第四章發(fā)酵供氧

1、u好氣微生物的生長和代謝需要消耗氧氣，只有在氧存在時(shí)好氣微生物的生長和代謝需要消耗氧氣，只有在氧存在時(shí)才能完成生物氧化作用，因此，供氧對(duì)需氧微生物必不可才能完成生物氧化作用，因此，供氧對(duì)需氧微生物必不可少。少。u氧氣只有溶解到發(fā)酵液并進(jìn)一步傳遞到細(xì)胞內(nèi)的氧化酶系氧氣只有溶解到發(fā)酵液并進(jìn)一步傳遞到細(xì)胞內(nèi)的氧化酶系后才能被利用。后才能被利用。發(fā)酵液中溶解氧的多少，一般以溶氧系數(shù)發(fā)酵液中溶解氧的多少，一般以溶氧系數(shù) 值表示。值表示。各種微生物的氧化酶體系（如過氧化氫酶、細(xì)胞色素氧化各種微生物的氧化酶體系（如過氧化氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化酶等）不同，在不同條件下，酶、黃素脫氫酶、多酚

2、氧化酶等）不同，在不同條件下，其呼吸程度是不同的。其呼吸程度是不同的。微生物的吸氧量常用微生物的吸氧量常用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩種方法來表示。兩種方法來表示。u呼吸強(qiáng)度：呼吸強(qiáng)度：指單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，指單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，以以Q QO2O2表示，單位為表示，單位為mmol/(mmol/(g g.h).h)。u呼吸強(qiáng)度可以表示微生物的相對(duì)需氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有呼吸強(qiáng)度可以表示微生物的相對(duì)需氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固定成分存在時(shí)，測定就有困難，這時(shí)可用耗氧速率來表固定成分存在時(shí)，測定就有困難，這時(shí)可用耗氧速率來表示。示。u耗氧速率：耗氧速率：指

3、單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量，以指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量，以r r表示，單位為表示，單位為mmol/(mmol/(L L.h).h)。式中：式中： r r為微生物耗氧速率，為微生物耗氧速率，mmol/(L.h)mmol/(L.h)； Q QO2O2為呼吸強(qiáng)度，單位為為呼吸強(qiáng)度，單位為mmol/(g.h)mmol/(g.h)； 為菌體的質(zhì)量濃度，為菌體的質(zhì)量濃度，g/Lg/L。u耗氧速率取決于呼吸強(qiáng)度和菌體濃度。耗氧速率取決于呼吸強(qiáng)度和菌體濃度。發(fā)酵的不同階段對(duì)氧的要求不同：發(fā)酵的不同階段對(duì)氧的要求不同：舉例：舉例： 一般菌體生長繁殖期比谷氨酸生成期對(duì)溶氧要一般菌體生長繁殖期比

4、谷氨酸生成期對(duì)溶氧要求低，長菌階段供氧為菌體需氧量的求低，長菌階段供氧為菌體需氧量的“亞適量亞適量”，要求溶氧，要求溶氧系數(shù)系數(shù)K K d d為為4.04.0l0l0-6-6一一5.95.9l0l0-6-6mol/(ml.min.M Pa)mol/(ml.min.M Pa)，形成，形成谷氨酸階段要求溶氧系數(shù)谷氨酸階段要求溶氧系數(shù)K K d d為為1 15 5l0l0-5-5一一1 18 8l0l0-5-5 mol/(ml.min.M Pa)mol/(ml.min.M Pa)。作為供氧指標(biāo)與作為供氧指標(biāo)與K K d d比較，用氧的傳遞速率比較，用氧的傳遞速率r rabab表示更適宜。表示更適宜。

5、舉例：舉例： 谷氨酸發(fā)酵最適亞硫酸鹽耗氧速率為谷氨酸發(fā)酵最適亞硫酸鹽耗氧速率為1.0l0-6_1.5l0-6mol/(m L.min)，生物耗氧速率，生物耗氧速率r應(yīng)大于應(yīng)大于10l0-7mol/(m L.min)。 長菌階段，若供氧過量，在生物素限量的情況下，菌長菌階段，若供氧過量，在生物素限量的情況下，菌體生長受到抑制，表現(xiàn)為耗糖慢，體生長受到抑制，表現(xiàn)為耗糖慢，pH值偏高，且不易下降。值偏高，且不易下降。 產(chǎn)酸階段如供氧不足，發(fā)酵主產(chǎn)物由谷氨酸轉(zhuǎn)為乳酸。產(chǎn)酸階段如供氧不足，發(fā)酵主產(chǎn)物由谷氨酸轉(zhuǎn)為乳酸。是因在缺氧條件下，谷氨酸合成所需的丙酮酸以后的氧化是因在缺氧條件下，谷氨酸合成所需的丙酮

6、酸以后的氧化反應(yīng)停滯，導(dǎo)致丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸。但是，如供氧過量，反應(yīng)停滯，導(dǎo)致丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸。但是，如供氧過量，則不利于則不利于酮戊二酸進(jìn)一步還原氨基化，導(dǎo)致酮戊二酸進(jìn)一步還原氨基化，導(dǎo)致酮戊二酸的酮戊二酸的積累。積累。溶氧是需氧發(fā)酵控制最重要的參數(shù)之一。由于氧在水、發(fā)酵液的溶解度都很小，因此，需要不斷通風(fēng)和攪拌，才能滿足不同發(fā)酵過程對(duì)氧的需求。溶氧對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。溶氧對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。例例1 1：谷氨酸發(fā)酵：谷氨酸發(fā)酵供氧不足時(shí)，谷氨酸積累就會(huì)明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和供氧不足時(shí)，谷氨酸積累就會(huì)明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和琥珀酸。琥珀酸。例例2 2：維

7、生素：維生素 薛氏丙酸菌發(fā)酵生產(chǎn)維生素薛氏丙酸菌發(fā)酵生產(chǎn)維生素 中，維生素中，維生素 的組成部的組成部分咕啉醇酰胺（又稱因子）的生物合成前期的兩種主要酶分咕啉醇酰胺（又稱因子）的生物合成前期的兩種主要酶會(huì)受到氧的阻遏，限制氧的供給才能積累大量的因子，會(huì)受到氧的阻遏，限制氧的供給才能積累大量的因子，因子又在供氧的條件下才能轉(zhuǎn)變成維生素因子又在供氧的條件下才能轉(zhuǎn)變成維生素 ，因而采用，因而采用厭氧和供氧相結(jié)合的方法有利于維生素厭氧和供氧相結(jié)合的方法有利于維生素 的合成。的合成。據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)溶氧下降到時(shí)，就從好氣培養(yǎng)轉(zhuǎn)為厭據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)溶氧下降到時(shí)，就從好氣培養(yǎng)轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)，酶的活力可提高倍，這說

