发酵工程 溶解氧对发酵的影响及其控制
发酵工程 第5章 氧的供需与传递
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，选取不同的供 氧条件：
★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再传 递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
食品科学与工程专业食品发酵基础课程教学大纲
食品发酵基础课程教学大纲课程名称：食品发酵基础（Food Fermentation Basis）课程编号：FFB 223 课程类别：专业课程课程性质：必修总学时：46，其中（理论学时：34 ；实践学时,12 ）学分：2.5适用专业：食品科学与工程责任单位：生物食品学院先修课程：一、课程性质、目的本课程是食品科学与工程专业的必修专业基础课，是生物工程专业一门理论与生产实际结合比较密切的课程；本课程是在学完《食品微生物学》、《食品生物化学》等课程基础上开设的。
本课程主要讲述发酵工艺的基本知识和基本原理，重点突出生产工艺操作及过程控制等方面的实际问题。
通过课堂讲授、辅助必要的工艺实验的教学模式，提高学生动手操作的能力，培养学生应用基本理论和解决生产实际问题的能力。
为学生更好地学习和掌握《酿造酒工艺学》《发酵食品工艺学》等专业课程打好基础。
二、课程主要知识点及基本要求第一章绪论（2学时）1.教学目的要求了解生物技术的知识和生物产品生产的基本过程；了解发酵的一般概念；了解发酵工程的应用范围、特点。
2.重点和难点发酵工程的发展简史及发展趋势。
第二章菌种的选育、保藏与复壮（6学时）1.教学目的、要求了解杂交育种、原生质体融合技术育种及基因重组技术育种的原理与方法。
2.重点和难点掌握自然育种、诱变育种的原理与方法。
掌握菌种保藏的原理及方法。
第三章发酵工业种子制备及培养基设计（7学时）1.教学目的、要求了解发酵生产培养基的组成成份及其在发酵中的作用；了解生产菌种制备的一般流程；掌握各生产菌种制备的工艺流程及操作要点；2.重点和难点掌握影响培养基质量的因素及控制措施。
掌握影响种子质量的因素及其控制方法。
第一节发酵用培养基（4学时）第二节生产菌种的扩大培养（3学时）第四章发酵工程基本无菌操作（7学时）1.教学目的、要求了解灭菌的概念及方法；了解无菌空气质量标准、制备方法。
2.重点和难点掌握微生物热死动力学；掌握影响灭菌效果的因素及控制方法；重点掌握分批灭菌和连续灭菌的工艺过程及操作要点。
发酵工程重点
名词解释发酵工程：指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。
高通量筛选：是指将许多模型固定在各自不同的载体上，用机器人加样，培养后，用计算机记录结果，并进行分析，实现快速、准确、微量的筛选菌株的方法。
细胞工程育种：在细胞水平上对菌种进行操作，采用杂交、接合、转化和转导等遗传学方法，将不同菌种的遗传物质进行交换重组，使不同菌种的优良性状集中在重组体重，从而提高产量。
主要有杂交育种和原生质体融合育种。
杂交育种：指将两个基因型不同的菌株经吻合是遗传物质重新组合，从中分离筛选出具有新型性状的菌株。
营养缺陷性标记：微生物经诱变处理后产生的一种突变体，需要在培养基上添加一种特定的有机物才能很好的生存，为筛选该菌株而适当添加的遗传标记。
菌种退化：指生产菌种或选育菌种过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行接种传代或保藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象。
理论转化率：指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，得出转化率大小。
实际转化率：指发酵试验所得转化率的大小。
种子培养：指将冷冻干燥管、沙土管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量的纯种的过程。
接种龄：指种子罐中培养的菌丝体转入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。
接种量：指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例。
表观得率：指对底物的总消耗而言的细胞得率。
理论得率：指仅用于细胞生长所消耗底物而言的细胞得率。
呼吸强度：指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量。
用Qo2表示。
耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的耗氧量，也称摄氧量。
用γ表示。
高密度发酵：指工程菌在短时间内迅速分裂增殖，使菌体浓度迅速升高的过程。
重点部分：发酵工程技术的发展史1、1900年以前，自然发酵阶段。
酿造生产酒、醋等。
2、1900—1940，科赫建立微生物分离纯化和纯培养技术，创造了单细胞纯培养法。
发酵工程最后总结
一，名词解释1发酵工程：是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
2实罐灭菌：是指将配制好的培养基放入发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，再冷却到接种温度，也叫间歇灭菌、分批灭菌。
3连续培养：又叫开放培养，是相对分批培养或密闭培养而言的。
连续培养是采用有效的措施让微生物在某特定的环境中保持旺盛生长状态的培养方法.分批培养：是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定条件下完成一个生长周期的微生物培养方法。
4培养基：是供微生物、植物和动物组织生长和维持用的人工配制的养料，一般都含有碳水化合物、含氮物质、无机盐（包括微量元素）以及维生素和水等。
