段主要是从供氧和需氧两方面来考虑。
思考题
1 摄氧率如何计算？ 2 生产上，如何增加供氧量？
谢谢观看
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
2. 发酵过程对溶氧的控制
2.发酵过程对溶氧的控制
影响需氧的因素：
菌体浓度
r= QO2 .X
QO2
➢ 遗传因素 ➢ 菌龄 ➢ 营养的成分与浓度 ➢ 有害物质的积累 ➢ 培养条件
2.发酵过程对溶氧的控制
影响供氧的因素：
Nv Kla(c * c)
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度要大于 临界溶氧浓度.
1.溶氧对发酵过程的影响
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：
发酵过程工艺中关键因素-溶氧
例 黑曲霉生产糖化酶
N 通气比 产量
230 1:0.8 1812
230 1:1.2 2416
提高N，比提高Q有效
270 1:0.8 2846
2019/10/2
27
氧载体提高KLa
通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻 力，从而提高传氧效率。这种液相一般具有比水更高的溶氧 能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体。通常使用的氧载 体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、豆油等。
2019/10/2
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三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
QO2
当溶解氧浓度高于临界值时， 微生物的呼吸强度保持恒定，与 培养液中的氧浓度无关；当低于 这个临界值时，微生物的呼吸强 度受到溶解氧浓度的影响，这时 细胞的代谢活动会因溶解氧浓度 的限制受到影响。p107
CCr
CL（溶解氧浓度）
发酵工程 课件
Fermentation Engineering
第五章 发酵过程控制（3)
第3节 溶解氧的供需及控制 (2学时)
教学目的: 了解描述微生物需氧的物理量、影响需
氧的因素；掌握溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响、 发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；理解溶解氧和 pH综合控制系统。
教学重点、难点：临界溶解氧浓度、溶解氧浓度
32
○ 正十二烷 □ 豆油 △ 对照
33
氧载体的添加，能促进法夫酵母虾青素的合成。与对 照组相比，添加3%豆油和1%正十二烷的试验组虾青素产 率分别由对照组的2.78mg/L增加至3.69mg/L和3.76mg/L， 提高32.73%和35.26% 。
还可看出，虾青素合成的差异主要集中在第24小时至 第72小时之间。不添加氧载体的对照组，虾青素合成集中 在前48小时，72小时后少有虾青素的合成。而添加氧载体 的试验组，虾青素的合成可持续至96小时，尤其是在第48 小时后仍有较大的合成速率。
发酵工艺控制(溶氧)
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及控制好氧微生物细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，但是氧是一种难溶气体，并且培养基中一般含有大量的有机物和无机盐，由于盐析等作用造成氧在培养基中的溶解度更低，因此在好氧微生物的发酵过程中，氧的供应往往是成功与否的重要限制因素之一。
一般来说，在大规模发酵生产中，通常采用深层培养方式，氧的提供是给培养中的微生物通入无菌空气来进行。
此时需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求，而且为了提高供氧效率，还必须控制搅拌速率。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。
改变通气速率发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现一个低峰。
在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但受补料、加油等条件大影响。
补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。
如继续补糖，又会继续下降，甚至引起生产受到限制。
发酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升。
好氧微生物的酶的活性对氧有着很强的依赖性。
以谷氨酸发酵为例，高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。
[1 ]下图1 和图2 所示的分别是在不同溶氧条件下的谷氨酸发酵的谷氨酸浓度和乳酸浓度的变化曲线图。
从图1 中可以看出,溶氧水平对谷氨酸发酵中谷氨酸的生成量有很大的影响。
低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,谷氨酸生成速度明显比高溶氧(DO = 50 %) 条件下要高,并且最终谷氨酸浓度也比高溶氧条件下的高;从图2 可以看出,低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,主要代谢副产物乳酸的生成速度比高溶氧条件下要高出许多,乳酸积累量也很大,而高溶氧条件下则积累很少。