8、明控制溶氧的重要性。氣培養(yǎng)，酶的活力可提高倍，這說明控制溶氧的重要性。例例3 3：金霉素發(fā)酵：金霉素發(fā)酵對(duì)抗生素發(fā)酵來說，氧的供給更為重要。對(duì)抗生素發(fā)酵來說，氧的供給更為重要。金霉素發(fā)酵，在生長期中短時(shí)間停止通風(fēng)，就可能影響菌金霉素發(fā)酵，在生長期中短時(shí)間停止通風(fēng)，就可能影響菌體在生產(chǎn)期的糖代謝途徑，由途徑轉(zhuǎn)向途徑，體在生產(chǎn)期的糖代謝途徑，由途徑轉(zhuǎn)向途徑，使金霉素合成的產(chǎn)量減少。使金霉素合成的產(chǎn)量減少。金霉素金霉素上的氧還直接來源于溶解氧，所以，溶氧對(duì)菌上的氧還直接來源于溶解氧，所以，溶氧對(duì)菌體代謝和產(chǎn)物合成都有影響。體代謝和產(chǎn)物合成都有影響。微生物的耗氧速率受發(fā)酵液中氧的濃度的影響，各種微生微

9、生物的耗氧速率受發(fā)酵液中氧的濃度的影響，各種微生物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)最低要求，這一溶氧濃度叫物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)最低要求，這一溶氧濃度叫做做臨界氧濃度臨界氧濃度，以，以臨界臨界 表示。表示。好氣性微生物的臨界氧濃度一般為好氣性微生物的臨界氧濃度一般為0.003-0.050.003-0.05/ /，某些微生物的臨界氧濃度：某些微生物的臨界氧濃度：不同種類的微生物的需氧量不同不同種類的微生物的需氧量不同 一般為一般為/ /（. .）。）。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件的不同而異。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件的不同而異。 a a、菌體生長和形成產(chǎn)物時(shí)的耗氧量往往不同；、

10、菌體生長和形成產(chǎn)物時(shí)的耗氧量往往不同； b b、 一般幼齡菌生長旺盛，其呼吸強(qiáng)度大，但一般幼齡菌生長旺盛，其呼吸強(qiáng)度大，但是種子培養(yǎng)階段由于菌體濃度低，總的耗氧量也較低；是種子培養(yǎng)階段由于菌體濃度低，總的耗氧量也較低； c c 、晚齡菌的呼吸強(qiáng)度弱，但在發(fā)酵階段，由、晚齡菌的呼吸強(qiáng)度弱，但在發(fā)酵階段，由于菌體濃度高，耗氧量大。于菌體濃度高，耗氧量大。舉例：舉例：青霉素產(chǎn)生菌培養(yǎng)青霉素產(chǎn)生菌培養(yǎng)8080的耗氧速率為的耗氧速率為40mmol/40mmol/（. .）；）；鏈霉素產(chǎn)生菌培養(yǎng)鏈霉素產(chǎn)生菌培養(yǎng)1212的耗氧速率為的耗氧速率為5mmol/(L.h)5mmol/(L.h)；黑曲霉生長的最大耗

11、氧速率為黑曲霉生長的最大耗氧速率為 mmol/(L.h) mmol/(L.h) ，而產(chǎn)而產(chǎn)淀粉酶時(shí)的最大耗氧速率為淀粉酶時(shí)的最大耗氧速率為 mmol/(L.h) mmol/(L.h) ；谷氨酸生產(chǎn)菌在種子培養(yǎng)谷氨酸生產(chǎn)菌在種子培養(yǎng)7 7的耗氧速率為的耗氧速率為13 13 mmol/(L.h) mmol/(L.h) ，發(fā)酵的耗氧速率為，發(fā)酵的耗氧速率為50 mmol/(L.h) 50 mmol/(L.h) ，發(fā)酵的耗氧速率為發(fā)酵的耗氧速率為51mmol/(L.h) 51mmol/(L.h) 。為避免發(fā)酵處于限氧條件下，需考查為避免發(fā)酵處于限氧條件下，需考查臨界氧濃度臨界氧濃度和和最適氧最適氧濃度

12、濃度，并使發(fā)酵過程保持在最適濃度。，并使發(fā)酵過程保持在最適濃度。最適溶氧濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)，最適溶氧濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)，這由實(shí)驗(yàn)來確定。這由實(shí)驗(yàn)來確定。舉例：舉例： 青霉素發(fā)酵的臨界氧濃度在青霉素發(fā)酵的臨界氧濃度在/ /之間，低于此值就會(huì)對(duì)青霉素合成帶來損失，時(shí)間愈長，之間，低于此值就會(huì)對(duì)青霉素合成帶來損失，時(shí)間愈長，損失愈大。損失愈大。舉例： 氨基酸發(fā)酵需氧量與氨基酸的合成途徑密切相關(guān)。 根據(jù)發(fā)酵需氧要求不同可分為三類：第一類第一類 谷氨酸、谷氨谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸酰胺、精氨酸和脯氨酸等等谷氨酸系氨基酸谷氨酸系氨基酸，在，在菌體呼吸充足

13、的條件下，菌體呼吸充足的條件下，產(chǎn)量才最大，如供氧不產(chǎn)量才最大，如供氧不足，合成就會(huì)受到強(qiáng)烈足，合成就會(huì)受到強(qiáng)烈抑制，大量積累乳酸和抑制，大量積累乳酸和琥珀酸；琥珀酸；第二類第二類 異亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和天賴氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸，即冬氨酸，即天冬氨酸天冬氨酸系氨基酸系氨基酸，供氧充足，供氧充足可得最高產(chǎn)量，但供可得最高產(chǎn)量，但供氧受限產(chǎn)量受影響并氧受限產(chǎn)量受影響并不明顯；不明顯；第三類第三類 亮氨酸、纈亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限、細(xì)胞呼吸受供氧受限、細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才能獲得最大抑制時(shí)，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)

14、物形成反而受充足，產(chǎn)物形成反而受到抑制。到抑制。p氨基酸生物合成途徑的不同引起需氧不同，因?yàn)椴煌x氨基酸生物合成途徑的不同引起需氧不同，因?yàn)椴煌x途徑產(chǎn)生不同數(shù)量的（），則進(jìn)行氧化所需溶途徑產(chǎn)生不同數(shù)量的（），則進(jìn)行氧化所需溶氧量也就不同。氧量也就不同。第一類：是經(jīng)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)第一類：是經(jīng)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個(gè)途徑形成的，產(chǎn)生的量最多，需氧量也最多，兩個(gè)途徑形成的，產(chǎn)生的量最多，需氧量也最多，供氧愈多，合成愈順利。供氧愈多，合成愈順利。第二類：合成途徑是乙醛酸循環(huán)或磷酸烯醇式丙酮酸羧化第二類：合成途徑是乙醛酸循環(huán)或磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)，產(chǎn)生