有的培养基还含有抗菌素和色素，用于单种微生物培养和鉴定。
5自然选育：也称自然分离，是指对微生物细胞群体不经过人工处理而直接进行筛选的育种方法，又称为单菌落分离。
6营养缺陷型：指微生物等不能在无机盐类和碳源组成的合成培养基中增殖，必须补充一种或一种以上的营养物质才能生长。
7渗漏缺陷型：是遗传障碍不完全的营养缺陷型，突变使某一种酶的活性下降而不是完全丧失，所以这种缺陷性能够少量地合成某一代谢产物，能在基本培养基上少量地生长。
8消毒灭菌：灭菌是指杀灭一切活的微生物。
而消毒则是指杀灭病原微生物和其他有害微生物，但并不要求清除或杀灭所有微生物（如芽胞等）。
9发酵动力学：是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。
10生物热：产生菌在生长繁殖过程中产生的热能11搅拌热：搅拌器转动引起的液体之间及液体与设备之间的摩擦产生的热量12前体：在微生物的生物合成过程中，有些化合物能直接被微生物利用构成产物分子结构的一部分，而化合物本身的结构没有大的变化，这些物质称为前体。
名词解释题库
1、发酵工程：是将DNA重组及细胞融合技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化与放人技术等新技术与传统发酵工程融合，大大捉高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的•种现代工业生物技术理论与工程技术体系（新•代工业生物技术）。
2、固体发酵：根据培养物的物理状态分类的•种发酵方式。
发酵培养物为固态。
3、液体发酵：液体发酵是相对于固体和半固体发酵而言，是从培养基的状态对发酵的•个分类。
4、厌氧发酵：厌氧微生物在隔绝空气不与分了态氧接触的情况下进行的发酵过程。
•般适用于微生物作用于有机化合物的分解代谢，反应时放出气体同时产生热量。
5、好氧发酵：利用微生物在有氧气存在的情况下生成并积累微生物菌体或代谢产物。
6、深层培养：又称通气搅拌技术，采用机械通气搅拌，使得好气性发酵进行大规模生产。
7、深层液体发酵：即微生物细胞在•个密封的发酵罐内，通入无菌空气进行发酵。
8、深层固体发酵：是浅盘固体发酵的•种发展，如厚层通气床，固体发酵罐等，用于工业生产。
9、分批发酵：根据物料和产物的进出方式进行分类的•种发酵方式，所有物料（除去空气，消泡剂，酸碱调节剂外〉•次加入发酵罐，灭菌、接种、培养，最后整个罐的内容物放出，进行产物回收。
10、补料分批发酵：在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。
在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。
11、连续发酵：以•定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，使培养物在近似恒定的状态下生长的培养方法。
12、半连续发酵：在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。
某些品种采取这种方式，如四环素发酵。
13、营养缺陷型（auxotroph）:指原菌株由于发生了基因突变,致使合成途径中某步麋发生缺陷,而丧失了合成某些营养物质（氨基酸、维生素、碱基等）的能力。
14、原养型（PrOtOtropħ）:营养缺陷型菌株经回复突变或重组变异后产生的菌株,其营养要求在农型上与野生型相同。
7发酵工艺控制(第3节 发酵条件的影响及其控制)【发酵工程】
发酵过程中pH的变化与微生物的活动有关 ：
NH3在溶液中NH4+的形式存在，被利用成为R—NH3+后，在培养基内生 成H+；如以N03-为氮源，H+被消耗，N03-还原为R—NH3+；如以氨基酸作为氮 源，被利用后产生的H+，使pH下降。
pH改变的另一个原因是有机酸的积累，如乳酸、丙酮酸或乙酸。
pH的变化会影响各种酶活、菌对基质的利用速率和细胞的结构，从而影 响菌的生长和产物的合成。
（2）温度还通过改变发酵液的物理性质间接影响产物的合成。
例如：氧的溶解度和基质的传质速率以及菌对养分的分解和吸收 速率受温度影响。
（3）温度影响生物合成的方向。
例如：四环素发酵中金色链霉菌在低于30℃ 下，合成金霉素的能力较 强。合成四环素的比例随温度的升高而增大，在35℃下只产生四环素。
（4）近年来发现温度对代谢有调节作用。
式中：A和Ea分别为Arrennius常数和活化能；R和T分别为通用气体常 数和绝对温度。
若在半对数坐标纸上作最大比生长速率lnμm对温度T的倒数作曲线， 曲线的弯曲部分的温度大于最适温度。死亡率增加。
活化能高低的意义：
微生物生长活化能Ea在50～70kJ／mol，死亡活化能Ea’为300-~380kJ／ mol。
3、 pH的控制
控制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸 碱或中间补料来控制。如在基础培养基中加适量的CaCO3。
举例：青霉素发酵中PH的控制：
按菌的生理代谢需 要，调节加糖速率来控 制pH，比用恒速加糖 ，pH由酸碱控制可提 高青霉素的产量25％。
有些抗生素品种，如链霉素，采用过程通NH3控制pH，既调节了pH， 也补充了N源。用氨水需谨慎，过量的NH3会使微生物中毒，导致呼吸强度 急速下降。故在通氨过程中监测溶氧浓度的变化可防止菌的中毒。
微生物发酵工艺及其控制简述
微生物发酵工艺及其控制简述罗宗学（云南大学生命科学学院云南昆明 650091）摘要：根据操作方式不同，发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中流加发酵在生产和科研上应用最为广泛。
在发酵工艺中反映发酵过程变化的参数分为物理参数、化学参数和生物学参数三大类，这些参数的变化直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。