发酵过程控制 容氧pH
（三）耗氧方面：
液体中的溶氧→微生物体内的氧
过程中需经过各种阻力：细胞周围的液膜阻力 菌团或菌丝间扩散阻力
细胞膜阻力
细胞内生化反应的阻力
六、 流加 H2O2对提高供氧及微生物代谢的影响
传统的方法是给发酵罐通入无菌空气，达到供氧的目的，近年来，加入氧载
体、流加H2O2 与藻类共培养以及通过基因克隆转入带氧的基因等方法。
采用H2O2供氧的优点：
H2O2与通气供氧结合，控制流加浓度和流加方式可提高发酵体系的细胞密
度；
H2O2可在过氧化酶的催化下分解放出氧气，在反应不是非常强烈的条件下， 氧气将直接以分子形式传给细胞，不会形成气液传质阻力，提高氧的传质速 率； 对剪切力敏感及非常粘稠的发酵体系提供了一种供氧手段； H2O2 供氧还可以改变菌体的代谢途径，促使菌体利用更有效的代谢途径来 合成产物。
例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响
pH在4～7范围内产酶最高
2、pH对菌体生长和产物合成的影响
1）pH影响酶的活性、酶促反应的速率 2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态 从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的 吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行。 3）影响培养基某些组分和中间产物的离解，从而影响微生 物对这些物质的利用。
utilization rate)还很低，只有40～
60％，抗生素发酵工业更低，只有2～8
％。
提高传质，提高溶氧速率非常重要。
三、溶氧测定的意义
2、溶氧作为发酵异常情况的指示；
1、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律；
3、溶氧作为发酵中间控制的手段之一； 溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，且跌零 后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌 补糖后，溶氧出现明显下降的趋势 4、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形成影响 如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，则很可能 因此可利用溶氧作为参数来控制加料的次数、流加速 的指标之一。 是污染了噬菌体 度和加入量
生物发酵过程中有哪些关键调控因素
影响微生物发酵能否成功的因素有1、是菌种的选取。
2、是菌体浓度的控制。
3、是基质的控制，包括碳源、氮源和磷酸盐的量的控制。
4、是溶氧量的控制。
5、酸碱度的控制。
下面是微生物发酵过程的一篇文章，希望对你有帮助！微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。
根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类。
（1）好氧性发酵在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬酸发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸发酵、利用黄单抱菌进行多糖发酵等等。
（2）厌氧性发酵在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。
（3）兼性发酵酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧即通气条件下则进行好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞。
按照设备来分，发酵又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。
一般敞口发酵应用于繁殖快并进行好氧发酵的类型，如酵母生产，由于其菌体迅速而大量繁殖，可抑制其他杂菌生长。
所以敞口发酵设备要求简单。
相反，密闭发酵是在密闭的设备内进行，所以设备要求严格，工艺也较复杂。
浅盘发酵（表面培养法）是利用浅盘仅装一薄层培养液，接人菌种后进行表面培养，在液体上面形成一层菌膜。
在缺乏通气设备时，对一些繁殖快的好氧性微生物可利用此法。
深层发酵法是指在液体培养基内部（不仅仅在表面）进行的微生物培养过程。
液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。
同其他发酵方法相比，它具有很多优点：①液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。
②在液体中，菌体及营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条件下进行，便于控制，易于扩大生产规模。
③液体输送方便，易于机械化操作。
④厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定。
⑤产品易于提取、精制等。
因而液体深层发酵在发酵工业中被广泛应用。