15、的量不多，因而與供氧量關(guān)系不明顯。系統(tǒng)，產(chǎn)生的量不多，因而與供氧量關(guān)系不明顯。第三類：不經(jīng)循環(huán)，產(chǎn)量很少，過量供氧第三類：不經(jīng)循環(huán)，產(chǎn)量很少，過量供氧反而起抑制作用。反而起抑制作用。由此可知，供氧大小與產(chǎn)物的生物合成途徑密切相關(guān)。由此可知，供氧大小與產(chǎn)物的生物合成途徑密切相關(guān)。正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化都有自己正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化都有自己的規(guī)律。的規(guī)律。舉例：舉例：谷氨酸和紅霉素發(fā)酵前期，菌大量繁殖，需氧量不斷增大，需溶谷氨酸和紅霉素發(fā)酵前期，菌大量繁殖，需氧量不斷增大，需溶氧濃度下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰，菌的攝氧率、菌濃、黏度也同時(shí)出氧濃度下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰，

16、菌的攝氧率、菌濃、黏度也同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰。這都說明產(chǎn)生菌正處在對(duì)數(shù)生長期?，F(xiàn)一個(gè)高峰。這都說明產(chǎn)生菌正處在對(duì)數(shù)生長期。過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧經(jīng)過一段時(shí)間的平穩(wěn)階段過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧經(jīng)過一段時(shí)間的平穩(wěn)階段（如谷氨酸發(fā)酵）或隨之上升（如抗生素發(fā)酵）后，就開始形成（如谷氨酸發(fā)酵）或隨之上升（如抗生素發(fā)酵）后，就開始形成產(chǎn)物，溶氧也不斷上升。產(chǎn)物，溶氧也不斷上升。谷氨酸發(fā)酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在谷氨酸發(fā)酵的溶氧低峰在，而抗生素的溶氧低峰在，低峰出現(xiàn)的時(shí)間和低峰溶氧隨菌種、工藝條件和設(shè)，低峰出現(xiàn)的時(shí)間和低峰溶氧隨菌種、工藝條件和設(shè)備供氧能力的不同而異。備供氧能力的

17、不同而異。發(fā)酵中后期，對(duì)于分批發(fā)酵來說，溶氧變化比較小。發(fā)酵中后期，對(duì)于分批發(fā)酵來說，溶氧變化比較小。在生產(chǎn)后期，由于菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，溶氧也會(huì)逐在生產(chǎn)后期，由于菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，溶氧也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧更會(huì)明顯上升。步上升，一旦菌體自溶，溶氧更會(huì)明顯上升。補(bǔ)料對(duì)溶氧的影響：補(bǔ)料對(duì)溶氧的影響：當(dāng)外界進(jìn)行補(bǔ)料（包括碳源、前體、消沫油）時(shí)，則溶氧當(dāng)外界進(jìn)行補(bǔ)料（包括碳源、前體、消沫油）時(shí)，則溶氧發(fā)生改變，其變化大小和持續(xù)時(shí)間的長短隨補(bǔ)料時(shí)的菌齡、發(fā)生改變，其變化大小和持續(xù)時(shí)間的長短隨補(bǔ)料時(shí)的菌齡、補(bǔ)入物質(zhì)的種類和劑量不同而不同。補(bǔ)入物質(zhì)的種類和劑量不同而不同。如補(bǔ)加糖后，發(fā)

18、酵液的攝氧率增加，引起溶氧下降，經(jīng)過如補(bǔ)加糖后，發(fā)酵液的攝氧率增加，引起溶氧下降，經(jīng)過一段時(shí)間后又逐步回升；繼續(xù)補(bǔ)糖，甚至降至臨界氧濃度一段時(shí)間后又逐步回升；繼續(xù)補(bǔ)糖，甚至降至臨界氧濃度以下，因而成為生產(chǎn)上的限制因素。以下，因而成為生產(chǎn)上的限制因素。在發(fā)酵過程中，有時(shí)出現(xiàn)溶氧明顯降低或明顯升高的異常在發(fā)酵過程中，有時(shí)出現(xiàn)溶氧明顯降低或明顯升高的異常變化，常見的是溶氧下降。變化，常見的是溶氧下降。造成異常變化的原因有兩方面：耗氧或供氧出現(xiàn)了異?；蛟斐僧惓Ｗ兓脑蛴袃煞矫妫汉难趸蚬┭醭霈F(xiàn)了異?；虬l(fā)生了障礙。發(fā)生了障礙。從溶解氧濃度的變化，可以了解微生物生長代謝是否正常，從溶解氧濃度的變化，可以了

19、解微生物生長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足，查出發(fā)酵不工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足，查出發(fā)酵不正常的原因，控制好發(fā)酵生產(chǎn)。正常的原因，控制好發(fā)酵生產(chǎn)。引起溶氧異常下降的原因：引起溶氧異常下降的原因： 污染好氣性雜菌。 菌體代謝發(fā)生異常，需氧量增加，使溶氧下降。 設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化， 例如：a 攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢； b 消泡劑因自動(dòng)加油器失靈或人為加入量太多； c 停止攪拌、悶罐（罐排氣封閉）等。引起溶氧異常升高的原因引起溶氧異常升高的原因在供氧條件沒有發(fā)生變化的情況下，主要是耗氧出現(xiàn)改變，在供氧條件沒有發(fā)生變化的情況下，主要是耗氧出現(xiàn)改變，

20、如菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降，使溶氧上升。如菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特別是特別是污染烈性噬菌體污染烈性噬菌體，影響最為明顯，產(chǎn)生菌尚未裂解，影響最為明顯，產(chǎn)生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌體破裂后，前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌體破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直線上升。完全失去呼吸能力，溶氧就直線上升。微生物只能利用溶解狀態(tài)下的氧（氣液界面處的微生物也能直接利用氣相中的氧）。氧是很難溶解的氣體，在、下，在發(fā)酵液中的溶解氧為/，在這種溶氧濃度下菌的正常呼吸只能維持。由于微生物不斷消耗發(fā)酵液中的氧，而氧的溶解度又很低，故必須采取強(qiáng)化供氧。

21、在發(fā)酵工業(yè)中，隨著高產(chǎn)菌株的篩得，高濃度發(fā)酵、豐富培養(yǎng)基的采用對(duì)通氣和攪拌的要求更高。在豐富培養(yǎng)基內(nèi)，發(fā)酵旺盛期間，即使培養(yǎng)液完全被空氣飽和，它所貯存的氧也是很少的，只能維持菌正常呼吸，之后菌的呼吸就受到抑制。這種隨時(shí)都有窒息可能的狀態(tài)，是由于微生物在人工環(huán)境內(nèi)比較集中，濃度大；另外在這種稠厚的培養(yǎng)液中氧的溶解度比在水中更小。這就決定了大多數(shù)的好氣性發(fā)酵需要有適當(dāng)?shù)耐鈼l件才能維持一定的生產(chǎn)水平。近年來，許多好氣性發(fā)酵已發(fā)展到如此地步，以致氧的需求超過現(xiàn)有的發(fā)酵設(shè)備的氧傳遞的能力，其后果是氧傳遞率成為這種發(fā)酵生產(chǎn)的限制因素。愈來愈多的事實(shí)表明，氧的供應(yīng)不足可能引起生產(chǎn)菌種的不可彌補(bǔ)的損失，或可