本文从对发酵工艺过程影响较大的发酵温度、pH值、溶解氧、泡沫、菌体浓度和基质、发酵时间等6个方面阐述如何进行发酵工艺的控制，为实现发酵产业的经济效益最大化提供必要的理论依据。
关键字：发酵工艺变化参数影响和控制发酵是指通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的过程。
早在2000多年前，我国就有了酿酒、制醋的发酵技术，那时候发酵完全属于天然发酵。
20 世纪40年代中期，美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素，建立了深层通气发酵技术。
1957年，日本微生物生产谷氨酸盐(味精)发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。
70年代开始，随着基因工程、细胞工程等生物过程技术的开发，以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。
80年代，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。
发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。
影响发酵过程发的因素很多，包括物理的（如温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、表观粘度、浊度、料液流量等），化学的（如质浓度、pH、产物浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、废气中氧及二氧化碳浓度、核酸量等）和生物的（如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力等）三大类。
发酵工程第六章
发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温
度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞
的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对
生产的控制。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式：
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法： （1）培养基注意适当的配比 （2）通过中间补料，控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源：较迅速的被利用，有利于菌体的生
长，如葡萄糖 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于代谢产物
的合成，如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
3）培养后期，产生热量不多，温度变化不大，且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液 体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显 热，显热很小，一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天 小一些，一般不超过发酵热的5％。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
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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
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。
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
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
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
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:
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 ↑, DO↓
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
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：
2）对于几种电解质的混合溶液：
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,
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
A.
电解质 1)对于单一电解质
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
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
影响液膜传递系数kL的因素
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* ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ，推动力↓
2) 溶质
影响推动力C*-CL的因素