实验四 发酵罐溶氧速率测定实验
实验四发酵罐溶氧速率测定实验
一、实验目的
了解机械搅拌通风式发酵罐的搅拌功率、搅拌转速及通风量三者之间的关系及其对溶氧速率的影响。
学习测量液体中溶解氧的方法。
二、实验任务
1、测定不同风量、不同转速下的溶氧速率及功率消耗
2、研究风量、转速及功率消耗对溶氧速率的影响
三、实验装置
本实验装置的主要组成部分是一台小型机械搅拌通风式反应器（发酵罐），总容积5 L，装有两档六弯叶涡轮搅拌器。
搅拌器可无级变速，这是通过调压变压器改变输入搅拌电机的电压实现的，其实际转速由转速数字显示仪配合光电转速传感器测量和显示，所消耗功率由电流表和电压表显示。
四、实验原理及方法
好气性微生物在深层液体中培养是利用溶解状态的氧，所以反应器的溶氧速率是标志该反应器性能的一个重要参数。
通常，在恒定搅拌转速时，风量增大，溶氧速率应增大，风量一定时，搅拌转速的改变能改变气泡的分散度，亦即改变气-液两相接触界面和接触时间，液体中含气量的变化会引起液体密度的变化，从而使搅拌功率发生变化。
本实验是测取常压状态下，不同风量、不同转速时的溶氧速率及其功率消耗，具体步骤如下：
1、向反应器内注入3.5L自来水，在慢速搅拌下加入1.07g硫酸铜作催化剂，加入0.4g无水亚硫酸钠以除去水中的氧。
2、当溶氧值降至0％时，通入空气，保持低通风量一段时间，以确保无水亚硫酸钠反应完全。
在溶氧值升至12%左右，调准所要求的风量及搅拌转速、记录此时的搅拌功率。
3、液体中溶氧值开始升高后，用秒表记录溶氧值升至20％、30％、40％、50％、60％所需要的时间。
4、当溶氧值大于60％后，停止通风，搅拌器维持低速搅拌，重新加入0.4g 无
水亚硫酸钠去氧，然后重复2、3步骤，测取另一组数据。
五、实验结果(由溶氧浓度12％开始计时)
1、搅拌转速为100r/min时，其电流恒为0.13A，电压为15V，其他各项数据为：表一：
2、搅拌转速为150r/min时，其电流恒为0.13A，电压为20V，其他各项数据为：表二：
3、搅拌转速为200r/min时，其电流恒为0.13A，电压为25V，其他各项数据为：表三：
六、数据整理及分析
由于机器原因，在溶氧率的测定时，数字会产生跳动，以致在第2，第3组数据的20%和60%的测定时刻产生误差，甚至漏测，所以选择了30%——50%的数据，较为准确。
氧饱和时间 = 时刻(50%) —时刻(30%)
已知发酵罐的电流不变，以调节电压改变转速，所以由以上数据得出下表四：表四
本实验的测取是在常压状态下，而在标准大气压下20℃时氧在纯水中的饱和溶解度是9.02 mg/L，因此根据氧溶解度从30％上升到50％时候的氧的溶解量可计算出功率转速风量各因素与溶氧的关系(表五)。
表五：功率转速风量与溶氧的关系
七结果讨论
1 作出功率、转速、风量与溶氧速度的关系曲线图，并分析讨论各参数对溶氧速率的影响，在本实验条件下，哪个因素对溶氧速率的影响较为显著。
答：
以下三图为功率、转速、风量与溶氧速度的关系曲线图：
从上图可以得出：总体上，溶氧速率与转速成正比，随着转速的增加溶氧速率增大。
从上图可以得出：溶氧速率与功率成正比，虽然溶氧速率中间有所降低，但总体上随着功率的增加溶氧速率增大。
从上图可以得出：在同一转速下，溶氧速率与通风量成正比，随着通风量的增加溶氧速率增大，且增大的幅度较为明显。
因此，通过对以上三图的比较可以得出：在本实验条件下，通风量对溶氧速率的影响较为显著。
2 若试验介质不用水，而是实际生产中的发酵液。
在相同的操作条件下，你认为溶氧速率如何变化？为什么？
答：实际生产中溶氧速率将降低。
因为在发酵液中，微生物的大量繁殖以及利用培养基生成的产物，会引起培养液的物理性质的改变，特别是黏度等，从而影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传递效率。
也因为发酵液的黏度明显比水要大得多，相同的功率得到的转速没有水中的大，也降低了溶氧速率。
发酵过程中溶氧的测量、调节和控制
宋涛 3110520037
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在 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。
溶解氧的测量
亚硫酸盐氧化法 仅能测定发酵设备的通风供氧情况
取样极谱法 发酵液取出罐外，条件失真
排气法 非发酵状态的测定
复膜氧电极法： 实时、在线跟踪检测
• 从供氧方面控制
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C* （2）降低发酵液中的CL 2、影响KLa的因素及控制措施 （1）搅拌 （2）空气流速 （3）发酵液的理化性质 （4）氧载体