22、能導(dǎo)致細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)向所不需的化合物的產(chǎn)生。由于菌體的新陳代謝與氧氣呼吸有關(guān)，調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌，可影響發(fā)酵周期的長短和代謝產(chǎn)物生成的多少。而了解長菌階段和產(chǎn)物產(chǎn)生階段的最適需氧量，就可以分別合理地供氧，因此，溶解氧的控制是極其重要的。事實(shí)上，發(fā)酵液中氧的濃度并不需要達(dá)到飽和濃度，只要維持在氧的臨界濃度以上即可。因此，應(yīng)盡可能了解發(fā)酵過程中菌的臨界氧濃度和達(dá)到最高發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度，即菌的生長和發(fā)酵產(chǎn)物形成過程中的最高需氧量，以便分別合理地供給足夠氧氣。通常攪拌可增加通氣效果，且通氣本身也具有攪拌作用，因此，發(fā)酵上常把通氣和攪拌看作一個(gè)作業(yè)。目前，在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率是很低的。在抗生素發(fā)酵方面，被

23、微生物利用的氧不超過空氣含氧量的。在谷氨酸發(fā)酵方面，氧的利用率為。就是說，有大量的經(jīng)過凈化處理的無菌空氣被浪費(fèi)掉。因此，提高供氧效率，就能大大降低空氣消耗量，減少動(dòng)力消耗，且減少染菌機(jī)會(huì)，減少泡沫形成，提高設(shè)備利用率。在需氧發(fā)酵中，首先是氣相中的氧溶解到發(fā)酵液中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上而被利用。這一傳遞過程又可分為供氧及耗氧兩個(gè)方面。供氧：是指空氣中的氧氣從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。耗氧：是指氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)。氧在傳遞過程中必須克服一系列阻力。（）氧膜阻力 1/k1，為氣體主流及氣液界面間的氣膜阻力，與空氣情況有關(guān)。（）氣液界

24、面阻力1/k2，與空氣情況有關(guān)，只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。（）液膜阻力1/k3，為從氣液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。（）液流阻力1/k4 ，液流阻力也是與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)的，通常它不作為一項(xiàng)重要阻力，因在液體主流中氧的濃度是假定不變的。當(dāng)然，只有在適當(dāng)攪拌情況下才如此。（）細(xì)胞周圍液膜阻力1/k5，細(xì)胞周圍液膜阻力同樣與發(fā)酵液的成分和濃度有關(guān)。（）菌絲叢或團(tuán)內(nèi)的擴(kuò)散阻力1/k6，這種阻力與微生物的種類、生理特性有關(guān)。單細(xì)胞的細(xì)菌和酵母不存在這種阻力，對(duì)于菌絲這種阻力最為突出。（）細(xì)胞膜的阻力1/k7，細(xì)胞膜的阻力與微生物的生理特

25、性有關(guān)。（）細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力1/k8，細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力是指氧分子與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反應(yīng)時(shí)的阻力，與微生物的種類、生理特性有關(guān)。由于氧是難溶于水的氣體，所以在供氧方面液膜是一個(gè)控制過程，即1/k3是較為顯著的，使氣泡和液體充分混合而產(chǎn)生的湍動(dòng)可以減少這方面的阻力。在耗氧方面，液體主流和細(xì)胞壁上氧的濃度相差很小，也就是說氧通過細(xì)胞周圍液膜的阻力很小，但此液膜阻力隨細(xì)胞外徑的增加而增大。在有攪拌的情況下，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少，液體和菌絲間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增加，因而減少了膜厚，也減少了阻力。通常耗氧方面阻力主要是1/k6與 1/k7，即由菌絲叢內(nèi)擴(kuò)散阻力與細(xì)胞膜阻力所引起，但攪拌可以減少逆向擴(kuò)散的梯度，因此也可降低這方面

26、的阻力。至于細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力1/k8，可因下列情況而產(chǎn)生：（）培養(yǎng)基成分與其相應(yīng)的酶的作用失活；（）一些生理?xiàng)l件如溫度、值等不適于酶的反應(yīng)；（）一些代謝物的積累或其不能及時(shí)從反應(yīng)處移去。氣體溶解于液體的假說。氧首先由氣相擴(kuò)散到氣液兩相的接觸界面，再進(jìn)入液相，界面的一側(cè)是氣膜，另一側(cè)是液膜，氧由氣相擴(kuò)散到液相必須穿過這兩層膜。傳遞的動(dòng)力與阻力氧從空氣擴(kuò)散到氣液界面這一段的推動(dòng)力是空氣中氧的分壓與界面處氧的分壓之差，即 ，氧穿過界面溶于液體，繼續(xù)擴(kuò)散到液體中的推動(dòng)力是界面處氧的濃度與液體中氧的濃度之差，即 。與這兩個(gè)推動(dòng)力相對(duì)應(yīng)的阻力是氣膜阻力 1/kG和液膜阻力1/kL 。單位接觸界面氧的傳遞速率

27、：式中：式中： 為單位接觸界面的氧傳遞速率，為單位接觸界面的氧傳遞速率，/ /（3 3. .）；）； 、 分別為氣相中和氣、液界面處氧分壓，；分別為氣相中和氣、液界面處氧分壓，； 、 分別為液相中和氣、液界面處氧的濃度，分別為液相中和氣、液界面處氧的濃度，/ /3 3 ； 為氣膜傳質(zhì)系數(shù)，為氣膜傳質(zhì)系數(shù)，/ /（2 2. . .）；）； 為液膜傳質(zhì)系數(shù)，為液膜傳質(zhì)系數(shù)，/ /（2.2. ./ /3 3）或）或/ /。通常情況下，不可能測定界面處的氧分壓和氧濃度，所以式（-）不能直接用于實(shí)際。為計(jì)算方便，并不單獨(dú)使用 或 ，而改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動(dòng)力，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) （ * * ） （* * ）

28、（- -） 為以氧分壓差為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，/（ 2.）； 為以氧濃度差為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，/；* 為與液相中氧濃度相平衡時(shí)氧的分壓，；* 為與氣相中氧分壓 達(dá)平衡時(shí)氧的溶解度，/3 。亨利定律亨利定律根據(jù)亨利定律，與溶解濃度達(dá)到平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的分子分?jǐn)?shù)成正比，即式中，為亨利常數(shù)，它表示氣體溶解于液體的難易程度。如在亞硫式中，為亨利常數(shù)，它表示氣體溶解于液體的難易程度。如在亞硫酸鹽溶液中，當(dāng)氧分壓為、溶氧濃度為酸鹽溶液中，當(dāng)氧分壓為、溶氧濃度為/ /時(shí)，其亨利常數(shù)時(shí)，其亨利常數(shù) /c/c* * /0.2/0.2 （m m. ./ /） 6 6 （. ./ /）根據(jù)式（根據(jù)

