第七章溶解氧对发酵的影响及控制

好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略

好氧发酵过程中溶氧的影响因素和 控制策略 作者：刘伟 单位：河北天俱时自动化科技有限公司 2009年4月10日

好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略 刘伟 河北天俱时自动化科技有限公司 摘要：好氧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、通风量等，为了保证发酵过程中合适的溶解氧含量，对溶氧值进行控制，本文分析了溶氧检测值的影响因素，并指出溶氧控制的一般性控制策略。 关键词：好氧发酵，溶氧调节 一、引言 好氧发酵过程溶氧浓度（DO）是一个非常重要的发酵参数，它既影响细胞的生长，又影响产物的生成。控制发酵液溶氧值一方面可以改善微生物的生长代谢环境，有效促进发酵单位的提高，另一方面还可以起到节能降耗的作用，对企业生产意义重大。 二、影响因素 通常情况下，对发酵液溶氧参数影响较大的几个物理参数包括：通风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。 通风量的影响 通风量的影响是最直观的，溶氧值大小的影响最主要的是进入发酵罐的氧的量，因为在好氧发酵过程中，如果截断进风的补给发酵液中的氧很快将被微生物消耗掉，通常在进风管道上安装调节阀门进行进风流量的调节。 搅拌的影响 由于溶氧电极在工作中存在明显的电流，自身消耗大量的氧。电

极的信号与氧向电极表面传递的速率成比例，而氧的传递速率则受氧跨膜扩散速率控制。这一速率与发酵液的浓度成比例，其比值（以及电极的校准）取决于总的传质过程。电极的一般工作条件是，氧向膜外表面的传递速率很快且不受限制。因此整个过程受跨膜传递的限制，比例常数（传质系数）较易维持恒定。发酵实验时搅拌操作可以获得满意的跨膜传递速率。需要指出，在对电极进行最初校准的过程中，必须对发酵罐进行搅拌。 温度的影响 溶氧电极的信号随温度的升高而显著增强，这主要是因为温度影响氧的扩散速率。发酵实验过程中需控制发酵罐的温度，因为即使0.5℃左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超过1%）。溶氧读数的周期性变化（每隔若干分钟观察1次）显示了温度波动的影响，而且较大的温度变化能引起校准的较大漂移。因此在实验过程中改变温度控制时要格外注意。在以发酵罐的操作温度进行控制以前，需对溶氧电极进行校准。考虑到上述影响的存在，一些溶氧电极带有温度传感器等仪表，以实现自动温度补偿。此外，对于具有计算机监控的发酵罐，可利用来自独立的温度传感器的信号，由相关软件实现温度补偿。 压力的影响 压力变化会影响溶氧电极的读数，尽管这实际上反映了溶氧的变化情况。电极的响应主要由溶液的平衡氧分压确定。读数通常表示为大气压下空气的饱和度（%），100%的溶氧张力（DOT）约相当于160mmHg （1mmHg≈133Pa）的氧分压。如果发酵液的平衡气体总压发生变化，

第六章 发酵过程控制-4

第六章发酵过程控制 第四节发酵过程泡沫的形成与控制 泡沫的定义：泡沫是气体在少量液体中的粗分散体，属于气液非均相体系，泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。是一种密度接近气体，而不接近液体的胶体体系。 泡沫的类型： 一种是存在于发酵液的液面上，气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。例如：某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中的泡沫。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。 一、泡沫形成的原因 1、通气搅拌 产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。 如下图所示，通气强度大、搅拌强烈可使泡沫增多；在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。 2、培养基配比与原料组成 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质—助泡剂，才能产生气泡。

助泡剂在气液界面处就会形成定向吸附层：与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。见下图： 培养基营养丰富，多数富含蛋白质。蛋白质可以作为助泡剂，因此发酵培养基中通气后易产生稳定的泡沫。例如在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌200rpm，通气，泡沫生成量为培养基体积的2倍。 3、培养基的粘度 粘度很高的发酵液，产生的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果： 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态； 泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态； 泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加； 4、菌种、种子质量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。 5、灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮等营养成分破坏严重，抑制微生物生长，使细胞自溶，产生大量泡沫。 总结：发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的剧烈程度和培养基的成分有关如蛋白、粘度、糖类、灭菌情况等。 发酵过程中起泡沫的方式： 在发酵过程中发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化，是泡沫消长的重要因素。发酵过程中起泡沫的方式通常有5种情况： （1）整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平； （2）发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；

