溶解氧对发酵的影响及其控制
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）
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：
发酵过程中溶解氧的控制措施
发酵过程中溶解氧的控制措施一、引言发酵是一种广泛应用于食品、医药、化工等领域的生物技术，而溶解氧是影响发酵过程的重要因素之一。
在发酵过程中，微生物需要氧气参与代谢活动，但过高或过低的溶解氧浓度都会对微生物的生长和代谢产生不利影响。
因此，在发酵过程中控制溶解氧浓度至关重要。
二、影响溶解氧浓度的因素1. 发酵系统中空气流量和搅拌速度：空气流量和搅拌速度是控制发酵系统内溶解氧浓度的两个主要因素。
适当增加空气流量和搅拌速度可以提高溶解氧浓度，促进微生物生长和代谢活动。
2. 发酵液温度：温度对微生物代谢活动有直接影响，适宜的温度可以提高微生物代谢效率，增加需求氧量；但过高的温度会使微生物失去活性，降低需求氧量。
3. 发酵液pH值：pH值对微生物代谢活动也有直接影响，适宜的pH 值可以提高微生物代谢效率，增加需求氧量；但过高或过低的pH值会使微生物失去活性，降低需求氧量。
4. 发酵液中有机质浓度：有机质浓度是微生物生长和代谢的重要营养源，但过高的有机质浓度会导致微生物代谢产生大量二氧化碳等废气，使溶解氧浓度降低。
三、控制溶解氧浓度的措施1. 适当增加空气流量和搅拌速度：在发酵过程中适当增加空气流量和搅拌速度可以提高溶解氧浓度。
具体来说，可根据不同微生物需要的溶解氧浓度和发酵系统的特点确定最佳空气流量和搅拌速度。
2. 控制发酵液温度：在发酵过程中控制发酵液温度可以影响微生物需求氧量。
对于需求较高的微生物，在合适的温度范围内增加温度可以提高其代谢效率和需求氧量；对于需求较低的微生物，降低温度可以减少其需求氧量。
3. 控制发酵液pH值：在发酵过程中控制发酵液pH值可以影响微生物需求氧量。
对于需求较高的微生物，在合适的pH值范围内调整pH 值可以提高其代谢效率和需求氧量；对于需求较低的微生物，调整pH 值可以减少其需求氧量。
4. 控制有机质浓度：在发酵过程中控制有机质浓度可以影响微生物产生废气的量，从而影响溶解氧浓度。
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及其控制The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth (Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation. According to the demand of dissolution characteristics and microbial oxygen on oxygen, analysis of the effects of dissolved oxygen on the fermentation and the effect on fermentation, and then determine the control of dissolved oxygen in the fermentation broth and transfer, the maximum production efficiency.Compared with normal PID controller, the new controller is of small overshoot and quick response, improved stability of the system andincrease the yield of products. Study the influence of dissolved oxygen and controlling the fermentation to improve production efficiency, improve product quality, etc. are important.溶氧浓度（DO）作为发酵控制中的一个关键参数，直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本，受到工业生产和实验室研究的重视，无论是厌氧还是需氧发酵，研究发酵液中溶氧对发酵的影响都有重要意义。
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溶氧是微生物发酵过程中的重要因素之一，它对微生物的生长和代谢有着直接的影响。
本文将从溶氧对发酵的影响、溶氧的控制及其方法等方面进行探讨。
一、溶氧对发酵的影响1. 溶氧影响微生物生长速度和代谢产物微生物在发酵过程中需要通过呼吸作用来产生能量，而呼吸作用需要氧气参与。
当溶氧充足时，微生物的生长速度和代谢产物的产量都会增加。
但当溶氧不足时，微生物会采用厌氧代谢途径，此时代谢产物的种类和产量都会发生改变。
2. 溶氧影响微生物的代谢途径微生物在不同的溶氧条件下，会采用不同的代谢途径，从而影响代谢产物的种类和产量。
当溶氧充足时，微生物会采用呼吸代谢途径，产生的代谢产物主要是二氧化碳和水。
当溶氧不足时，微生物会采用厌氧代谢途径，产生的代谢产物主要是乳酸、酒精等。
3. 溶氧影响微生物的生理状态溶氧对微生物的生理状态也有着直接的影响。
当溶氧充足时，微生物的细胞膜通透性和细胞内酶的活性都会增强，从而提高微生物的生理状态。
当溶氧不足时，微生物的生理状态会下降，从而影响微生物的生长和代谢。