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好氧发酵过程中溶氧的影响因素和
控制策略
作者：***
单位：河北天俱时自动化科技有限公司
2009年4月10日
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略
刘伟
河北天俱时自动化科技有限公司
摘要：好氧发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、通风量等，为了保证发酵过程中合适的溶解氧含量，对溶氧值进行控制，本文分析了溶氧检测值的影响因素，并指出溶氧控制的一般性控制策略。
关键词：好氧发酵，溶氧调节
一、引言
好氧发酵过程溶氧浓度（DO）是一个非常重要的发酵参数，它既影响细胞的生长，又影响产物的生成。
控制发酵液溶氧值一方面可以改善微生物的生长代谢环境，有效促进发酵单位的提高，另一方面还可以起到节能降耗的作用，对企业生产意义重大。
二、影响因素
通常情况下，对发酵液溶氧参数影响较大的几个物理参数包括：通风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。
通风量的影响
通风量的影响是最直观的，溶氧值大小的影响最主要的是进入发酵罐的氧的量，因为在好氧发酵过程中，如果截断进风的补给发酵液中的氧很快将被微生物消耗掉，通常在进风管道上安装调节阀门进行进风流量的调节。
搅拌的影响
由于溶氧电极在工作中存在明显的电流，自身消耗大量的氧。
电
极的信号与氧向电极表面传递的速率成比例，而氧的传递速率则受氧跨膜扩散速率控制。
这一速率与发酵液的浓度成比例，其比值（以及电极的校准）取决于总的传质过程。
电极的一般工作条件是，氧向膜外表面的传递速率很快且不受限制。
因此整个过程受跨膜传递的限制，比例常数（传质系数）较易维持恒定。
发酵实验时搅拌操作可以获得满意的跨膜传递速率。
需要指出，在对电极进行最初校准的过程中，必须对发酵罐进行搅拌。
温度的影响
溶氧电极的信号随温度的升高而显著增强，这主要是因为温度影响氧的扩散速率。
发酵实验过程中需控制发酵罐的温度，因为即使0.5℃左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超过1%）。
溶氧读数的周期性变化（每隔若干分钟观察1次）显示了温度波动的影响，而且较大的温度变化能引起校准的较大漂移。
因此在实验过程中改变温度控制时要格外注意。
在以发酵罐的操作温度进行控制以前，需对溶氧电极进行校准。
考虑到上述影响的存在，一些溶氧电极带有温度传感器等仪表，以实现自动温度补偿。
此外，对于具有计算机监控的发酵罐，可利用来自独立的温度传感器的信号，由相关软件实现温度补偿。
压力的影响
压力变化会影响溶氧电极的读数，尽管这实际上反映了溶氧的变化情况。
电极的响应主要由溶液的平衡氧分压确定。
读数通常表示为大气压下空气的饱和度（%），100%的溶氧张力（DOT）约相当于160mmHg（1mmHg≈133Pa）的氧分压。
如果发酵液的平衡气体总
压发生变化，即使气体组分未发生变化（因为氧分压会成比例的改变），也会改变溶氧电极的读数。
如果达到平衡，电极的信号可由下式确定：
T p co po 22 （2-8）
式中 2po ——电极测得的氧分压；
2co ——氧在气相中的体积分数或摩尔分数；
T p ——总压。
因此发酵液中气泡压力的改变会影响溶氧张力，进而影响电极读数。
在发酵罐中，流体静压不会显著地影响气泡压力，但压头的改变则会对其产生显著的影响。
一般出口滤器或管路压降可产生7000 Pa 左右的压头，这足以使电极信号上升7%。
在发酵过程中，大气压的变化也会引起读数变化，甚至在正常天气情况下，读数变化可高达5%。
考虑到压力的上述影响，可采用下列方法对pH 电极进行校准。
①在大气压下对电极进行校准。
这种情况下，实验中可能会获得超过100%的DOT 值。
这并不意味着发酵液中的空气处于过饱和状态，只是说明供气压力上升导致氧分压超过用于校准的氧分压。
②在预期的操作压力下对电极进行校准，此时100%的读数表示发酵液相对于大气组分处于过饱和状态。
③根据氧分压或溶氧浓度给出所有结果，基于校准条件下的计算值进行校准，这些是影响电极响应的最直接的参数。
三、溶氧的控制策略 溶氧控制主要参考溶氧检测值、进风流量监测值、发酵罐转速、
发酵罐压力、发酵温度等进行综合考虑，首先调节转速，当转速低于某特定值开始调节流量，调节流量的同时必须保证一定的罐压力，并确保流量不低于某特定值。
1.传感器/变送器和执行机构
发酵罐上安装溶氧、温度检测探头，进风管路安装流量计，排风管道上安装压力变送器，搅拌转速检测探头等检测信号送入控制系统，
进风、排风上安装调节阀，搅拌电机的转速可以控制（变频器）。
根据各参数对发酵过程溶氧值的影响，其控制框图如下：
2.制策略
控制开始首先调节搅拌转速，转速限制在一定的范围内，超过最低限固定在某值开始调节流量。
流量控制采用串级PID调节方式，溶氧控制主回路调节溶氧值，
进风调节阀动作，当流量小于一定值时，串级副回路起作用，按照根据进风流量的限制值进行调节，调节的过程中保证一定的发酵罐压，并进行温度、压力对溶氧影响的补偿。
串级PID调节由主、从两个PID模块构成，主回路主导溶氧的PID控制，其输出经过限制和一定的算法关系作为从PID控制回路的输入，这里主要是搅拌的转速调节和进风流量的调节。
他们的选择保证平滑切换和限制连锁。
四、总结
发酵过程溶解氧检测值的影响因素众多，控制复杂，必须在实际的控制过程中不断摸索，不断完善，并可能需要反复试验，以获取合适的控制参数和控制算法，并不断总结，使控制过程更平稳、更可靠。