29、式（- -），有），有 N NA A/(/(* *) ) 對(duì)于易溶氣體，如氨溶于水，值甚小，式（-）右邊第二項(xiàng)可忽略，則 ，說明該溶解過程的主要阻力是氣膜阻力。 對(duì)于難溶氣體，如氧溶于水，值甚大，式（-）右邊第二項(xiàng)可以略去，則 ，說明這一過程液膜阻力是主要因素。雙膜理論的局限性由于傳質(zhì)理論隨著生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展而不斷發(fā)展，目前雙膜理論不足以完全說明氣液間傳質(zhì)的現(xiàn)象。例如，膜的存在是以分子擴(kuò)散為依據(jù)，但實(shí)際是否存在雙膜還有疑問，傳質(zhì)不僅僅是分子擴(kuò)散，還包括各種因素。所以說雙膜理論尚不完善，以后又提出過許多理論，如滲透理論、表面更新理論等，但同樣尚待完善. 要保持發(fā)酵液一定的溶氧速率，正是為滿足微生物

30、的呼吸代謝活動(dòng)的耗氧速率。 如果溶氧速率小于微生物的耗氧速率，則發(fā)酵液中氧逐漸耗盡，當(dāng)溶液中氧濃度低于臨界氧濃度時(shí)，就要影響微生物的生長發(fā)育和代謝產(chǎn)物生成。 因此，供氧與耗氧至少必須平衡。式中， 為微生物的呼吸強(qiáng)度，即單位菌體細(xì)胞（干重）單位時(shí)間內(nèi)的需氧量，/（.）或 /（.）；（）為菌體細(xì)胞的質(zhì)量濃度，/。供氧與耗氧平衡時(shí)：但是，在實(shí)際發(fā)酵過程中，這種平衡的建立往往是暫時(shí)的，因發(fā)酵過程中培養(yǎng)物生化、物理等性質(zhì)隨時(shí)變化，相應(yīng)氧傳遞情況也不斷變化，平衡不斷地被打破，又重新建立。亦可稱為“通氣效率”，可用來衡量發(fā)酵罐的通氣狀況，高值表示通氣條件富余，低值表示通氣條件貧乏。在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液內(nèi)某瞬

31、間溶氧濃度變化可用下式表示：根據(jù)氣液傳質(zhì)方程式（-），可以看出影響氧傳遞速率的因素有溶氧系數(shù)值和推動(dòng)力* 。此外，發(fā)酵罐中液體的體積與高度及發(fā)酵液的物理性質(zhì)等也和供氧有關(guān)，而與溶氧系數(shù)有關(guān)的則有攪拌、空氣線速度、空氣分布器的形式、發(fā)酵液的粘度等，與推動(dòng)力* 有關(guān)的則有發(fā)酵液的深度、氧分壓、發(fā)酵液性質(zhì)等。好氣性發(fā)酵罐通常設(shè)有通風(fēng)攪拌裝置。通風(fēng)是為了供給需氧或兼性需氧微生物適量的空氣，以滿足菌體生長繁殖和積累代謝產(chǎn)物的需要。攪拌的作用是把氣泡打碎，強(qiáng)化流體的湍流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，一方面增加溶氧速率，另一方面使微生物懸浮混合一致，促進(jìn)產(chǎn)物代謝。（）機(jī)械攪拌是提高

32、溶氧系數(shù)行之有效的普遍采用的方法，這是因?yàn)閿嚢杩蓮南铝袔讉€(gè)方面改善溶氧速率： 攪拌能把大的空氣氣泡打成微小氣泡，增加了接觸面積，且小氣泡的上升速度要比大氣泡慢，因此接觸時(shí)間增加。 攪拌使液體作渦流運(yùn)動(dòng)，使氣泡不是直線上升而是做螺旋運(yùn)動(dòng)上升，延長了氣泡的運(yùn)動(dòng)路線，即增加了氣液的接觸時(shí)間。 攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動(dòng)，從而減少了氣泡周圍液膜的厚度，減少了液膜阻力，因而值增大。 攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動(dòng)力均一。同時(shí)，也減少菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。然而，過度強(qiáng)烈的攪拌，產(chǎn)生的剪切作用大，對(duì)細(xì)胞造成損傷，特別對(duì)不同發(fā)酵類型的絲狀菌，更應(yīng)考慮剪切力對(duì)菌體細(xì)

33、胞的損傷。（）攪拌器的形式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對(duì)位置等對(duì)氧的傳遞速率都有影響。 攪拌器形式按液流形式可分為軸向式和徑向式兩種。漿式、錨式、框式和推進(jìn)式的攪拌器均屬于軸向式渦輪式攪拌器則屬于徑向式。渦輪式攪拌器對(duì)于氣-液混合系統(tǒng)，采用圓盤渦輪式攪拌器較好，因而發(fā)酵罐的攪拌器一般采用渦輪式;渦輪式的特點(diǎn)是直徑小，轉(zhuǎn)速快，攪拌效率高，功率消耗較低，主要產(chǎn)生徑向液流，在攪拌器的上下兩面形成兩個(gè)循環(huán)的翻騰，可以延長空氣在發(fā)酵罐中的停留時(shí)間，有利于氧在醪液中溶解。根據(jù)攪拌器的主要作用，打碎氣泡主要靠下組攪拌，上組主要起混合作用，因此，下組宜采用圓盤渦輪式攪拌器，上組采用平槳式攪

34、拌器。圓盤渦輪攪拌器圓盤渦輪攪拌器的情況可用的情況可用發(fā)酵罐攪拌液體翻動(dòng)流型圖發(fā)酵罐攪拌液體翻動(dòng)流型圖來說明，如圖來說明，如圖- -所示。所示。擋板作用：不帶擋板的攪拌流型，在中部液面下陷，形成一個(gè)很深的漩渦，攪拌功率降低，大部分功率消耗在漩渦部分，靠近罐壁處流體速度很低，氣液混合不均勻。帶擋板的攪拌流型，流體從攪拌器徑向甩出去后，遇到擋板的阻礙，形成向上、向下兩部分垂直方向的流動(dòng)，向上部分經(jīng)過液面后，流經(jīng)軸向而轉(zhuǎn)下，不發(fā)生中央下陷的漩渦，液體表面外觀是旋轉(zhuǎn)起伏的波動(dòng)。兩個(gè)攪拌器之間：液體發(fā)生向上、向下的垂直流動(dòng)，流近攪拌器圓盤外隨著攪拌器葉輪向外甩出，經(jīng)罐壁遇到擋板的阻礙，迫使液體又發(fā)生垂直

35、運(yùn)動(dòng)，這樣在兩只攪拌器的上、下方各自形成了自中間軸到罐壁的循環(huán)流動(dòng)。下組攪拌器下方：罐底中間部分液體被迫向上，然后順著攪拌器徑向甩出，形成循環(huán)。攪拌器的相對(duì)位置對(duì)攪拌效果影響很大：攪拌器的相對(duì)位置對(duì)攪拌效果影響很大：如下組攪拌器距罐底太遠(yuǎn)，則罐底部分液如下組攪拌器距罐底太遠(yuǎn)，則罐底部分液體不能全部被提升，造成局部缺氧，距罐體不能全部被提升，造成局部缺氧，距罐底一般以（底一般以（0.80.81 1）為好。）為好。兩組攪拌器之間距離若太大，會(huì)使其中間兩組攪拌器之間距離若太大，會(huì)使其中間部分?jǐn)嚢璨坏?，攪拌效果差；若距離太小，部分?jǐn)嚢璨坏?，攪拌效果差；若距離太小，將會(huì)發(fā)生流體的互相干擾，功率降低，混將