二、溶氧的控制及其方法1. 气体控制法气体控制法是一种常用的溶氧控制方法。
通过控制氧气的流量和进气口的大小，来调节溶氧的浓度。
这种方法适用于规模较大的发酵过程。
2. 搅拌控制法搅拌控制法是一种通过搅拌来增加氧气传递的方法。
通过调节搅拌的强度和速度，来增加氧气的传递速率，从而提高溶氧浓度。
这种方法适用于规模较小的发酵过程。
3. 降低发酵液的粘度发酵液的粘度越高，氧气传递速率就越慢。
因此，通过降低发酵液的粘度，来增加氧气的传递速率，从而提高溶氧浓度。
4. 控制发酵液的温度发酵液的温度也会影响溶氧浓度。
当温度升高时，溶氧浓度会下降。
因此，通过控制发酵液的温度，来调节溶氧浓度。
5. 使用溶氧控制仪溶氧控制仪是一种通过测量发酵液中的溶氧浓度，来控制氧气的流量和进气口的大小，从而调节溶氧浓度的设备。
这种方法适用于规模较大的发酵过程。
发酵工艺学名词解释
名词解释：1.发酵：通过微生物的生长和代谢活动，产生和积累人们所需代谢产物的一切微生物培养过程。
2.发酵工艺：指工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺。
3.前体：在微生物代谢产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。
4.热阻：指微生物在某一特定条件下的致死时间。
5.对数残留定律：指在一定温度下，微生物受热后，活菌数不断减少，其减少速度随残留活菌数的减少而降低，且在任何瞬间，菌的死亡速率与残存的活菌数成正比。
6.实消：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有设备一起进行加热灭菌的操作过程称为实罐灭菌。
7.连消：培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续加热灭菌，冷却后送入已灭菌的发酵罐内，这种工艺过程称为连消灭菌。
8.空消：无论是种子罐、发酵罐还是液氨罐、消泡罐，当培养基尚未进罐前对罐进行预先灭菌，为空罐灭菌。
9.液化：用ɑ-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖。
10.糖化：用糖化酶将糊精和低聚糖转化葡萄糖。
11.种子制备：将固体培养基上培养出的孢子或菌体转入到液体培养基中培养，使其繁殖成大量菌丝或菌体的过程。
12.菌种保藏：根据菌种的生理、生化特性，人工创造条件使菌体的代谢活动处于休眠状态。
13.呼吸临界氧浓度：在溶解浓度低时，呼吸强度随溶氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，把此时的溶解氧浓度称为呼吸临界氧浓度。
14.溶解氧饱和度：在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。
15.氧传递系数：比表面积与以浓度差为推动力的氧传质系数的乘积。
16.分批发酵：指一次性投入料液，发酵过程中不补料，一直到放罐。
17.补料分批发酵：指在发酵过程中一次或多次补入含有一种或多种营养成分的新鲜料液，以达到延长发酵周期，提高产量的目的。
18.连续发酵：指在特定的发酵设备中进行的，一边连续不断地输入新鲜无菌料液，同时一边连续不断地放出发酵料液。
沼气发酵过程用控制条件的常用参数
沼气发酵过程用控制条件的常用参数沼气发酵是一种将有机废弃物通过微生物代谢转化为沼气的生物过程。
控制条件是指在沼气发酵过程中，通过调节一系列参数来优化产气效果。
以下是沼气发酵过程中常用的控制条件参数：1.温度：沼气发酵需要适宜的温度条件。
通常，沼气发酵的最适温度范围在25℃-40℃之间。
过低的温度会影响微生物活性，减少产气量，而过高的温度则会导致微生物死亡，影响发酵效果。
2.pH值：沼气发酵过程中的pH值也是一个重要的控制条件。
沼气发酵的最适pH范围在6-8之间。
酸性环境会抑制产气细菌的生长，碱性环境则会抑制甲烷菌的活性，因此需要保持适当的pH值来促进产气过程。
3.颗粒度：废弃物的颗粒度对沼气发酵过程也有影响。
碎颗粒化的废弃物表面积更大，微生物更容易附着并进行生化反应，利于产生沼气。
因此废弃物的颗粒度应控制在一定范围内。
4.助发酵剂：在沼气发酵过程中添加助发酵剂可以提高产气效果。
常用的助发酵剂有菌种、复合微生物菌剂、活性填料等。
这些助发酵剂可以增加沼气菌群，优化发酵环境，促进废弃物的降解和产气过程。
5.溶解氧：沼气发酵过程应保持适当的溶解氧水平。
过高的溶解氧会抑制产气细菌的生长，而适量的溶解氧有助于微生物的呼吸代谢，促进产气过程。
6.厌氧反应器类型：沼气发酵过程中使用的厌氧反应器类型也是一个重要的控制条件。
常见的厌氧反应器有连续搅拌反应器（CSTR）、上升式流化床反应器（UASB）、固定床反应器等。
不同类型的反应器在废弃物降解效率、产气速率等方面具有差异。
7.饲料比：沼气发酵过程中的饲料比也是一个重要的控制条件。
饲料比是指废弃物与水的比例。
适当的饲料比可以提供碳源和营养物质，促进微生物的生长和产气过程。
8.负荷：沼气发酵过程中的负荷也需要进行适当的控制。
负荷是指单位时间内进入反应器的废弃物量。
过高的负荷会导致反应器漂浮或堵塞，影响发酵效果，而过低的负荷则会导致反应器闲置浪费，影响产气效果。
总之，通过控制温度、pH值、颗粒度、助发酵剂、溶解氧、厌氧反应器类型、饲料比和负荷等参数，可以优化沼气发酵过程，提高产气效果，实现高效能源回收和废弃物处理的目标。
