最新发酵过程控制精品课件.ppt

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1、6.1 概述概述6.1.1 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测 （2） 罐压罐压 指发酵罐维持的压力。指发酵罐维持的压力。 罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。侵入，保证纯种培养。 罐压的高低与氧，罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。有关，间接影响菌体代谢。 罐压一般维持在罐压一般维持在0.020.05MPa。（3 3）搅拌转速）搅拌转速是指搅拌器在发酵是指搅拌器在发酵罐中转动速度。罐中转动速度。搅拌转速大小与发搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递在发酵液中的传递

2、速率有关。速率有关。发酵罐的容发酵罐的容积积(L)(L)搅拌转速范围搅拌转速范围(r/min)(r/min)3200200010200120030150100050100800200504005005030010000252005000025160（4 4） 搅拌功率搅拌功率指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（方米发酵液所消耗的功率（kW/mkW/m3 3）。）。它的大小与溶氧传递系数它的大小与溶氧传递系数K KLaLa有关。有关。（5） 空气流量空气流量 指单位时间内单位体积发酵液通入空气的指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。

3、体积。 它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。 一般控制在一般控制在0.11.0vvm之间之间（6） 黏度黏度 粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。志之一。 在发酵过程中通常用表观粘度表示。在发酵过程中通常用表观粘度表示。 粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可改变氧传递的阻力。 粘度的大小可表示相对菌体浓度。粘度的大小可表示相对菌体浓度。2、 化学参数化学参数（1 1）pHpH发酵过程中各种产酸、产碱生化反发酵过程中各种产酸、产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的

4、关系合成有重要的关系 。pHpH的高低与菌体生长和产物合成有的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。着重要的关系。（2）基质浓度）基质浓度指发酵液中糖、氮、磷与重要营养物质指发酵液中糖、氮、磷与重要营养物质的浓度。的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。产量的重要控制手段。（3） DO浓度浓度氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。物的基质。利用利用

5、DODO浓度的变化，可以了解微生物对氧浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。重要的控制参数。 3 、生物参数、生物参数 （1 1） （2） 产物浓度产物浓度 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。 温度对发酵的影响温度对发酵的影响 。 温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长，产物形成，发酵液主要表现在对细胞生长，产物形成，发酵液的物理性质和生物合成等

6、方面。的物理性质和生物合成等方面。 1. 温度对微生物细胞生长的影响温度对微生物细胞生长的影响 随着温度的上升，细胞的生长繁殖加随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶促快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶促反应，根据酶促反应动力学来看，在达到反应，根据酶促反应动力学来看，在达到最适温度之前，温度升高，反应速度加快，最适温度之前，温度升高，反应速度加快，呼吸强度加强，必然导致细胞生长繁殖加呼吸强度加强，必然导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升酶失活的速度也越快。但随着温度的上升酶失活的速度也越快，菌体衰老提前，发酵周期缩短，这时快，菌体衰老提前，发酵周期缩短，这时发酵

7、生产是极为不利的。发酵生产是极为不利的。 2. 温度对产物形成的影响温度对产物形成的影响 有人考察了不同温度（有人考察了不同温度（1335）对青霉素的生长速率、呼吸强度和青霉素对青霉素的生长速率、呼吸强度和青霉素合成的速率的影响，结果是温度对这三种合成的速率的影响，结果是温度对这三种代谢的影响是不同的。青霉素生长的活化代谢的影响是不同的。青霉素生长的活化能能34kJ/mol，呼吸的活化能，呼吸的活化能71kJ/mol，青，青霉素合成的活化能霉素合成的活化能112kJ/mol。从以上数据。从以上数据可见，青霉素合成速率对温度反应最为敏可见，青霉素合成速率对温度反应最为敏感，偏离最适温度引起的生产