第六章 发酵过程作业参考答案

第六章 发酵过程作业参考答案 1、简述补料分批发酵的定义及优缺点、分类。（20分） 答：补料分批发酵又称半连续发酵或培养，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。（4分）补料分批发酵与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾。2)避免培养基积累有毒代谢物。3）与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题，其应用范围十分广泛，包括抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸、及高聚物等、4）在发酵的不同时间不断补加一定的养料，可以延长微生物对数期的持续时间，增加生物量的积累和静止期代谢产物的积累。（8分）补料分批发酵可以分为两种类型：a: 单一补料分批发酵：在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳源和(或)氮源和(或)其他必须基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大工作容积后停止补料，将发酵液一次全部放出。这种操作方式称为单一补料分批发酵，由于受发酵罐工作容积的限制，发酵周期只能控制在较短的范围内。（4分）b 重复补料分批发酵：重复补料分批发酵是在单一补料分批发酵的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大工作容积，从而可以延长发酵周期，直至发酵产率明现下降，才最终将发酵液全部放出．这种操作方式既保留了单一补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点。（4分） 2、通过哪些手段可提高发酵过程的溶氧量并分析比较各种措施的效果。（３０分） 答：(1) 提高KL a KL a 与其中的主要影响因素的函数关系可以使用下式表示： 对于牛顿型流体发酵液， KL a 的关联式可简单表示为： （２分） ①搅拌效率对KL a 的影响：一般情况下，高转速可有效地提高 KL a ，但太大或搅拌器的类型不当也会损伤菌丝，或产生漩涡，反而降低混合效果。对于高粘度的流体，转速、器型的影响会更明显。 ②气体流速对KL a 的影响：由上式得知：提高WS ，即提高通气量Q ，也可以有效的提高KL a 。研究表明，当通气量Q 较低时，随着通气量Q 的增加，WS 空气表观线速度也会增加。但Q 过大时，搅拌器不能有效地将空气气泡充分分散，而在大量气体中空转，形成所谓的“过载”现象 。会导致Pw/V 会随着Q 的增加而下降，即单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下降。 ③设备参数的影响：式中的α、β与发酵罐的大小、形状、搅拌器的类型等因素有关。Bartholomew 研究指出，9L 的发酵罐的α为0.95；0.5m3的发酵罐，α变为0.67；而27~57m3的发酵罐的α变为0.5。搅拌器的类型不同，α、β值的大小也不相同，对于α值，弯叶>平叶>箭叶；对),,,,,,,(g D W N d f K L s L a σρη=βαs w L W V P K K a )(=

第四篇 第五章发酵过程泡沫的形成与控制

发酵过程泡沫的形成与控制 发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多的泡沫是有害的 一、泡沫形成的基本理论 泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系 美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。 （一）泡沫形成的原因 1、气液接触 （1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体 （2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。 2、含助泡剂 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。 3、起泡速度高于破泡速度 起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。 高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。 4、发酵过程泡沫产生的原因 （1）通气搅拌的强烈程度 （2）培养基配比与原料组成 （3）菌种、种子质量和接种量 （4）灭菌质量 （二）起泡的危害 1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量 2、引起原料浪费 如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。 3、影响菌的呼吸 如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，

而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。 4、引起染菌 由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。 （三）泡沫的性质 泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，是解决消泡问题的基础。 1、气泡间液膜的性质 泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂与液膜的关系 表面活性剂示意图 溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液界面上 2、泡沫是热力学不稳定体系 热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下： △G=γ△A △G——自由能的变化 △A——表面积的变化 γ——比表面能 起泡时，液体表面积增加，△A为正值，因而△G为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方面，泡沫的气液界面非常大。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。泡沫破灭、合并的过程中，△A是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭、合并的过程，自由能减小的