36、會(huì)發(fā)生流體的互相干擾，功率降低，混合效果不好。合效果不好。一般對(duì)非牛頓型發(fā)酵液，粘度大，菌體易一般對(duì)非牛頓型發(fā)酵液，粘度大，菌體易結(jié)團(tuán)，攪拌器間距宜小些，在以下，結(jié)團(tuán)，攪拌器間距宜小些，在以下，對(duì)于牛頓型發(fā)酵液以（）為好。對(duì)于牛頓型發(fā)酵液以（）為好。攪拌轉(zhuǎn)速和葉徑對(duì)溶氧水平和混合程度有很大影響。當(dāng)功率不變時(shí)，即35常數(shù)，低轉(zhuǎn)速、大葉徑或高轉(zhuǎn)速、小葉徑都能達(dá)到同樣的功率，然而、對(duì)溶氧有不同程度的影響。消耗于攪拌的功率與攪拌循環(huán)量攪和液流速度壓頭攪的乘積成正比，即 攪 攪 （-）在湍流狀態(tài)下， 攪 ， 攪 ，而 攪 （-） 攪 （-）從兩式可看出， 攪 與的一次方、的三次方成正比， 攪 與、的二次

37、方成正比。增大對(duì)增加循環(huán)量 攪 、液體混合均勻有利；增大對(duì)提高液流速度壓頭、加強(qiáng)湍流程度、提高溶氧水平有利。兩者必須兼顧，既要求有一定的液體速度壓頭，以提高溶氧水平，又要有一定的攪拌循環(huán)量，使混合均勻，避免局部缺氧現(xiàn)象。因此，要根據(jù)具體情況決定和。和的選定：和的選定：空氣流量較小、動(dòng)力消耗較小時(shí)，以小葉徑、高轉(zhuǎn)速為好；空氣流量較小、動(dòng)力消耗較大時(shí)，的大小對(duì)通氣效果的影響不太大；空氣流量大、功率消耗小時(shí)，以大葉徑、低轉(zhuǎn)速為好；空氣流量和動(dòng)力消耗都較大時(shí)，以小葉徑、高轉(zhuǎn)速為好；粘度大、菌絲易結(jié)團(tuán)的非牛頓型發(fā)酵液，以大葉徑、低轉(zhuǎn)速、多組攪拌器較好；粘度小、菌體易分散均勻的牛頓型發(fā)酵液，以小葉徑、高轉(zhuǎn)

38、速較好。攪拌組數(shù)對(duì)溶氧的影響。攪拌組數(shù)對(duì)溶氧的影響。攪拌組數(shù)對(duì)溶氧也有較大影響，確定裝設(shè)幾組攪拌器既要攪拌組數(shù)對(duì)溶氧也有較大影響，確定裝設(shè)幾組攪拌器既要考慮到有利于提高溶氧水平，又要保證混合均勻。考慮到有利于提高溶氧水平，又要保證混合均勻。例如：例如：在在/ /2.42.4的發(fā)酵罐中，當(dāng)培養(yǎng)物為牛頓型醪液的發(fā)酵罐中，當(dāng)培養(yǎng)物為牛頓型醪液時(shí)，在功率相同的條件下，兩組攪拌器的亞硫酸鹽法測定時(shí)，在功率相同的條件下，兩組攪拌器的亞硫酸鹽法測定的溶氧值的溶氧值 比三組攪拌器的比三組攪拌器的 值高。但，對(duì)粘度較高值高。但，對(duì)粘度較高的絲狀發(fā)酵液，當(dāng)粘度的絲狀發(fā)酵液，當(dāng)粘度 . .時(shí)，三組時(shí)，三組攪拌器的攪

39、拌器的 值比兩組攪拌器的值比兩組攪拌器的 值高；而當(dāng)值高；而當(dāng) . .時(shí)，三組和兩組攪拌的時(shí)，三組和兩組攪拌的值基本相等。值基本相等。擋板：目前國內(nèi)大發(fā)酵罐均用排管代替擋板，但一般不如擋板效果好。擋板寬度一般為罐徑的 1/121/10，與罐壁垂直，與罐壁留有空隙，擋板略高于液面，下端接罐底。一般發(fā)酵罐可裝置個(gè)擋板，多裝則通氣效率增加不明顯。擋板能使液體形成軸向運(yùn)動(dòng)，因而提高了混合效果，改善了氧的傳遞條件，特別是在低攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)更為顯著。溶氧系統(tǒng)與空氣線速度 有以下關(guān)系： 式中，是溶解氧系數(shù)； 為空氣線速度（/）； 為指數(shù)，在0.40.72之間，隨攪拌形式而異。這個(gè)關(guān)系說明通氣效率或是隨空氣量增多

40、而增大的。當(dāng)增加通風(fēng)量時(shí)，相應(yīng)增加，從而增大溶氧；但是，只增加風(fēng)量而轉(zhuǎn)速不變時(shí)，功率會(huì)降低，又會(huì)使溶氧系數(shù)降低。過載現(xiàn)象過載現(xiàn)象空氣線速度過大時(shí)，會(huì)發(fā)生“過載”現(xiàn)象，這時(shí)，槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。開放式渦輪（無圓盤的）或槳葉攪拌器易發(fā)生過載，即氣體可不經(jīng)分散而沿?cái)嚢枞~的緩慢運(yùn)動(dòng)的中心迅速上升。在空氣流速只有21/時(shí)，平漿式攪拌器就會(huì)發(fā)生過載。一般來說，用一個(gè)攪拌葉的過載空氣流速為90m/，用兩個(gè)攪拌葉的過載空氣流速可增至150/。空氣分布管的形式、噴口直徑及管口與罐底距離的相對(duì)位置對(duì)氧溶解速率有較大的影響，在發(fā)酵罐中采用的空氣分布裝置有單

41、管、多孔環(huán)管及多孔分支環(huán)管等幾種?？諝夥植计鞯念愋瓦x擇空氣分布器的類型選擇當(dāng)通風(fēng)量小（/）時(shí)，氣泡的直徑與空氣噴口直徑的 1/3次方成正比，就是說，噴口直徑越小，氣泡的直徑越小，溶氧系數(shù)就越大。但是，一般發(fā)酵工業(yè)的通風(fēng)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)范圍。這時(shí)，氣泡直徑與通風(fēng)量有關(guān)，而與噴口直徑無關(guān)。即在通風(fēng)量大時(shí)，采用單管或環(huán)形管，其通風(fēng)效應(yīng)不受影響。但是，環(huán)形管的小孔極易堵塞，因此，發(fā)酵工業(yè)大多采用單管空氣分布器。空氣分布器的位置空氣分布器的位置空氣分布器在攪拌器下方的罐底中間位置，管口向上(?)，使空氣噴出后就被攪拌器打碎，從而提高了通氣效率。管口與罐底距離根據(jù)發(fā)酵罐形式等具體確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)/時(shí)