8、率下降比其感，偏离最适温度引起的生产率下降比其他两个参数的变化更为严重。他两个参数的变化更为严重。 3. 温度影响发酵液的物理性质温度影响发酵液的物理性质 温度对发酵液的物理性质产生影响，温度对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的黏度，基质和氧在发酵液中的如发酵液的黏度，基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率，某些基质的分解和吸溶解度和传递速率，某些基质的分解和吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特征和产物的生物合成。响发酵动力学特征和产物的生物合成。 4. 温度影响生物合成的方向温度影响生物合成的方向 例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝例如，

9、在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在低于菌能同时产生四环素和金霉素，在低于30时，它合成金霉素的能力较强。随着时，它合成金霉素的能力较强。随着温度的提高，合成四环素的比例提高。当温度的提高，合成四环素的比例提高。当温度越过温度越过35时，金霉素的合成几乎停止，时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。只产生四环素。 据近期报道，温度还能影响微生物据近期报道，温度还能影响微生物的代谢调控机制，在氨基酸生物合成途的代谢调控机制，在氨基酸生物合成途径中的终产物对第一个合成的酶的反馈径中的终产物对第一个合成的酶的反馈抑制作用，在抑制作用，在20低温时就比在正常生低温时就比在正常生

10、长温度长温度37时控制更严格。时控制更严格。 6.2.2 影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素 发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。 发酵过程中，随着微生物对营养物质发酵过程中，随着微生物对营养物质的利用，以及机械搅拌的利用，将产生一的利用，以及机械搅拌的利用，将产生一定的热能。同时因为罐壁散热、水分蒸发定的热能。同时因为罐壁散热、水分蒸发等也会带走部分的热量。所谓发酵热即发等也会带走部分的热量。所谓发酵热即发酵过程中释放出来的净热量，它是由产热酵过程中释放出来的净热量，它是由产热因素和散热因素两方面决定的。因素和散热因素两方面决定的。 Q发酵发酵Q

11、生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q显显Q辐射辐射 1. 生物热（生物热（Q生物生物） 生产菌在生长繁殖过程中产生的热能，生产菌在生长繁殖过程中产生的热能，叫做生物热。这种热的来源主要是培养基叫做生物热。这种热的来源主要是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物中的碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成分解成CO2水和其他物质时释放出来的。水和其他物质时释放出来的。其中部分能量被产生菌利用来合成高能化其中部分能量被产生菌利用来合成高能化合物，供产生菌代谢活动和合成代谢产物，合物，供产生菌代谢活动和合成代谢产物，其余部分则以热的形式散发到周围环境中其余部分则以热的形式散发到周围环境中去引起温度变化。

12、去引起温度变化。 发酵过程中生物热的产生具有强烈的时发酵过程中生物热的产生具有强烈的时间性，即在不同的培养阶段，菌体的呼吸作间性，即在不同的培养阶段，菌体的呼吸作用和发酵作用强度不同，所产生的热量不同。用和发酵作用强度不同，所产生的热量不同。在在发酵初期发酵初期，菌体处在适应期，菌数少，呼，菌体处在适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生的热量较少。当菌体处在吸作用缓慢，产生的热量较少。当菌体处在对数生长期对数生长期时，呼吸作用激烈，且菌体也较时，呼吸作用激烈，且菌体也较多，产生的热量多，温度升高快，此时，生多，产生的热量多，温度升高快，此时，生产上必然要控制温度。产上必然要控制温度。发酵后期发酵后

13、期，菌体已基，菌体已基本上停止繁殖，逐步衰老，主要靠菌体内的本上停止繁殖，逐步衰老，主要靠菌体内的酶进行发酵作用，产生的热量不高，温度变酶进行发酵作用，产生的热量不高，温度变化不大，且逐渐减弱。化不大，且逐渐减弱。 并且生物热也随着培养基成分的不同并且生物热也随着培养基成分的不同而变化。在相同条件下，培养基成分越丰而变化。在相同条件下，培养基成分越丰富，营养物质被利用的速度越快，产生的富，营养物质被利用的速度越快，产生的生物热就越大。生物热就越大。 2. 搅拌热（搅拌热（Q搅拌）搅拌） 搅拌器转动引起的液体之间和液体搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌与设备之间的