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。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

1 溶解氧对发酵的影响

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。[1] 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。 [2] 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。[3] 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。[4] 2 溶氧量的控制

溶氧对氨基酸发酵的影响及控制

溶氧对氨基酸发酵的影响及控制 【摘要】本文对溶解氧在氨基酸微生物工业发酵的影响及控制策略进行了系统分析和探讨。 【关键词】氨基酸发酵；DO；溶解氧控制 利用微生物发酵生产氨基酸的技术已历半个多世纪。氨基酸生物发酵是一个复杂的生化反应过程，溶解氧是氨基酸发酵生产工艺的一个非常重要的控制参数[1]。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，并最终决定着氨基酸产量的高低[2]。因此，研究溶解氧在氨基酸微生物工业发酵中对产物生产的影响及控制策略，对氨基酸发酵工艺管理的优化和工艺过程的放大具有重要意义。笔者对氨基酸发酵工艺的供氧问题进行了分析与探讨，对增加溶氧的主要方法进行了综述，以期对氨基酸工业生产提供一定的借鉴。 1 氧在氨基酸好氧发酵过程的作用 氨基酸发酵生产菌大多为需氧菌或兼性厌氧菌。发酵液中的氧（溶解氧）是菌体生长与代谢的必需品。氨基酸的发酵过程主要包括菌体生长和代谢产物积累2个阶段，溶解氧在氨基酸发酵中的主要作用有两点：①参与氨基酸生物合成所必须的ATP，以完成生物氧化作用，并使菌体能够充分生长；②只有在氧的存在下，氨基酸的生物合成过程中产生的NAD（P）H2才能被氧化生成NAD（P），确保反应向合成氨基酸产物的方向进行。因此在氨基酸发酵过程中要保持一定的溶氧量来满足菌体生长和产酸的耗氧需要；溶氧的高低，应该根据不同菌种，不同培养阶段和培养条件等具体情况决定，将溶解氧控制在一个最佳水平以实现糖和酸最大转化率。 1.1 溶解氧对菌体生长的影响 氨基酸发酵的前期是菌体生长的主要阶段，如果发酵液中溶解氧的浓度受到限制，就会影响菌体的生长与繁殖，进而影响到最终的氨基酸产量。如谷氨酸发酵过程中，在菌体生长期，溶解氧浓度过低，在产酸期则抑制谷氨酸合成，生成大量代谢副产物；反之，溶解氧浓度过高，菌体生长受到高氧抑制，生长慢，耗糖慢，造成后期菌体容易衰老，导致糖酸转化率偏低[3]。 1.2 溶解氧对发酵产物积累的影响 氨基酸发酵按照合成途径不同，需氧量的差异可分为三类，第一类，是合成期需供氧充分，产酸量才能达最大的谷氨酸系氨基酸；第二类，是合成期满足供氧，就能达到最高产量，一但供氧受限，产量会受影响但并不十分明显的是天冬氨酸系氨基酸；第三类，是只有在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制的亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸等。因此，在实际生产应用中，应根据合成氨基酸种类及具体需要确定溶氧控

梅特勒-托利多_过程分析_【故障处理】溶氧电极发酵后期读数波动_任嘉麟

知识标题：发酵后期溶氧电极波动的故障处理方法 标签：氧，光学氧，电极，溶解氧，细胞培养，波动 知识来源：□原创；□官方 知识类型：□接线图；□安调指导；□故障处理；□校准说明；□维护保养；□证书；□专业理论；□其他__________ 专业分类：□PH；□DO；□GAS；□电导率；□TOC；□浊度；□CO2；□Si/Na；□Cl/S；□微生物；□Ozone；□其他__________ 设备类型：□传感器；□变送器；□护套；□线缆；□分析仪；□自清洗； □其他__________ 信号类型：□模拟；□智能ISM；□其他__________ 变送器：□M100；□M200；□M300；□M400；□M700；□M800；□M420；□X100；□便携式；□其他__________ 适用行业：□电力；□食品；□化工；□制药；□其他__________ 证书类型：□防暴；□通讯协议；□卫生；□材料材质；□生产标准；□出场证书; □其他__________ 摘要： 本文主要介绍了生物发酵罐，特别是研发小罐，在发酵后期读数波动的解决方法。