42、，管口距罐底；當(dāng)/時(shí)，管口距罐底。管徑可按空氣流速/左右計(jì)算，環(huán)形管的環(huán)徑以等于為好，小孔直徑為，小孔總面積大致與通風(fēng)截面積相等。由氧傳質(zhì)方程式看出，增加推動(dòng)力（* ）或（ * ）可使氧的溶解度增加。根據(jù)亨利定律：平衡狀態(tài)時(shí)液體中氧的溶解度/式中為亨利常數(shù)，與溫度及液體中固形物質(zhì)的濃度有關(guān)； 為氧的分壓。從上式可知，增加空氣中氧的分壓可使氧的溶解度增大，增加空氣壓力，即增大罐壓，或用含氧較多的空氣或純氧都能增加氧的分壓。提高罐壓的問題：一般微生物在個(gè)大氣壓以下的壓力下不會(huì)受到損害，因此適當(dāng)提高空氣壓力（即提高罐壓）對(duì)提高通風(fēng)效果是有好處的。但是，過分增加罐中空氣壓力是不值得提倡的，因?yàn)楣迚涸龃?/p>

43、，空氣壓力增大，整個(gè)設(shè)備耐壓性就要提高，從而使設(shè)備費(fèi)用投資大大增加。同時(shí)，氧的分壓過高也會(huì)影響菌的生理代謝。據(jù)報(bào)道，氧分壓過高會(huì)造成微生物暫時(shí)的中毒現(xiàn)象，中毒容易與否取決于微生物的種類和培養(yǎng)條件，而純氧成本高。一般在不增加功率消耗和空氣流量時(shí)，增加發(fā)酵液體積會(huì)使通風(fēng)效率降低，特別是在通風(fēng)量較小時(shí)更顯著。但是，在空氣流量和單位發(fā)酵液體積消耗功率不變時(shí)，通風(fēng)效率隨/的增大而增加，看來以高些為好，/為罐的徑高比。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)罐的徑高比/從增加到時(shí)， 可增加左右；當(dāng)罐的徑高比/從增加到時(shí)，增加。由此可見，罐的徑高比/小則氧的利用率差，因而國外傾向于采用較高的/。據(jù)報(bào)道，國外通常采用/，國內(nèi)有些工廠

44、采用/，使用效果良好。但/太大，溶氧系數(shù)反而增加不大；相反，由于罐身過高，罐內(nèi)液柱過高，液柱壓差增大，氣泡體積縮小，有氣液界面積小的缺點(diǎn)，且/太大，廠房要求也提高。一般罐徑高比/在之間為宜。通常，發(fā)酵罐體積大的氧利用率高，體積小的氧利用率低。在幾何形狀相似的條件下，發(fā)酵罐體積大的氧利用率可達(dá)，而體積小的氧利用率只有。發(fā)酵罐大小不同，所需攪拌轉(zhuǎn)數(shù)與通風(fēng)量不同，大罐的轉(zhuǎn)數(shù)較低，通風(fēng)量較小。因?yàn)槿羧苎跸禂?shù)值保持一定，大罐氣液接觸時(shí)間長，氧的溶解率高，攪拌和通風(fēng)均可小些。表-為不同容積發(fā)酵罐所需攪拌與通風(fēng)的關(guān)系。保持溶氧系數(shù)相等，通風(fēng)量隨發(fā)酵罐容積的增大而相對(duì)減少，如表所示。在發(fā)酵過程中，微生物分解并

45、利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體、積累代謝產(chǎn)物等都引起培養(yǎng)液的物理性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子濃度等，從而影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。粘度粘度粘度影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。粘度影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。此外，發(fā)酵液粘度的改變還影響液體的湍動(dòng)性、界面或液此外，發(fā)酵液粘度的改變還影響液體的湍動(dòng)性、界面或液膜阻力，從而影響溶氧速率。特別是非牛頓型流體的霉菌膜阻力，從而影響溶氧速率。特別是非牛頓型流體的霉菌的發(fā)酵液，其溶氧系數(shù)和培養(yǎng)基組成有關(guān)。的發(fā)酵液，其溶氧系數(shù)和培養(yǎng)基組成有關(guān)。通常，當(dāng)發(fā)酵液濃度增大、粘度增大時(shí)，通常，當(dāng)發(fā)酵液濃度增大、

46、粘度增大時(shí)，值降低。值降低。泡沫發(fā)酵過程中由于形成大量泡沫，菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響了氧的傳遞。這種情況下可加入適量的消泡劑，消除泡沫對(duì)氧溶解的不利影響。但是，消泡劑用量過多，消泡劑聚集在微生物細(xì)胞表面及形成氣泡液膜，增加了傳質(zhì)阻力，大大降低了氧的傳遞速率。溶氧系數(shù)的測定方法很多，最早采用化學(xué)法測定，即溶氧系數(shù)的測定方法很多，最早采用化學(xué)法測定，即亞亞硫酸鹽氧化法硫酸鹽氧化法，繼而是，繼而是極譜法極譜法，直至目前的耐高壓蒸汽，直至目前的耐高壓蒸汽滅菌、靈敏度較高的滅菌、靈敏度較高的復(fù)膜電極復(fù)膜電極的溶解氧測定儀，可以測的溶解氧測定儀，可以測定發(fā)酵過程中溶解氧濃度、菌的耗氧速率及溶氧系定

47、發(fā)酵過程中溶解氧濃度、菌的耗氧速率及溶氧系數(shù)數(shù)。此外，還可根據(jù)發(fā)酵過程中基質(zhì)消耗比速，間接計(jì)算出此外，還可根據(jù)發(fā)酵過程中基質(zhì)消耗比速，間接計(jì)算出?，F(xiàn)分別敘述如下?，F(xiàn)分別敘述如下。作用原理此法是利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時(shí)被氧迅速氧化的特性來估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效率的。因?yàn)閬喠蛩猁}的氧化速率遠(yuǎn)較氧的溶解速率為大，所以氧一溶解于液體中就立即被耗盡，從而使溶液中氧濃度為零。當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.0180.47mol/，溫度在2045之間時(shí)，與氧反應(yīng)的速率幾乎不變，用碘量法測定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化量來求得氧的溶解量。式中，為平均溶氧速率，/（.min）；為亞硫酸鈉的濃度，/；