14、摩擦所产生的热量，即搅拌热。热。 Q搅拌搅拌=3600（P/V） 3600：热功当量（：热功当量（kJ/（kW.h） （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（消耗的功率（ kW/m3） 3. 蒸发热（蒸发热（Q蒸发）蒸发） 空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，排出时引起水分蒸发所需的热能，即为蒸排出时引起水分蒸发所需的热能，即为蒸发热。水的蒸发热和废气因温度差异所带发热。水的蒸发热和废气因温度差异所带走的部分显热（走的部分显热（Q显）一起都散失到外界。显）一起都散失到外界。由于进入的空气温度和湿度是随外界的气由于进入的空气

15、温度和湿度是随外界的气候和控制条件而变，所以候和控制条件而变，所以Q蒸发和蒸发和Q显是变显是变化的。化的。 4. 辐射热（辐射热（Q辐射）辐射） 由于发酵罐内外的温度不同，发酵液由于发酵罐内外的温度不同，发酵液中有部分热通过主罐体向外辐射，这种热中有部分热通过主罐体向外辐射，这种热能称为辐射热（能称为辐射热（Q辐射）。辐射热的大小辐射）。辐射热的大小取决于罐内外的温度差，受环境变化的影取决于罐内外的温度差，受环境变化的影响，冬天影响大些，夏季影响小些。响，冬天影响大些，夏季影响小些。 由于由于Q生物、生物、Q蒸发、蒸发、 Q辐射和辐射和Q显，显，特别是特别是Q生物在发酵过程中是随时间变化的，生

16、物在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。为了使发酵化，引起发酵温度发生波动。为了使发酵能在一定温度下进行，故要设法进行温度能在一定温度下进行，故要设法进行温度控制。控制。6.2.3 最适温度的选择与发酵温度的控制最适温度的选择与发酵温度的控制 一、一、 最适温度的选择最适温度的选择 最适发酵温度是既适合菌体生长又适合最适发酵温度是既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度。但这两者往往是不一代谢产物合成的温度。但这两者往往是不一致的，如在谷氨酸发酵中，产生菌的最适生致的，如在谷氨酸发酵中，产生菌的最适生长温度为

17、长温度为3034，产生谷氨酸的温度为，产生谷氨酸的温度为3637。 二、二、 温度的控制温度的控制 工业上使用大罐的发酵，一般不需工业上使用大罐的发酵，一般不需加热，需要冷却的情况较多。将冷却水加热，需要冷却的情况较多。将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇管中，以保持恒通入发酵罐的夹层或蛇管中，以保持恒温发酵。如果气温较高，冷却水温度又温发酵。如果气温较高，冷却水温度又高，致使冷却效果很差，就可采用冷冻高，致使冷却效果很差，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。在小型种子罐或发酵前期，散热温度。在小型种子罐或发酵前期，散热量常常会大于产生的发酵热，特别是

18、在量常常会大于产生的发酵热，特别是在气候寒冷的地区或冬季，则需通热水保气候寒冷的地区或冬季，则需通热水保温。温。6.3 pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制 发酵过程中的发酵过程中的pHpH值是微生物在一定环值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是重要的参境条件下代谢活动的综合指标，是重要的参数，对菌体的生长和产品的积累有很大影响。数，对菌体的生长和产品的积累有很大影响。因此，必须掌握发酵过程中因此，必须掌握发酵过程中pHpH的变化规律，的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在3434个个p

19、HpH单位的单位的pHpH范围范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使长速率和最佳产物形成，必须使pHpH在很窄的在很窄的范围内保持恒定。范围内保持恒定。 6.3.1 pHpH对发酵的影响对发酵的影响（1 1）影响酶的活性。当）影响酶的活性。当pHpH值抑制菌体某些值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻酶的活性时使菌的新陈代谢受阻（2 2）影响微生物细胞膜所带电荷的改变，）影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈物质的