下图是细胞培养中常见的一种溶解氧测量读数波动现象，常常会发生在发酵后期。用户往往会发现在发酵后期读数会有不可控波动情况产生。以下介绍了一些故障排查办法。 发酵溶解波动趋势图 遇到类似问题以后，最常见的手段就是过程校准了。但是过程标定往往会更改斜率，影响测量的准确度。

产生这种故障现象的原因一般分为以下几类: 1.极谱氧电极的膜片和电解液没有定期更换或者校准错误导致 2.极谱氧电极内电极积液造成读数波动 3.气泡干扰 4.随着发酵进行，生物生长覆盖传感器膜的现象 5.消泡剂干扰 解决办法： 1.上罐标定前必须正确检测电极性能SOP。严格按照以下步骤操作可以最大程度 的避免上罐后电极异常和波动的产生。在检测电极前建议先更换溶氧膜片和电解液。并作极化（建议6小时） 检测内电极和电极杆的空载电流值：如图所示，将电极连接仪表，并取下溶氧膜把内电极擦干，置于空气中，同时观察电流值。 正常电极空载电流值<±0.03nA（一般使用的电极也应小于±0.5nA）如果大于±1nA则说明电极内有积液，需返厂维修。

溶氧对发酵的影响及其控制

溶氧对发酵的影响及其控制 摘要：发酵液中的溶氧浓度（Dissolved Oxygen，简称DO）是影响发酵的关键因素，对微生物的生长和产物形成有重要的影响。要根据氧的溶解特性及微生物对氧的需求，分析溶氧对发酵的影响及对发酵产物的影响，进而确定溶氧量的控制及在发酵液中的传递，使生产效益最大化。 关键词：溶氧发酵代谢溶氧量控制传递 Abstrac t: 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. Key words: dissolved oxygen; fermentation; metabolism;Dissolved oxygen control transfer 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。 一·氧的溶解特性 溶解氧（Dissolved Oxygen）是指溶解于水中分子状态的氧，用DO 表示。氧是一种难溶气体，在常压、25℃的条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度仅约为0.25mmol/L，在发酵液中，由于各种溶解的营养成分、无机盐和微生物[3] 的代谢产物存在，会明显降低氧的溶解度。此外，溶氧浓度会随着温度、气压、盐分的变化而变化。一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。其中就提到一个临界溶氧浓度的确定。 临界溶氧浓度的确定，如右图：[2] 在发酵过程中停止供气，通过观察发酵体系 中DOT的变化可以大致确定细胞生长的临界