• 从耗氧方面控制
以上有不当之处，请大家给与批评指正， 谢谢大家！
7
影响需氧的因素
r= QO因素
➢ 菌龄 ➢ 营养的成分与浓度 ➢ 有害物质的积累 ➢ 培养条件
发酵液溶解氧浓度的控制
• 微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的 氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的 氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式 表示： OTR = KLa∙(C*-CL)
(20161220)小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定
华南农业大学综合实验报告实验项目名称：小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定实验项目性质：综合性实验所属课程名称：食品与发酵工艺原理实验学院：食品学院班级：2014级食品质量与安全2班姓名与学号：2014305202 签名_________________2014305202 签名_________________2014305202 签名_________________2014305202 签名_________________2014305202 签名_________________2014305202 签名_________________指导老师：叶志伟2016年12月日摘要：发酵罐是进行生物发酵的专用设备，通过加入培养底物和菌种，调节发酵过程中的各种参数，使菌种能够快速生长，得到发酵产物。
发酵罐配备控制系统，对发酵过程中的各种参数进行记录以及反馈调节控制。
大肠杆菌是遗传工程研究过程中常用的受体菌。
本实验通过对大肠杆菌进行斜面接种，液体逐级扩大培养和小型发酵罐培养，在发酵过程中通过测定发酵液在A600吸光度得出其菌体浓度，通过离心后得到的澄清液测定发酵液中的还原糖含量，从而得知发酵过程中最大比生长速率和以消耗葡糖糖为基准的平均细胞得率系数。
关键词：大肠杆菌小型发酵罐培养最大比生长速率平均细胞得率系数前言发酵罐是进行液体发酵的专用设备，实验室通常使用小型发酵罐。
发酵罐配备控制系统，主要是对发酵过程中的各种参数如温度、pH、溶解氧、搅拌速度、空气流量、补料、泡沫水平等进行设定、显示、记录以及对这些参数进行反馈调节控制。
大肠杆菌是遗传工程研究过程中常用的受体菌。
通过控制合适的培养条件，可使大肠杆菌迅速持续地生长，获得所要求的高产培养物。
先对大肠杆菌进行斜面接种，然后进行一级培养和二级培养，最后将大肠杆菌及培养基一同放置到发酵罐中，控制发酵参数进行发酵，并且每小时取一次样进行还原糖和菌体浓度的记录，最终得出大肠杆菌的生长繁殖趋势，最大比生长速率，菌体浓度和时间的关系等生长参数。
发酵过程中溶氧的测量、调节和控制
影响需氧的因素
r= Q
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
发酵液溶解氧浓度的控制
• 微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的 氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的 氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式 表示： OTR = KLa∙(C*-CL)
• 从供氧方面控制
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C* （2）降低发酵液中的CL 2、影响KLa的因素及控制措施 （1）搅拌 （2）空气流速 （3）发酵液的理化性质 （4）氧载体
• 从耗氧方面控制
发酵过程中溶氧的测 量、调节和控制
宋涛 3110520037
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发 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。
溶解氧的测量
亚硫酸盐氧化法 仅能测定发酵设备的通风供氧情况 取样极谱法 发酵液取出罐外，条件失真 排气法
非发酵状态的测定
复膜氧电极法： 实时、在线跟踪检测
小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定..