20、吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行代谢的进行 （3 3）pHpH值影响培养基某些成分和中间代谢物值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用的解离，从而影响微生物对这些物质的利用 （4 4）影响代谢方向）影响代谢方向 pHpH不同，往往引起菌体代谢过程不同，不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。使代谢产物的质量和比例发生改变。 例如例如: : 黑曲霉在黑曲霉在pH23pH23时发酵产生柠檬酸，时发酵产生柠檬酸，在在pHpH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。 谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累

21、谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和氨酰胺和N-N-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺 pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。上升。若不及时补糖、若不及时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液或酸，发酵液pH可迅速升可迅速升到到8.0以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵慢，甚至停止。对照罐发酵66小时小时pH达达

22、7.93，以后维，以后维持在持在8.0以上至以上至115小时，菌丝浓度降低，小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，升高，发酵不再继续。发酵不再继续。发酵发酵15小时左右，小时左右，pH值可以从值可以从6.5左右下降到左右下降到5.3，调，调节这一段的节这一段的pH值至值至7.0左右，以后自控左右，以后自控pH，可提高发，可提高发酵单位。酵单位。 实例实例 6.3.2 影响影响pHpH变化的因素变化的因素1 1、基质代谢、基质代谢 （1 1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使成小分子酸、醇，使pHpH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pHpH上升，上升，是

23、补料的标志之一是补料的标志之一（2 2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH-NH2 2被利用后被利用后pHpH会下降；尿素被分解成会下降；尿素被分解成NHNH3 3，pHpH上升，上升，NHNH3 3利利用后用后pHpH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pHpH上升。上升。（3 3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pHpH会上升或下降会上升或下降2 2、产物形成、产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pHpH变化。如有机酸类产生使变化。如有机酸类产生使pHpH下降，红霉下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗

24、生素呈碱性，素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使使pHpH上升。上升。 3 3、菌体自溶，、菌体自溶，pHpH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pHpH上升。上升。 6.3.3 发酵发酵pH的确定的确定原则：有利于菌体生长和产物的合成。一原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。般根据实验结果确定。最适最适pHpH与菌株，培养基组成，发酵工艺有与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的同的pHpH范围。范围。1 1、最适、最适pHpH的选择的选择配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况的培养基，摇瓶考察

25、发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响 最适最适pH与微生物生长，产物形成之间与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：相互关系有四种类型：（1）菌体比生长速率）菌体比生长速率和产物比生产速率和产物比生产速率QP的最适的最适pH在一个相似的较宽的范围内在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；（比较容易控制）；（2）较宽，较宽， Qp范围较窄，或范围较窄，或较窄，较窄， Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；范围较宽（难控制，应严格控制）；（3）和和 Qp对对pH都很敏感，其最适都很敏感，其最适pH相同相同（应严格控制）；（应严格控制）；（4）更复杂，）更复杂，和和 Qp对

26、对pH都很敏感，并有都很敏感，并有各自的最适各自的最适pH（难度最大）；（难度最大）； 2 、pH的控制的控制 （1 1） 调节基础培养基的配方，如碳氮比调节基础培养基的配方，如碳氮比（C/NC/N）（2 2）添加缓冲剂，如）添加缓冲剂，如CaCOCaCO3 3 ，或具有缓冲能，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等力的试剂，如磷酸缓冲液等（3 3）补料控制，如补加碳源或氮源）补料控制，如补加碳源或氮源（4 4）直接加酸加碱）直接加酸加碱 在补料与调在补料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH，如：如：（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH（2

27、 2）当）当NHNH2 2-N-N低，低，pH低时补氨水；低时补氨水； 当当NHNH2 2-N-N低，低，pH高时补高时补(NH4 4)2 2SO4 4当补料与调当补料与调pHpH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH 6.4 溶氧对发酵的影响及其控制溶氧对发酵的影响及其控制 大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。葡萄糖的氧化可由下式表示：葡萄糖的氧化可由下式表示： C C6 6H H1212O O6 6 十十6O6O2 26H6H2 2O O十十6CO6CO2 2 只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用