好氧发酵常见问题

好氧发酵常见问题答疑 好氧发酵温度高，厌氧发酵温度低；进入的空气越多，温度越高，反之温度越低；空气越多时，微生物繁殖越多，反之繁殖越少；菌体蛋白并非一定比植物蛋白好等等；由此再引申出以下结论： ① 以喂养动物为目的的发酵糟渣发酵中，应该尽量用厌氧发酵法（尽量压实压紧密封好），以避免产生高温高热的现象；以免损耗消化能代谢能，以及损失维生素等； ② 在发酵制作堆肥，以制作肥料为目的的发酵中，才需要采用好氧发酵，产生大量的热量和温度，来消耗掉物料中的能量，以免将来做肥料时，造成烧根； ③ 越是疏松的发酵物料如（啤酒糟、统糠、麦麸米糠、带壳的酒糟、秸秆……），越容易在物料内部藏有空气，越容易发酵产热，发酵温度也较高；对于这些物料，必须用力压实压紧（作有机肥除外）； ④ 发酵床养猪中的垫料发酵目的是为了分解粪便，所以，是好氧发酵，必须注意让适当的空气进入垫料，才好充分分解粪便，但是夏天天气热，猪容易产生热应激，所以，夏天要注意少用点刨花、谷壳等粗料，多用点锯末等细料（但也不能全部用锯末），目的是适当控制进入垫料中的空气，避免发热量太大； ⑤ 微生物菌体蛋白不一定比植物蛋白好，因为菌体蛋白含有较难溶解的细胞壁，影响了菌体内部的细胞质蛋白的消化吸收，而植物细胞壁相对比较容易酶解，从而释放植物蛋白；所以，从这一点看，发酵糟渣应该以静悄悄的厌氧发酵和酶解反应为主，而不是追求大量繁殖微生物菌体，当然对鸡粪是例外； ⑥ 鸡粪本身含非蛋白氮比较多，真蛋白率比较少，所以，相对其他糟渣的发酵来讲，需要一定的好氧发酵，所以，可以实行二段发酵法，即先密封发酵几天后，再翻堆一次，进入一些空气，再密封继续进行发酵，目的是适当繁殖微生物菌体，让微生物来同化非蛋白氮，成为菌体蛋白，提高真蛋白率。 ⑦ 发酵糟渣的开头几天，会把糟渣里面藏有的空气消耗掉，所以，头几天可能温度高一些，但在消耗掉了物料里面的空气后，则进入完全的厌氧发酵过程，温度自然会降下来； ⑧ 含水量在30～40%时，由于物料不能充分吸水膨胀软化，反而是体积膨胀了，比干的时候更加疏松了，物料颗粒间隙藏有大量的空气，所以，这个含水量情况下发酵产热比较大，含水又较少，所以料温会很高；而在含水量50～60%的情况下，物料充分吸水膨胀和软化，相互间粘结，通过压实后，物料颗粒间基本不存在空气，所以，本身发热较小，加上含水量

发酵过程的工艺控制

第十章发酵过程的工艺控制 ●知识要点和教学要求 （1）、理解微生物发酵的动力学 （2）、掌握补料分批培养 （3）、掌握连续培养 （4）、掌握发酵工艺控制最优化 （5）、掌握温度对发酵过程的影响及其控制 （6）、掌握PH值对发酵过程的影响和控制 （7）、掌握泡沫对发酵过程的影响和控制 ●能力培养要求 通过本章节的学习，学生能理解微生物发酵的分类及温度、PH值、泡沫等对发酵过程的影响和控制。 ●教案内容 10.1 微生物发酵的动力学 一般来说，微生物学的生长和培养方式可以分为分批培养、连续培养和补料分批培养等三种类型。 1. 分批培养 分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。 在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段，图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 2. 停滞期 停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。

实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。如果接种物处于对数生长期，那么就很有可能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环境。 3. 对数生长期 处于对数生长期的微生物细胞的生长速度大大加快，单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并达到最大值。其生长速度可用数学方程表示： 式中，x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）；---细胞的比生长速度（1/h）。如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式积分后就为：于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线，该直线的斜率就等于。 微生物的生长有时也可用“倍增时间”(td)来表示，“倍增时间”(td)定义为微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，即： 3. 稳定期 由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。 4. 死亡期 当发酵过程处惊天动地死亡期时，微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽，细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。 5. 微生物分批培养生长速度的动力学方程