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溶解氧对发酵的影响及其控制
1 溶解氧对发酵的影响
溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。
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。
1.1 溶氧量在发酵的各个过程中对微生物的生长的影响是不同的
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。
1.2 溶氧对发酵产物的影响
对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营养因素，又是环境因素。
特别是对于具有一定氧化还原性质的代谢产物的生产来说，DO的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。
在黄原胶发酵中，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长速率影响不大,但是对菌体浓度达到最大之后的菌体的稳定期的长短及产品质量却有着明显的影响。
需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。
谷氨酸发酵中，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。
DO值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发酵环境甚至使目标产物发生偏离。
研究表明，L-异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中的代谢流分布,从而改变Ile等氨基酸合成的代谢流量。
2 溶氧量的控制
对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。
在微生物发酵过程中,溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂,受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约。
从氧的传递速率方程也可看出，对DO值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。
2.1 控制溶氧量(C*-CL)是氧溶解的推动力，控制溶氧量首要因素是控制氧分压（C*）。
高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。
如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8～10PPM；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2PPM。
2.2控制氧传递速率氧传递速率主要考虑KLa的影响因素。
从一定意义上讲，KLa愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。
控制KLa的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的
结构3个部分。
操作变量包括温度、压力、通风量和转速(搅拌功率)等；发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。
当然有些因素是相互关联的。
3适当溶解氧的选择
在好氧微生物反应中，一般取 [DO]＞[DO]cri以保证反应的正常进行。
临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。
3.1 合适溶解氧选择的原则如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），则应达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应根据生产的目的不同，使溶解氧控制在最适浓度（不同的满足度）例如：黄色短杆菌可生产多种氨基酸，但要求的氧浓度可能不同，但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在低于临界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的 0.55、0.66、0.85。
3.2 供氧方面 1）增加空气中氧的含量，使氧分压增加，2）进行富氧通气，3）提高罐压，4）增加搅拌速度。
3.3 需氧方面 1）调整养料的浓度，2）调节控制温度：溶氧浓度必须与其它参数配合此外，氧饱和度还会受到温度、罐压、发酵液性质的影响。
发酵过程的需氧受到菌体浓度、营养基质的种类浓度、培养条件等因素的影响。
保持最佳的菌体浓度，最适菌体浓度的控制可以通过营养基质浓度来控制。
还可以控制补料速度、调节发酵温度、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂
等来控制。
4 结束语
发酵液中的氧含量对菌体生长和产物形成都有着重要的影响，溶氧量的控制主要从氧的溶解和传递两个方面考虑。
随着计算机和自动化技术的发展，发酵工业中从DO的测量到分析控制都正逐步走向自动及控制一体化模式，研究利用DO作为补料的在线控制信号将大大提高了发酵调控的准确性和自动化性能。