28、。有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约60006000倍左右。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，倍左右。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。因此氧成为影响发酵效率的重要因素。6.4.1 微生物对氧的需求微生物对氧的需求 在在25、0.1MPa下，水中氧溶解度为下，水中氧溶解度为0.25mmol/L，而在发酵液中的氧溶解度为，而在发酵液中的氧溶解度为0.22mmol/L。 好氧发酵中，微生物对氧有一个最低需好氧发酵中，微生物对氧有一个最低需求，即临界溶氧浓度。求，即临界溶氧浓度。临界溶氧浓度临界溶氧浓度指满足指满足微生物呼吸的最低氧

29、浓度，约为微生物呼吸的最低氧浓度，约为0.0030.05 mmol/L 。 临界溶氧浓度以下，微生物的呼吸速率临界溶氧浓度以下，微生物的呼吸速率受溶氧浓度的限制，代谢活动受到阻碍。受溶氧浓度的限制，代谢活动受到阻碍。问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是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？不是发酵过程中氧很容易满足？例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计， 0.25/0.052=4.8秒秒一、氧在微生物发酵中的作用一、氧在微生物发酵中的作用（1）氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物）氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的

30、组分之一。的组分之一。（2）氧还可以作为中间体直接参与一些生物）氧还可以作为中间体直接参与一些生物合成反应。如乙醇在氧的作用下合成乙酸。合成反应。如乙醇在氧的作用下合成乙酸。 注意：注意：在好氧发酵中，溶解氧是重要的参数在好氧发酵中，溶解氧是重要的参数之一，但溶解氧并不是越大越好。之一，但溶解氧并不是越大越好。（1）溶氧的大小对菌体生长和产物合成都会）溶氧的大小对菌体生长和产物合成都会产生不同影响。如谷氨酸发酵、薛氏丙酸菌发产生不同影响。如谷氨酸发酵、薛氏丙酸菌发酵生产产维生素酵生产产维生素B12 。（2）需氧发酵并不是溶氧愈大愈好，适当高）需氧发酵并不是溶氧愈大愈好，适当高的溶氧水平有利于菌

31、体生成和产物合成，但溶的溶氧水平有利于菌体生成和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成氧太大有时反而抑制产物的形成 ，即溶氧有，即溶氧有一个最低限度外，还有一个最高限度。一个最低限度外，还有一个最高限度。 因此，要掌握临界溶氧浓度和最适溶氧浓因此，要掌握临界溶氧浓度和最适溶氧浓度，使发酵过程保持在最适溶氧浓度。度，使发酵过程保持在最适溶氧浓度。 最适溶氧浓度的高低与菌种和产物合成途最适溶氧浓度的高低与菌种和产物合成途径有关，这是由实验确定的。例如初级代谢径有关，这是由实验确定的。例如初级代谢产物氨基酸的发酵，根据发酵需氧要求不同，产物氨基酸的发酵，根据发酵需氧要求不同，可分为三类：可分为三

32、类： a. 供氧充足条件下产量最大；若供氧不足，供氧充足条件下产量最大；若供氧不足，合成强烈受抑制；合成强烈受抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下可得最高产量；若供氧受供氧充足条件下可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；限，产量受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c.仅供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得仅供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等另外：另外：

33、不同种类的微生物需氧量不同；不同种类的微生物需氧量不同； 同种微生物需氧量随菌龄和培养条件不同种微生物需氧量随菌龄和培养条件不同而不同；同而不同； 菌体生长和产物合成时的需氧量也不同菌体生长和产物合成时的需氧量也不同二、微生物的耗氧特征二、微生物的耗氧特征 微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动变微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动变化的影响，常有耗氧速率和呼吸强度两种方法化的影响，常有耗氧速率和呼吸强度两种方法表示。表示。耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的 耗氧量，以耗氧量，以r表示，也称摄氧率。表示，也称摄氧率。呼吸强度：指单位质量菌体在单位时间内的