发酵罐对发酵过程中溶氧控制

发酵罐对发酵过程中溶氧控制 在微生物/细胞发酵过程中，溶氧是需氧发酵控制中最重要的参数之一。溶氧的大小对发酵产物的形成及产量都会产生不同的影响，其结果直接影响整个发酵的效率。 现在市面上发酵罐对溶氧的控制，主流的方式是通过控制通入气体的量或者改变通入气体中氧气的比例来调节发酵液中溶氧%。更高一级的控制是将发酵液中溶氧%和通入气体的量、搅拌桨的转速、添加的补料及罐压进行关联，从而通过发酵系统自动控制这些参数来调节溶氧%。但是，直到今日，还没有任何一家发酵罐制造厂家的发酵罐能实现溶氧%与上述4个参数实现4级以上关联。现在市场上普遍能实现的是二级关联，及溶氧%与搅拌转速和通气量的关联，而其中做的最好的是赛多利斯（贝朗）发酵罐，由于其柜式集成化自动关联控制系统，能对发酵总体要求进行自动化多级（最多4级）参数关联调节。 2012年香港环球分析测试仪器有限公司引进了意大利Solaris发酵罐/生物反应器，其智能化的控制系统和全自动化的设计，实现了溶氧%与上述参数4级以上关联，准确说是在参数上下限限制条件内，能实现无限制关联，从而使发酵过程中溶氧%的控制更加方便和精确，并为高密度培养中需要更高的溶氧浓度提供了可能。 意大利Solaris发酵罐/生物反应器的这一特点，在不同程度上超越了赛多利斯（贝朗）等同类厂家，使其在全球的用户感受到实实在在的技术革新。 Solaris发酵罐/生物反应器实现溶氧%无限制关联界面图如下： 上图设置方式是先设定一个你需要的溶氧%，然后，将其与搅拌桨转速关联，如果当转速达到设定的上限的时候实现了你需要的溶氧%，就不进行下一级的关联；如果没有达到你需要的溶氧%，那么你就可以设置2级关联，如果达到设定参数的上限还未达到你需要的溶氧%，那么你就可以设置3级关联，如果达到设定参数的上限还未达到你需要的溶氧%，那么你就可以设置4级关联，如此循环下去，直至达到你需要的溶氧%。在此设置关联参数过程中，同一参数可重复多次设定。

氧气对发酵的影响

发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制 录入时间:2010-8-13 9:26:18 来源：青岛海博《微生物工程》 在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。 一、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。 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。因为，为避免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。最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。 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

溶氧对发酵的影响及其控制

溶氧对发酵的影响及其控制 姓名:石凤班级:13gb生工1班学号:01310311x01 摘要：溶氧是指溶解于水分子状态的氧。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。在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能才能繁殖和积累所需代谢产物。不同菌种及不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的，发酵液的DO值直接影响微生物的酶的活性、代谢途径及产物产量。发酵过程中，氧的传质速率主要受发酵液中溶解氧的浓度和传递阻力影响。研究溶氧对发酵的影响及其控制对提高生产效率，改善产品质量等都有重要意义。本文以苏氨酸为实例证明溶氧对发酵的影响及控制。 关键词：溶氧发酵代谢溶氧控制苏氨酸 一、氧的溶解特性 氧是一种难溶气体，在常压、25℃的条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度仅约为0.25mmol/L，在发酵液中，由于各种溶解的营养成分、无机盐和微生物的代谢产物存在，会明显降低氧的溶解度。此外，溶氧浓度会随温度、气压、盐分的变化而变化。一般来说，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。 二、微生物对氧的需求 好氧微生物生长和代谢均需要氧气，因此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要，在不同环境条件下，各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。微生物的吸氧量常用呼吸强度和摄氧率两种方法来表示，呼吸强度是指单位质量的 单菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO 2，表示，单位为mmol O 2 /(g干菌体·h)。 当氧成为限制性条件时，比耗氧速率为： QO2=(QO2)mCL/（K0+CL）(QO2)m---最大比耗氧速度，mol/(kg.s) CL---溶解氧的浓度，mol/m3 K0---氧的米氏常数，mol/m3 摄氧率是指单位体积培养液在单位时间内的耗氧量，以r表示，单位为mmolO2／(L?h)。呼吸强度可以表示微生物的相对吸氧量，但是，当培养液中有固体成分存在时，对测定有困难，这时可用摄氧率来表示。微生物在发酵过程中的摄氧率取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。

