溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發酵液中溶氧可在幾分鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。第六章氧的供需及對發酵的影響溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵第一節微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：單位時間內單位體積的發酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X第一節微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCC一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%產黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度>1.一般對于微生物：CCr:＝1～15%飽和濃度例：酵母4問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1計，0.25/0.052=4.8秒注意：由于產物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產物>13%>8%問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易三、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營養的成分與濃度有害物質的積累培養條件三、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2第二節反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質系數kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質系數m/h第二節反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CCiPPiC*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數h-1C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發酵液中氧的濃度上面二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調節其中C*＝P/HNvHPKla第六章氧的供需及對發酵的影響三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來第三節影響Kla的因素

Kla反映了設備的供氧能力，發酵常用的設備為搖瓶與發酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12,轉述250rpm第三節影響Kla的因素Kla反映了設備的供氧能裝液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml酶活力71373425392裝液量，一般取1/10左右：例：500ml搖瓶中生產蛋二、影響發酵罐中Kla的因素已知在通風發酵罐中，全擋板條件下：二、影響發酵罐中Kla的因素已知在通風發酵罐中，全擋板條件下1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調節kla的效果顯著1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調節kla的效果顯著例某一產品的發酵dnp0/vc產量4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產糖化酶n230230270通氣比1:0.81:1.21:0.8產量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產量提高N,比提高Q有效例某一產品的發酵例黑曲霉生產糖化酶提高d、n顯著提高C2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發量大中間揮發性代謝產物帶走2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的例：紅曲霉生產色素用于食品工業，靜止培養改為通氣培養，比色法測定產量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發酵設備的供養是有限的例：紅曲霉生產色素用于食品工業，靜止培養改為通氣培通氣3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點小型發酵罐，轉速可調大型發酵罐，轉速往往不可調大型反應器的合理設計對現有設備一定要注意工藝配套3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點小型發酵罐，轉速4、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度4、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度第四節CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學法第四節CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學法2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e原電池型(極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。膜：耐溫、透氣、不通水測定：一般是得到相對值極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應二、r的測定1、物料衡算

流量（進口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————發酵液體積氧的濃度：氧分壓儀二、r的測定1、物料衡算流量（進口空氣中氧的氧含量2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt2、溶氧電極停止供氣：dCL三、Kla的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化Kla.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4三、Kla的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化K2、平衡法

rKla=————C*-CL例：一個裝料為7L的實驗室小罐，通氣量為1VVM（標態），發酵液的CL＝25%、空氣進入時的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時菌體的攝氧率和發酵罐的Kla2、平衡法r例：一個裝料為7L的實驗室3、動態法不同的測定方法得出的kla是不一樣的3、動態法不同的測定方法得出的kla是不一樣的第四節溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發酵中氧濃度的變化規律（一定Kla下）：rXQCL一般有一個低谷，在對數生長的末期第四節溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發酵中氧濃度的變二、發酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應:

XS→P+Xπ=a+bμ二、發酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應:第六章氧的供需及對發酵的影響課件菌體生長期：酶系統Ⅰ酶系統Ⅱ關鍵因子開始的細胞生長好后的細胞產物合成菌體生長期：酶系統Ⅰ酶系統Ⅱ關鍵因子開始的細胞生長好后的產物形成期：底物產物酶系統Ⅱ

反應動力學問題

產物形成期：底物產物酶系統Ⅱ反應動力學問題發酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產物的形成。發酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產物2、溶氧控制的實例GAXDO谷氨酸發酵：要求：氧飽和度>1控制：0-12小時小通風12小時后增加通風原因：0-12小時菌體量較小，采用小通風122、溶氧控制的實例GAXDO谷氨酸發酵：要求：氧飽和度>1控

一般認為，發酵初期較大的通風和攪拌而產生過大的剪切力，對菌體的生長有時會產生不利的影響，所以有時發酵初期采用小通風，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時間一定要把握好。例：生產肌苷酸：通氣量不變17.15mg/ml24小時增加22.55mg/ml30小時增加18.25mg/ml36小時增加12.34mg/ml一般認為，發酵初期較大的通風和攪拌而產生過大的剪例：某廠青霉素發酵的工藝研究*例：某廠青霉素發酵的工藝研究*三、發酵過程中溶氧濃度監控的意義1、考察工藝控制是否滿足要求2、其它異常情況的表征染菌、噬菌體、設備和操作故障3、間接控制的措施三、發酵過程中溶氧濃度監控的意義1、考察工藝控制是否滿足要求本章小節：

了解微生物對氧的需求并掌握其中的基本概念

掌握反應器氧的傳遞方程，及其參數的測定

深入理解Kla的意義，了解反應器放大的基本概念

掌握發酵過程中溶氧濃度的調節方法，并認識監控溶氧濃度的意義本章小節：了解微生物對氧的需求并掌握其中的基本概念掌握反

溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發酵液中溶氧可在幾分鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。第六章氧的供需及對發酵的影響溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵第一節微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：單位時間內單位體積的發酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X第一節微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCC一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%產黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度>1.一般對于微生物：CCr:＝1～15%飽和濃度例：酵母4問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1計，0.25/0.052=4.8秒注意：由于產物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產物>13%>8%問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易三、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營養的成分與濃度有害物質的積累培養條件三、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2第二節反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質系數kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質系數m/h第二節反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CCiPPiC*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數h-1C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發酵液中氧的濃度上面二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調節其中C*＝P/HNvHPKla第六章氧的供需及對發酵的影響三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來第三節影響Kla的因素

Kla反映了設備的供氧能力，發酵常用的設備為搖瓶與發酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12,轉述250rpm第三節影響Kla的因素Kla反映了設備的供氧能裝液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml酶活力71373425392裝液量，一般取1/10左右：例：500ml搖瓶中生產蛋二、影響發酵罐中Kla的因素已知在通風發酵罐中，全擋板條件下：二、影響發酵罐中Kla的因素已知在通風發酵罐中，全擋板條件下1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調節kla的效果顯著1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調節kla的效果顯著例某一產品的發酵dnp0/vc產量4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產糖化酶n230230270通氣比1:0.81:1.21:0.8產量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產量提高N,比提高Q有效例某一產品的發酵例黑曲霉生產糖化酶提高d、n顯著提高C2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發量大中間揮發性代謝產物帶走2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的例：紅曲霉生產色素用于食品工業，靜止培養改為通氣培養，比色法測定產量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發酵設備的供養是有限的例：紅曲霉生產色素用于食品工業，靜止培養改為通氣培通氣3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點小型發酵罐，轉速可調大型發酵罐，轉速往往不可調大型反應器的合理設計對現有設備一定要注意工藝配套3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點小型發酵罐，轉速4、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度4、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度第四節CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學法第四節CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學法2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e原電池型(極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。膜：耐溫、透氣、不通水測定：一般是得到相對值極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應二、r的測定1、物料衡算

流量（進口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————發酵液體積氧的濃度：氧分壓儀二、r的測定1、物料衡算流量（進口空氣中氧的氧含量2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt2、溶氧電極停止供氣：dCL三、Kla的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化Kla.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4三、Kla的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化K2、平衡法

rKla=————C*-CL例：一個裝料為7L的實驗室小罐，通氣量為1VVM（標態），發酵液的CL＝25%、空氣進入時的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時菌體的攝氧率和發酵罐的Kla2、平衡法r例：一個裝料為7L的實驗室3、動態法不同的測定方法得出的kla是不一樣的3、動態法不同的測定方法得出的kla是不一樣的第四節溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發酵中氧濃度的變化規律（一定Kla下）：