*******大学综合性实验报告实验名称：小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定实验性质：综合性实验所属课程名称：发酵工程工艺原理班级：学号：姓名：实验指导教师：小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定摘要：为研究小型发酵罐分批培养过程中大肠杆菌的菌体生长状况，本实验以分批培养法培养大肠杆菌，通过控制发酵过程的温度、溶氧、搅拌速度、空气流量、泡沫水平等参数，并每小时取样测OD值和还原糖量，制作菌体生长曲线，以此判断大肠杆菌的生长发酵状况。
从而达到了解小型发酵罐的基本结构，学习和掌握发酵罐的使用及在实验室内大规模培养微生物细胞的方法的实验目的。
实验结果表明，关键词：小型发酵罐、发酵、大肠杆菌、菌体生长曲线前言：大肠杆菌是遗传工程研究过程中常用的受体菌。
具有遗传背景清楚、载体受体系统完备、生长迅速、培养简单、重组子稳定等优点。
为满足各项技术的研究要求，需要通过控制合适的培养条件，使大肠杆菌迅速持续地生长，获得高产培养物。
本实验使用小型发酵罐对大肠杆菌进行分批培养。
发酵罐配备控制系统，能对发酵过程中的各种参数如温度、pH、溶解氧、搅拌速度、空气流量、补料、泡沫水平等进行设定、显示、记录以及对这些参数进行反馈调节控制。
所测定的大肠杆菌在发酵过程中的各项生化指标，可提供反映环境变化和细胞生长的许多重要信息，作为研究和控制发酵过程的基础。
一、材料与方法（一）实验材料1．菌种大肠杆菌（E.coli）2．培养基种子培养基：葡萄糖1.0g，蛋白胨1.0g，酵母膏0.5g，牛肉膏1.0g，氯化钠0.5g，水100mL，pH7.0。
发酵培养基：葡萄糖20g，蛋白胨10g，酵母膏5g，牛肉膏10g，氯化钠5g，氯化铵5g，水1000mL，pH7.0。
3．仪器设备BIOTECH-7BGZ发酵罐1套（配套蠕动泵、pH电极、溶氧(DO)电极、空压机及所有连接管）、分光光度计、旋转式摇床、离心机、烘箱等。
4．试剂泡敌、斐林试剂、0.1%标准葡萄糖溶液、40%氢氧化钠等。
溶氧系数测定
结果整理表
反应液组成 0.5M Na2SO3水溶液，另加10-3 M的CuSO4
实验基本条件
两次取样时间间隔t(s） 两次滴定Na2S2O3体积差 Δ V（mL) Na2S2O3溶液浓度（mol/L) 体积溶氧速率 Nα(kmol/m3•h) 体积溶氧系数KLα（1/h)
反应液体积： L 通风量： L/min
3.计算 M=1000W/(E•V)=20.40W/V M：Na2S2O3溶液的摩尔浓度(mol/L)
V:滴定时所用Na2S2O3溶液的体积 W： K2Cr2O7 基准物重量(g) E： K2Cr2O7 的克当量，E=49.03
M：Na2S2O3浓度，
t：两次取样时间间隔， V0：取样分析液体积。 将上述Nα值代入公式
kLa Na C C
*
即可计算出kL α
由于溶液中SO3-2在Cu2+催化下瞬即把溶解氧还原掉，所以在搅拌作用充分 的条件下整个实验过程中溶液中的溶氧浓度C=0。 在0.1Mpa(1atm)下，25º C时空气中氧的分压为0.021MPa，根据亨利定律， 可计算出C*=0.24mmol/L，但由于亚硫酸盐的存在，C*的实际值低于 0.24mmol/L，因此一般规定C*=0.21mmol/L。所以kL α =Na/（0.21×10-3）
2.标定
准确称取K2Cr2O7 基准物约0.15g左右于
250mL碘量瓶中，加水25mL,使之溶解后，加固 体KI 2g，及6N HCL 5mL，立即盖好瓶塞，摇匀 后水封。在暗处放置5分钟后，拔掉瓶塞，使瓶口 水入瓶内，加水50mL，并用洗瓶吹洗碘量瓶内 壁，用Na2S2O3溶液滴定至溶液呈浅黄色（或黄 绿色）。加入5mL0.2%淀粉指示剂，此时溶液呈 深蓝色，继续滴定至蓝色消失变为Cr3+的绿色为 止。
发酵罐的pH值和溶氧测量与控制系统
公两个人，一条鱼也足够我们吃了。盛情难却
发酵过程是微好氧过程，要求反应体系保持很低
的溶氧值；还有一些高好氧过程的氧消耗速率很 快，造成发酵液中的溶解氧浓度很低，这些过低
的溶氧值都可能是溶氧电极无法精确测量的正常与否。
1ck0f7c7f 发酵罐/
细胞生长都有最适 pH 值，因此需要对培养
介质的 pH 进行检测和控制。