34、呼吸强度：指单位质量菌体在单位时间内的 耗氧量，以耗氧量，以QO2表示。表示。 r = QO2X式中式中 ： X菌体浓度菌体浓度 由上式可知，微生物在发酵过程中的耗氧由上式可知，微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受菌龄、菌液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合影响。影响。三、影响微生物耗氧的因素三、影响微生物耗氧的因素1、分批发酵过程中细胞耗氧的一般规律，见、分批发酵过程中细胞耗氧的一般规律，见图。图。 以上是呼吸

35、强度和摄氧率变化的一般规律，以上是呼吸强度和摄氧率变化的一般规律，但这一规律受到以下因素的影响和限制。但这一规律受到以下因素的影响和限制。2、影响微生物耗氧的因素、影响微生物耗氧的因素（1）微生物本身遗传特征）微生物本身遗传特征 不同种类的微生物耗氧量不同；同种微不同种类的微生物耗氧量不同；同种微生物耗氧量随菌龄和培养条件不同而不同；生物耗氧量随菌龄和培养条件不同而不同；菌体生长和产物合成时的耗氧量也不同。菌体生长和产物合成时的耗氧量也不同。 一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大，但一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大，但发酵初期由于菌体浓度低，所以总耗氧量低；发酵初期由于菌体浓度低，所以总耗氧量低；老龄

36、菌的呼吸强度弱，但发酵中后期菌体浓老龄菌的呼吸强度弱，但发酵中后期菌体浓度大，所以耗氧量高。度大，所以耗氧量高。（2）培养基的成分和浓度）培养基的成分和浓度 培养基的成分尤其是碳源种类对细胞的耗培养基的成分尤其是碳源种类对细胞的耗氧量影响很大。耗氧速率由大到小为：油脂或氧量影响很大。耗氧速率由大到小为：油脂或烃类葡萄糖蔗糖乳糖。烃类葡萄糖蔗糖乳糖。 培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。浓度大细胞代谢旺盛，耗氧增加；浓度小，如浓度大细胞代谢旺盛，耗氧增加；浓度小，如碳源成为限制性基质时，呼吸强度下降，补料碳源成为限制性基质时，呼吸强度下降，补料后呼吸强度又上升

37、。后呼吸强度又上升。 若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也会受到限制。也会受到限制。（3）菌龄）菌龄 一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长慢，呼吸强度小。菌生长慢，呼吸强度小。（4）发酵条件）发酵条件 pH、温度通过对酶活性的影响而影响菌体、温度通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗氧，而且温度还影响发酵液中的溶氧细胞的耗氧，而且温度还影响发酵液中的溶氧浓度，温度升高溶氧浓度下降。一般在最适条浓度，温度升高溶氧浓度下降。一般在最适条件下发酵，耗氧量最大。件下发酵，耗氧量最大。（5）代谢类型）代谢类型 若产物是通过若产

38、物是通过TCA循环获得，则呼吸强度循环获得，则呼吸强度高耗氧量大；若产物是通过高耗氧量大；若产物是通过EMP途径获得，则途径获得，则呼吸强度低耗氧量小。呼吸强度低耗氧量小。四、控制溶氧的意义四、控制溶氧的意义 1. 溶氧浓度对细胞生长和产物合成的影响不溶氧浓度对细胞生长和产物合成的影响不同，及对于细胞生长的最适溶氧浓度并不一定同，及对于细胞生长的最适溶氧浓度并不一定是产物合成的最佳溶氧浓度，也就是发酵不同是产物合成的最佳溶氧浓度，也就是发酵不同阶段需要控制不同的溶氧浓度。阶段需要控制不同的溶氧浓度。 2. 由于空气中的氧在发酵液中的溶解度很低，由于空气中的氧在发酵液中的溶解度很低，所以发酵工业

39、中给发酵液通气时空气中氧的利所以发酵工业中给发酵液通气时空气中氧的利用率很低。大量经过净化处理的无菌空气在给用率很低。大量经过净化处理的无菌空气在给发酵液通气过程中因溶解少被浪费掉，因此必发酵液通气过程中因溶解少被浪费掉，因此必须设法提高传氧效率，从而大大降低空气消耗须设法提高传氧效率，从而大大降低空气消耗量，降低设备费用和动力消耗，提高设备利用量，降低设备费用和动力消耗，提高设备利用率，而且减少泡沫形成和染菌，率，而且减少泡沫形成和染菌，6.4.2 发酵过程中的溶氧变化发酵过程中的溶氧变化一一、发酵过程中溶氧浓度变化的一般规律发酵过程中溶氧浓度变化的一般规律发酵前期发酵前期：由于微生物大量繁

