溶氧对发酵的影响及控制
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）
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：
发酵液体积氧的浓度
微生物对氧的需求
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： 头孢菌素 卷须霉素 5% (相对于饱和浓度） 13% >13% >8%
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
第二节 反应器中氧的传递
气膜 液膜
P 一、发酵液中氧的传递方程
Ci Pi
N kg ( P P i ) kl (ci c)
N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h
反应器中氧的传递
二、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中 传递： Nv Kl a(c * c) 消耗： r= QO2 .X
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
反应器中氧的传递
三、供氧的调节
Nv Kl a(c * c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa 和C*来调节 其中 C*＝P*H
氧的供需及对发酵的影响
微生物对氧的需求
发酵液中氧的供给
影响KLa的因素（供氧的调节）
与溶氧相关的参数测定
发酵过程中溶氧监控的意义
微生物对氧的需求
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量 的细胞所消耗的氧气，mmol O2· g-1(干菌体)· h-1
摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。 mmol O2· L-1· h-1。 r= QO2 .X
浅述氧化在啤酒生产过程中的影响和控制
啤酒中过高氧的含量易使啤酒氧化，影响啤酒的爽快、醇厚性，且使啤酒的后苦味增强，使啤酒风味变差，饮用时有明显的氧化味（老化味）。
过高氧含量的啤酒，放置时间越长，越容易产生老化味，啤酒也容易失光和浑浊。
除了在主酵期氧有利于酵母增殖、促进新陈代谢以外，在其它过程中任何的氧和氧化反应都会对啤酒质量产生危害。
因此，需要采取一定的措施，控制啤酒生产过程中的氧，使成品啤酒中氧含量降最低，防止其危害啤酒的质量。
１氧对啤酒生产及质量的影响１．１麦汁中溶解氧对发酵的影响麦汁中溶解氧含量会影响发酵过程中酵母的增殖速度和增殖量。
影响发酵速率，影响ＶＤＫ前驱物质１一乙酰乳酸的生成量和氧化速度，影响高级醇、挥发酯等代谢产物的生成量，最终影响到啤酒的风味。
１．２促进啤酒胶体浑浊麦汁和啤酒中含有的多肽和疏基氨基酸蛋白质，在氧存在的条件下，氧化形’成双疏键，从而促进了蛋白质和多酚聚合，形成浑浊物质。
１．３促使麦汁和啤酒的色泽加深糖化、过滤和煮沸过程中，氧的存在造成了溶液中多酚物质的氧化，使麦汁色泽加深，最终影响到成品的色泽。
１．４破坏酒花香味和苦味酒花精油是啤酒重要的香气物质，在煮沸时接触到氧，容易氧化形成脂肪臭。
酒花中的苦味物质在煮沸时，接触到氧，易被氧化成＾ｙ’破树脂，给啤酒带来不愉快的后苦味。
成品啤酒中氧的存在同样也会使酒花香气物质和苦味物质氧化，给啤酒带来脂肪臭和不愉快的后苦味。
１．５使ＶＤＫ回升成品啤酒中存在一定量的ＶＤＫ前驱物质叫一乙酰乳酸，在氧存在的条件下，其经氧化收稿Ｅｌ期：２００９—０１—０６·２５·叶利安庆天拄啤酒有限责任公司２４６００５脱羧反应形成ＶＤＫ，影响啤酒风味。
１．６产生老化昧成品啤酒中含有醇类、酯类、醛类、酮类、挥发酸、酚类及含硫化合物等风味物质。
这些风味物质在氧存在的条件下，大部分易发生氧化，生成氧化物，改变了风味物质性质和呈味性能，产生了老化昧，以致啤酒风味变差，风味稳定性遭到破坏。
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。
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。
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。
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溶氧对发酵的影响及控制
作者：张智， 滕婷婷， 王淼
作者单位：中国矿业大学化工学院生物工程系
刊名：
科学咨询
英文刊名：SCIENTIFIC CONSULT
年，卷(期)：2008(21)
被引用次数：1次
1.杨宁;王健基于途径分析的L-异亮氨酸发酵溶氧控制研究[期刊论文]-中国生物工程杂志 2007(02)
2.郜培;陆静波溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响 2005(31)
3.林剑;郑舒丈;徐世艾搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响[期刊论文]-中国食品添加剂 2003(02)
4.卫功元;王大慧;陈坚不同溶氧控制方式下的谷肤甘肤分批发酵过程分析[期刊论文]-化工学报 2007(09)
5.Zhang Ping;Yuan Mingzhe;Wang Hong Study on Dissolved Oxygen Control Method Based on International Evaluation Benchmark 2007(02)
6.何向飞;张梁;石贵阳利用溶氧控制策略进行高密度和高强度乙醇发酵的初步研究[期刊论文]-食品与发酵工业2008(01)
7.李仁建氧对啤酒的影响与减少氧化的措施[期刊论文]-啤酒科技 2004(03)
8.Xiao J;ShiZH P;GaoP On-line optimization of glutamate production based on balanced metabolic control[外文期刊] 2006
9.赵东峰;梁春艳;任翔溶氧对生物转化泰乐菌素为其酰化物的影响[期刊论文]-中国医药工业杂志 2006(03)
1.万荣娥.王启明.张喜团.熊善柏产S-腺苷甲硫氨酸菌株的筛选及发酵工艺优化[期刊论文]-华中农业大学学报2011(1)
本文链接：/Periodical_kxzx200821061.aspx。