pH 控制系统包括 pH 电极、酸及碱储罐、耐
酸或碱的管道和泵及相应的控制系统组成。根据 不同生物反应体系的实际需要，可以只加酸或加
公两个人，一条鱼也足够我们吃了。盛情难却
碱系统，也可以两者都具备。在流加培养时，通
过碳源或/和氮源的补料也能起到调节 pH 的作 用。
溶氧是好氧发酵体系最重要的参数之一。传
统的工业发酵罐只是简单地通过人工调节空气 流量来实现溶氧控制，可灭菌的溶氧电极改变了
公两个人，一条鱼也足够我们吃了。盛情难却
这种情况，使溶解氧浓度也可以实现在线检测和
控制，为及时了解发酵过程的进程及提高产物产 量创造了条件。有些先进的发酵罐还配备了发酵
罐尾气分析装置，可在线分析尾气中的氧及二氧
发酵罐溶氧速率测定实验
发酵罐溶氧速率测定实验一、实验目的了解机械搅拌通风式发酵罐的搅拌功率、搅拌转速及通风量三者之间的关系及其对溶氧速率的影响。
学习测量液体中溶解氧的方法。
二、实验任务1、测定不同风量、不同转速下的溶氧速率及功率消耗2、研究风量、转速及功率消耗对溶氧速率的影响三、实验装置本实验装置的主要组成部分是一台小型机械搅拌通风式反应器（发酵罐），总容积5L,装有两档六弯叶涡轮搅拌器。
搅拌器可无级变速，这是通过调压变压器改变输入搅拌电机的电压实现的，其实际转速由转速数字显示仪配合光电转速传感器测量和显示，所消耗功率由电流表和电压表显示。
四、实验原理及方法好气性微生物在深层液体中培养是利用溶解状态的氧，所以反应器的溶氧速率是标志该反应器性能的一个重要参数。
通常，在恒定搅拌转速时，风量增大，溶氧速率应增大，风量一定时，搅拌转速的改变能改变气泡的分散度，亦即改变气-液两相接触界面和接触时间，液体中含气量的变化会引起液体密度的变化，从而使搅拌功率发生变化。
本实验是测取常压状态下，不同风量、不同转速时的溶氧速率及其功率消耗, 具体步骤如下：1、向反应器注入3. 5L自来水，在慢速搅拌下加入1.07g硫酸铜作催化剂，加入0. 4g无水亚硫酸钠以除去水中的氧。
2、当溶氧值降至0%时，通入空气，保持低通风量一段时间，以确保无水亚硫酸钠反应完全。
在溶氧值升至12%左右，调准所要求的风量及搅拌转速、记录此时的搅拌功率。
3、液体中溶氧值开始升高后，用秒表记录溶氧值升至20%、30%、40%、50%、60%所需要的时间。
4、当溶氧值大于60%后，停止通风，搅拌器维持低速搅拌，重新加入0.4g无页脚.水亚硫酸钠去氧，然后重复次3步骤，测取另一组数据。
五、实验结果（由溶氧浓度12%开始计时）1、搅拌转速为100r/min 时，其电流恒为0. 13A,电压为15V,其他各项数据为:2、搅拌转速为150r/min 时，其电流恒为0. 13A,电压为20V,其他各项数据为: 表二3、搅拌转速为200r/min 时，其电流恒为0. 13A,电压为25*其他各项数据为:页脚.六、数据整理及分析由于机器原因，在溶氧率的测定时，数字会产生跳动，以致在第2,第3组数据的20%和60%的测定时刻产生误差，甚至漏测，所以选择了30%——50%的数据，较为准确。
最新发酵过程中溶氧的测量、调节和控制
菌体浓度
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
发酵液溶解氧浓度的控制
• 微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的 氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的 氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式 表示： OTR = KLa∙(C*-CL)
• 从供氧方面控制
发酵过程中溶氧的测量多方面的限制因素，而溶氧往往 是最易成为控制因素。
溶解氧的测量
亚硫酸盐氧化法 仅能测定发酵设备的通风供氧情况
取样极谱法 发酵液取出罐外，条件失真
排气法 非发酵状态的测定
复膜氧电极法： 实时、在线跟踪检测
影响需氧的因素
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C* （2）降低发酵液中的CL 2、影响KLa的因素及控制措施 （1）搅拌 （2）空气流速 （3）发酵液的理化性质 （4）氧载体
• 从耗氧方面控制