40、殖，需氧量不：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降显下降 发酵中期：发酵中期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等的影响，如补料的数量、时机和方式等 发酵后期：发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升会明显地上升 二、溶氧异常的原因二、溶氧异常的原因1、引起溶氧异常下降的可能原因、引起溶氧异常下降的可能原因（1）污染好气性杂菌，消耗大量溶氧，使溶氧）污染好

41、气性杂菌，消耗大量溶氧，使溶氧在短时间内下降到零附近在短时间内下降到零附近 （2）菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，）菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降使溶氧下降（3）某些设备或工艺控制发生故障或变化，也）某些设备或工艺控制发生故障或变化，也能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌转速变慢、消沫油因自动加油器失灵或人为加转速变慢、消沫油因自动加油器失灵或人为加量过多量过多 、停止搅拌、闷罐（关闭排气阀）等。、停止搅拌、闷罐（关闭排气阀）等。2、引起溶氧异常上升的可能原因：、引起溶氧异常上升的可能原因：（1）污染烈性噬菌体）污染烈性噬菌体 （

42、2）菌体代谢出现异常，耗氧能力下降）菌体代谢出现异常，耗氧能力下降 （3）补料时间和间隔不当）补料时间和间隔不当 根据发酵液中的溶解氧浓度的变化来判断根据发酵液中的溶解氧浓度的变化来判断微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足等问题，有助于查找发设备供氧能力是否充足等问题，有助于查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。酵不正常的原因和控制好发酵生产。 6.4.3 氧的传递途径氧的传递途径一、气体溶解过程中的双膜理论一、气体溶解过程中的双膜理论n在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一

43、侧存在着一层气膜，在面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的液体分子都处于层流状气体分子和液膜中的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，因此氧的分子只能态，分子间无对流运动，因此氧的分子只能以扩散方式，即借浓度差而透过双膜。以扩散方式，即借浓度差而透过双膜。 气泡内除开气膜以外的气体分子，处于对流气泡内除开气膜以外的气体分子，处于对流状态，称为气体主流，在空气主流空间的任状态，称为气体主流，在空气主流空间的任一点，氧分子的浓度相同，液体主流中也是一点，氧分子的浓度相同，液体主流中也是如此。如此。n在

44、双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系：液体中的氧的浓度处于平衡关系：Pi=HCin传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。氧的浓度不随时间而变。P-气体主体氧分压气体主体氧分压P-气液界面氧分压气液界面氧分压C -液体主体氧浓度液体主体氧浓度C-气液界面氧浓度气液界面氧浓度()()giliNkPPk ccN：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/h二、氧的传递途径与传质阻力二

45、、氧的传递途径与传质阻力 在需氧发酵中，对微生物的供氧过程首先在需氧发酵中，对微生物的供氧过程首先是气相中的氧溶解在发酵液中，然后传递到细是气相中的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。这一系列过程胞内的呼吸酶位置上而被利用。这一系列过程又可分为供氧和耗氧两个方面，如图所示。又可分为供氧和耗氧两个方面，如图所示。供氧：供氧：指空气中的氧从空气泡里通过气膜、气指空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体中。液界面和液膜扩散到液体中。耗氧：耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内被利用。细胞膜扩散到细胞内被利用