溶氧对丙酮酸发酵的影响

第19卷第3期2004年9月 天津科技大学学报 Journal of T ianjin University of Science and Technology Vol.19 No.3 Sept. 2004 溶氧对丙酮酸发酵的影响 高年发,张现青,吴 迪 (天津科技大学食品科学与生物工程学院,天津300222) 摘 要:采用实验室选育的高产丙酮酸菌株Torulopsis glabr a ta TPl9,在3种供氧方式下,研究了5L发酵罐上的丙酮酸发酵过程,比较了3种供氧方式下丙酮酸发酵、菌体生长、葡萄糖消 耗和副产物的生成。发酵48h丙酮酸最高产量为65.1g L-1;转化率为58.6%,生产强度为 1.35g L-1 h-1。 关键词:溶氧;丙酮酸;光滑球拟酵母 中图分类号:TQ921.7 文献标识码:A 文章编号:1672 6510(2004)03 0005 03 THE EFFECTS OF DISSOLVE OX YGEN ON PYRUVATE FERMEN TATION GAO Nian fa,ZHANG X ian qing,WU Di (College of Food Science and Bioengineering,Tianjin University of Science&Technology ,Tianjin300222,China) Abstract:The effects of three Oxygen supply manners on concentration of pyruvate,glucose consump tion rate,growth of yeast and concentration of ethanol etc were investigated in pyruvate fermentative process by Torulopsis glabrata TPl9.As a result,65.1g L-1pyruvate,58.6%translative rate of pyruvate to Glu cose and the productivi ty1.35g L-1 h-1was achieved after fermentation in5L bioreactor,for48h. Key words:DO;pyruvate;Torulopsis glabrata 发酵法生产丙酮酸的研究始于本世纪50年代。由于丙酮酸在代谢途径中所处的特殊地位,使得丙酮酸高产菌株的选育十分困难。在有关发酵法生产丙酮酸的研究中,米原辙和宫田令子报道的Torulo psis glabrata IF00005经63h流加发酵,丙酮酸产量达67.8 g L-1[1](对葡萄糖转化率49%)和Yokota等报道的缺乏F1 ATP酶活力的E.coli经24h发酵,丙酮酸产量达30g L-1[2](对葡萄糖转化率60%)是目前该领域的最高水平。目前我国江南大学采用光滑球拟酵母(Torulo psis glab rata)对丙酮酸发酵进行研究取得了较高水平,发酵56h丙酮酸产量为69.4g L-1,转化率为63.6%,生产强度为1.24g L-1 h-1[3],其发酵周期仍较长,限制了发酵强度的提高。目前国际上利用细菌发酵生产丙酮酸的研究也取得了很大进展,例如以E. coli W1485lip2为出发菌株构建的缺失F1 ATP酶活性的E.coli TB LA 1培养24h时丙酮酸转化率就达到了60%[4]。 球拟酵母的维生素营养缺陷型以葡萄糖为底物积累丙酮酸时,溶氧是一个很重要的因素。且丙酮酸发酵需大量菌体,供氧对菌体的生长、糖的消耗和副产物酒精的生成,都有重要影响。了解溶氧是否充足的最简便、最有效的办法是在线检测发酵液中的溶氧浓度,从溶解氧(DO)变化的情况可以了解氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响,因此供氧控制策略的研究对丙酮酸发酵有重大意义。如Miyata和Yonehara发现供氧不足会造成T.glabrata lF00005菌株丙酮酸产量下降,而乙醇产量显著增加;清水有幸等人则报道了不同溶氧水平下该菌株细胞内的代谢分配[5]。溶氧对实现丙酮酸发酵过程高产量、高转化率利高生产强度的统一有重要意义。 收稿日期:2004 01 08 **作者简介:高年发(1945-),男,江苏吴江人,教授.

溶解氧总结

溶解氧总结 溶解氧及其浓度测量 一，溶解氧的概述 溶氧的简称，是表征水溶液中氧的浓度 的参数，是溶解在水中的分子太氧气。 溶解氧的单位为mg/L,用每升水里氧气的毫克数表示。水中溶解氧的多少是表征水体自净能力的一个指标。溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解较缓慢。 二，影响溶解氧的因素 水中溶解氧含量受到两种作用的影响：一种是使DO下降的耗氧作用，包括好氧有机物降解的耗氧，生物呼吸耗氧；另一种是使DO增加的复氧作用，主要有空气中氧的溶解，水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。 在自然条件下，水在流动时，复氧过程比较迅速，较易补充水中氧的消耗，使水体中溶解氧保持一定的水平，反之，在静水条件下，复氧过程缓慢，水中含氧得不到及时补充，处于嫌气状态。 当工业废水和生活污水携带大量有机物质进入水体时，