48、 為取樣量，；為兩次取樣的時(shí)間間隔，。 計(jì)算時(shí)，為方便起見，采用罐壓作為推動(dòng)力，同時(shí)溶液中的氧分壓* 等于零，此時(shí)的溶氧系數(shù)叫做亞硫酸鹽氧化值，以 表示：亞硫酸鹽氧化法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：是氧溶解速度和亞硫酸鹽濃度無關(guān)，且反應(yīng)速度快，不需要特殊儀器；缺點(diǎn)：是不及極譜法測定準(zhǔn)確，因?yàn)闇y定的影響因素多，而且工作容積只能在以內(nèi)測定才比較可靠。發(fā)酵液中的溶解氧可用極譜儀來測定，其原理是當(dāng)電解電壓為時(shí)，其擴(kuò)散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。由于氧的分解電壓最低，因此發(fā)酵液中其他物質(zhì)對(duì)測定的影響甚微，且發(fā)酵液中含有氫氧化鈉、磷酸鹽等電解質(zhì)，故可直接用來測定。測定方法：將發(fā)酵液置入極譜儀的電解池中，并記

49、下隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中氧的濃度 的數(shù)值。而發(fā)酵液中氧的飽和濃度* 可以在標(biāo)繪以上所得 的數(shù)據(jù)后，用外推曲線的方法求得（見圖-），同時(shí)曲線斜率的負(fù)數(shù)即為微生物的耗氧速率。式中，為以濃度差為推動(dòng)力的溶氧系數(shù)，-1 或（/）.（2 /3 ）； 為微生物的呼吸強(qiáng)度，/（.）；（）為菌體細(xì)胞的質(zhì)量濃度， g/； 為溶液中氧的實(shí)際濃度，/3;* 為與氣相中氧分壓平衡的溶液中氧的濃度，/3。 可將* 、 及（）值代入式（-）求得：從圖-可見，只要用極譜儀取樣測定發(fā)酵液中氧濃度 ，便可求得發(fā)酵液的飽和溶氧濃度* ，同時(shí)曲線的斜率 /（），則根據(jù)式（-），便可計(jì)算溶氧系數(shù)。 取樣極譜法的缺點(diǎn):樣品取出發(fā)酵罐后

50、，外壓自罐壓降至大氣壓，測得的溶液已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測得的 與在發(fā)酵罐中的實(shí)際情況不完全一致，因而誤差較大。這是一種在非發(fā)酵情況下進(jìn)行的測定方法。在被測定的發(fā)酵罐中充以事先用氮?dú)怛?qū)出溶解氧的發(fā)酵液或/的溶液。當(dāng)開始通氣及攪拌后，定時(shí)取出樣品，用極譜儀或其他溶氧測定儀測出其溶解氧的濃度，將 作縱坐標(biāo)，作橫坐標(biāo)，繪制曲線，求出溶液中飽和的溶氧濃度* ，即將此曲線的最高點(diǎn)用虛線隨橫坐標(biāo)平行推移至與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)便是溶液中飽和氧濃度* ，見圖-。在不穩(wěn)定情況下，發(fā)酵液中沒有微生物細(xì)胞時(shí)，氧分子從氣體主流擴(kuò)散至液體主流的物質(zhì)傳遞速率可由下式表示： 通氣效率可用經(jīng)過積分后的式（-）求出：當(dāng)以（* ）

51、對(duì)標(biāo)繪時(shí)即可得出直線（圖-）。根據(jù)這一直線的斜率便可計(jì)算出通氣效率，即 斜率 （-）排氣法的缺點(diǎn)是不能代表發(fā)酵過程的實(shí)際情況，也不能反映當(dāng)時(shí)發(fā)酵液的特性，同時(shí)也沒有考慮氧濃度差對(duì)溶氧系數(shù)的影響。由于亞硫酸鹽氧化法、取樣法和排氣法都不能反映發(fā)酵過程的實(shí)際情況，因而必須探索能直接測定發(fā)酵過程溶氧系數(shù)的有效方法。目前國內(nèi)外已有應(yīng)用復(fù)膜電極直接測定發(fā)酵過程中溶氧系數(shù)的溶氧測定儀。原理:用能透過氧分子的薄膜將電極系統(tǒng)與被測定溶液分隔開來，因而避免了外界溶液的性質(zhì)及通風(fēng)攪拌所引起的湍動(dòng)對(duì)測定的影響。現(xiàn)已制成耐高溫蒸汽滅菌、靈敏度較高的實(shí)用的聚全氟乙丙烯復(fù)膜銀鉛電極。 利用復(fù)膜電極測定發(fā)酵液中溶解氧濃度、菌

52、的耗氧率及溶氧系數(shù)，這樣測出的及可代表發(fā)酵過程的實(shí)際情況，是較理想的方法。發(fā)酵過程中停止通氣片刻，溶解氧濃度因菌的利用而立即迅速下降，人為地制造一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)（即溶氧速率和耗氧速率不平衡）來求。不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)發(fā)酵液中某一時(shí)間間隔的溶氧量為可改寫成當(dāng)關(guān)閉空氣進(jìn)口閥門時(shí)，發(fā)酵液內(nèi)的溶氧濃度由當(dāng)關(guān)閉空氣進(jìn)口閥門時(shí)，發(fā)酵液內(nèi)的溶氧濃度由 降降至至 ，經(jīng)過，經(jīng)過1 1 時(shí)間后再打開空氣進(jìn)口閥門，溶氧濃度時(shí)間后再打開空氣進(jìn)口閥門，溶氧濃度由由 升至升至 ，其時(shí)間為，其時(shí)間為2 2 。這樣，就可以求得菌。這樣，就可以求得菌的耗氧速率：的耗氧速率：這里假定發(fā)酵液中溶氧濃度的變化并不影響微生物的呼吸速這里假定發(fā)酵

53、液中溶氧濃度的變化并不影響微生物的呼吸速率。用此法不僅能求出菌的耗氧速率，還可由式（）率。用此法不僅能求出菌的耗氧速率，還可由式（）求得溶氧系數(shù)求得溶氧系數(shù)。利用氧分析儀可測定和計(jì)算氣膜體積溶氧系數(shù)利用氧分析儀可測定和計(jì)算氣膜體積溶氧系數(shù)。用。用氧分析儀測定進(jìn)口氣體中氧的分壓氧分析儀測定進(jìn)口氣體中氧的分壓 和出口氣體中氧和出口氣體中氧的分壓的分壓 ，那么進(jìn)、出口氣體中單位時(shí)間的含氧量分，那么進(jìn)、出口氣體中單位時(shí)間的含氧量分別為：別為：式中，（式中，（ ） 、（、（ ） 為進(jìn)、出口氣體中單位為進(jìn)、出口氣體中單位時(shí)間的含氧量，；時(shí)間的含氧量，； 、 為進(jìn)、出口氣體中氧為進(jìn)、出口氣體中氧的分壓，；為通風(fēng)量，的分壓，；為通風(fēng)量， 3 3/ /；p p為氣體的平為氣體的平均總壓力，可取發(fā)酵液平均高度處的壓力。均總壓力，可取發(fā)酵液平均高度處的壓力。全部發(fā)酵中，單位時(shí)間的溶氧量是進(jìn)、出口氣