46、。 1、供氧方面阻力：、供氧方面阻力： 气膜阻力气膜阻力 气液界面阻力气液界面阻力 液膜阻力液膜阻力 液体主流液体主流 2、耗氧方面阻力：、耗氧方面阻力： 细胞或细胞团表面的液膜阻力细胞或细胞团表面的液膜阻力 固液界面传递阻力固液界面传递阻力 细胞团或菌丝丛内的阻力细胞团或菌丝丛内的阻力 细胞膜和细胞壁阻力细胞膜和细胞壁阻力 细胞内反应阻力细胞内反应阻力 以上这些阻力的相对大小取决于流体力以上这些阻力的相对大小取决于流体力学特性、温度、细胞的活性和浓度、液体学特性、温度、细胞的活性和浓度、液体的组成、界面特性以及其他因素。的组成、界面特性以及其他因素。 当细胞以游离状态存在于液体中时，菌当细胞

47、以游离状态存在于液体中时，菌丝丛阻力消失，当细胞吸附在气液界面上丝丛阻力消失，当细胞吸附在气液界面上时，阻力时，阻力、都消失。都消失。 由于氧是很难溶的气体，所以供氧方面由于氧是很难溶的气体，所以供氧方面液膜阻力是主要，工业上常将通入培养基的液膜阻力是主要，工业上常将通入培养基的空气分散成小气泡，尽可能增大气液两相的空气分散成小气泡，尽可能增大气液两相的接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。耗接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。耗氧方面主要阻力为细胞团或菌丝丛阻力、细氧方面主要阻力为细胞团或菌丝丛阻力、细胞膜或细胞壁阻力，搅拌可减少菌丝结团和胞膜或细胞壁阻力，搅拌可减少菌丝结团和逆向扩散的梯度，

48、可减少这些阻力。逆向扩散的梯度，可减少这些阻力。三、氧的传递方程三、氧的传递方程 NV KLa(c*cL)式中：式中：NV 单位体积液体的传氧速率；单位体积液体的传氧速率； KLa 以浓度差为推动力的体积溶以浓度差为推动力的体积溶氧系数；氧系数； cL 溶液中氧的实际浓度；溶液中氧的实际浓度； c* 与气相中氧分压与气相中氧分压P平衡时溶液平衡时溶液中氧浓度。中氧浓度。6.4.4 溶氧浓度的控制溶氧浓度的控制 发酵液中的溶氧浓度取决于氧的传递（即发酵液中的溶氧浓度取决于氧的传递（即供氧方面）和被微生物利用（即耗氧方面）两供氧方面）和被微生物利用（即耗氧方面）两个方面。个方面。1、影响氧传递的因

49、素、影响氧传递的因素（1）影响推动力）影响推动力( (c c* *c cL L) )的因素的因素温度：温度升高，氧的溶解度降低温度：温度升高，氧的溶解度降低 可在不影响菌体生长和产物合成情况下，可在不影响菌体生长和产物合成情况下，采取降低温度的措施。采取降低温度的措施。pHpH：氧在酸性溶液中的溶解度一般表现为：氧在酸性溶液中的溶解度一般表现为酸的强度大、浓度高，则氧溶解度低。酸的强度大、浓度高，则氧溶解度低。电解质浓度：电解质浓度大氧的溶解度低电解质浓度：电解质浓度大氧的溶解度低溶剂：氧在有机溶剂中的溶解度比水中大。溶剂：氧在有机溶剂中的溶解度比水中大。 实际发酵过程中也可通过合理添加有实际

50、发酵过程中也可通过合理添加有机溶剂来降低水的极性从而增加氧的溶解机溶剂来降低水的极性从而增加氧的溶解度。度。氧分压：增加分压可提高氧的溶解度。方氧分压：增加分压可提高氧的溶解度。方法一是提高空气总压，方法二是提高氧分法一是提高空气总压，方法二是提高氧分压。压。（2）影响）影响KLa的因素的因素搅拌搅拌作用：打散气泡，增大气液接触面；作用：打散气泡，增大气液接触面； 形成涡流，延长气泡在液体中停留时间；形成涡流，延长气泡在液体中停留时间； 形成湍流，减小气泡外的液膜阻力；形成湍流，减小气泡外的液膜阻力； 避免菌丝结团，减少菌丝团阻力；避免菌丝结团，减少菌丝团阻力； 使培养液中的成分分布均匀，细胞