水体脱氧严重，这时即使在流动的河水中，于复氧过程弥补不了这样大幅度的脱氧，也会出现溶解氧迅速下降，造成鱼类和需氧生物死亡及水质恶化。 水体受有机物及还原物质污染,可使溶解氧降低。天然水体中DO的含量，除与水体中的生物数量和有机物的数量有关外，还与水温和水层有关。在正常情况下地表水中溶解氧量为5-10mg/L，在有风浪时，海水中溶解氧可达14 mg/L，在水藻繁生的水体中，于光合作用使放氧量增加，也可能使水中的氧达到过饱和状态，地下水中一般溶解氧较少，深层水中甚至完全无氧。 水中溶解氧的含量与水温，氧分压，盐度，水深深度，水生生物的活动和耗氧有机物浓度等因素有关。 水温：在氧气分压，含盐量一定时，溶解氧的饱和含量随着水温的升高而降低。低温下溶解氧的饱和含量随温度的变化更加显著。 含盐量：在水温，氧分压一定时，水的含盐量越高，水中溶解氧的饱和含量越小海水的含盐量比淡水的含盐量高的多，在相同条件下，溶解氧在海水中的饱和含量比在淡水中要低得多。天然淡水水体内含盐量的变化幅度很小，所以含盐 量对溶解氧的饱和含量影响不大，可以近似以纯水中的饱和含量计算。氧气的分压：在水温含盐量一定时，水

溶解氧总结

溶解氧及其浓度测量 一，溶解氧的概述 溶氧（DO)是溶解氧（Dissolved Oxygen）的简称，是表征水溶液中氧的浓度的参数，是溶解在水中的分子太氧气。 溶解氧的单位为mg/L,用每升水里氧气的毫克数表示。水中溶解氧的多少是表征水体自净能力的一个指标。溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化；反之，溶解氧低，水体中污染物降解较缓慢。 二，影响溶解氧的因素 水中溶解氧含量受到两种作用的影响：一种是使DO下降的耗氧作用，包括好氧有机物降解的耗氧，生物呼吸耗氧；另一种是使DO增加的复氧作用，主要有空气中氧的溶解，水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。 在自然条件下，水在流动时，复氧过程比较迅速，较易补充水中氧的消耗，使水体中溶解氧保持一定的水平，反之，在静水条件下，复氧过程缓慢，水中含氧得不到及时补充，处于嫌气状态。 当工业废水和生活污水携带大量有机物质进入水体时，水体脱氧严重，这时即使在流动的河水中，由于复氧过程弥补不了这样大幅度的脱氧，也会出现溶解氧迅速下降，造成鱼类和需氧生物死亡及水质恶化。 水体受有机物及还原物质污染,可使溶解氧降低。天然水体中DO的含量，除与水体中的生物数量和有机物的数量有关外，还与水温和水层有关。在正常情况下地表水中溶解氧量为5-10mg/L，在有风浪时，海水中溶解氧可达14 mg/L，在水藻繁生的水体中，由于光合作用使放氧量增加，也可能使水中的氧达到过饱和状态，地下水中一般溶解氧较少，深层水中甚至完全无氧。 水中溶解氧的含量与水温，氧分压，盐度，水深深度，水生生物的活动和耗氧有机物浓度等因素有关。 水温：在氧气分压，含盐量一定时，溶解氧的饱和含量随着水温的升高而降低。低温下溶解氧的饱和含量随温度的变化更加显著。 含盐量：在水温，氧分压一定时，水的含盐量越高，水中溶解氧的饱和含量越小海水的含盐量比淡水的含盐量高的多，在相同条件下，溶解氧在海水中的饱和含量比在淡水中要低得多。天然淡水水体内含盐量的变化幅度很小，所以含盐