小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定
*******大学综合性实验报告实验名称：小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定实验性质：综合性实验所属课程名称：发酵工程工艺原理班级：学号：姓名：实验指导教师：小型发酵罐的使用与发酵过程中主要生化指标测定摘要：为研究小型发酵罐分批培养过程中大肠杆菌的菌体生长状况，本实验以分批培养法培养大肠杆菌，通过控制发酵过程的温度、溶氧、搅拌速度、空气流量、泡沫水平等参数，并每小时取样测OD值和还原糖量，制作菌体生长曲线，以此判断大肠杆菌的生长发酵状况。
从而达到了解小型发酵罐的基本结构，学习和掌握发酵罐的使用及在实验室内大规模培养微生物细胞的方法的实验目的。
实验结果表明，关键词：小型发酵罐、发酵、大肠杆菌、菌体生长曲线前言：大肠杆菌是遗传工程研究过程中常用的受体菌。
具有遗传背景清楚、载体受体系统完备、生长迅速、培养简单、重组子稳定等优点。
为满足各项技术的研究要求，需要通过控制合适的培养条件，使大肠杆菌迅速持续地生长，获得高产培养物。
本实验使用小型发酵罐对大肠杆菌进行分批培养。
发酵罐配备控制系统，能对发酵过程中的各种参数如温度、pH、溶解氧、搅拌速度、空气流量、补料、泡沫水平等进行设定、显示、记录以及对这些参数进行反馈调节控制。
所测定的大肠杆菌在发酵过程中的各项生化指标，可提供反映环境变化和细胞生长的许多重要信息，作为研究和控制发酵过程的基础。
一、材料与方法（一）实验材料1．菌种大肠杆菌（E.coli）2．培养基种子培养基：葡萄糖1.0g，蛋白胨1.0g，酵母膏0.5g，牛肉膏1.0g，氯化钠0.5g，水100mL，pH7.0。
发酵培养基：葡萄糖20g，蛋白胨10g，酵母膏5g，牛肉膏10g，氯化钠5g，氯化铵5g，水1000mL，pH7.0。
3．仪器设备BIOTECH-7BGZ发酵罐1套（配套蠕动泵、pH电极、溶氧(DO)电极、空压机及所有连接管）、分光光度计、旋转式摇床、离心机、烘箱等。
4．试剂泡敌、斐林试剂、0.1%标准葡萄糖溶液、40%氢氧化钠等。
溶解氧、摄氧率和KLa的测定概述
3. KLα的测定
KLα的测定方法有很多种，通常有亚硫酸盐氧 化法、取样极谱法、动态法、复膜电极法等 。
a. 亚硫酸盐氧化法
b. 动态法
亚硫酸盐氧化法
• 原理
–利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被 氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递 系数。
–当亚硫酸钠浓度为0.018～0.5kmol/m3、温度 在20～45℃之间，反应速度与亚硫酸钠浓度 无关。
生长有影响，且发酵液的性质影响氧的传递。
动态法
停气和通气后培养液中溶氧浓度的变化情况
利用动态过程测得的数据求出KLa和C*
–氧用传碘递量速法率测O定TRN,a2再SO由3 消式耗OT的R=速KLa率C*，求即出可K求La得。 2Na2SO3+O2→2Na2SO4
亚硫酸盐氧化法
• 优点
–氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速 度快，不需特殊仪器。
• 缺点
–不及极谱法准确； –只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在
4-80L以内才较准确可靠； –不能对发酵过程实测，∵Na2SO3对微生物
(3)复膜氧电极法
复膜氧质溶液装入一个壳体，用能透过氧分子的塑料薄 膜封闭起来，就构成了复膜氧电极。复膜氧电极 可分为极谱型复膜氧电极和原电池型复膜氧电极。
2. 摄氧率的测定
• 通过测压计测定密闭 三角瓶的压力变化速 率即氧的消耗速率， 根据培养液体积计算 摄氧率。
溶解氧、摄氧率和KLa的测定
1.溶解氧的测定
测定溶解氧CL的方法有多种，如化学法、 极谱法、复膜氧电极法等。 （1）化学法
(2)极谱法
给浸没在待测样品液体中的贵金属阴极和参考电极(阳极)加上直流电压， 当电解电压固定在0.8V左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生如下氧 化还原反应。