间接参数检测

1、第三章第三章 间接参数检测间接参数检测第一节第一节 概述概述 在生物反应过程中许多的关键参数，如产物浓度在生物反应过程中许多的关键参数，如产物浓度、底物浓度等在工业上还没有在线可检测的传感器，、底物浓度等在工业上还没有在线可检测的传感器，而这些而这些参数在生物反应过程的控制和优化操作中参数在生物反应过程的控制和优化操作中又非又非常重要。为了获得这些有用的信息，在科学研究上和常重要。为了获得这些有用的信息，在科学研究上和工业生产上往往用间接测量的方法，工业生产上往往用间接测量的方法，即用其他可测量即用其他可测量的参数，通过有关模型进行推断估计，这种测量方法的参数，通过有关模型进行推断估计，这种测

2、量方法有时又称为软测量（模型测量）。有时又称为软测量（模型测量）。因为这种测量方法因为这种测量方法要用多个参数和模型通过计算才能获得有用的信息。要用多个参数和模型通过计算才能获得有用的信息。本章将介绍间接参数测量的一些基本方法。本章将介绍间接参数测量的一些基本方法。参数名称参数名称单位单位测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用温度温度罐压罐压空气流量空气流量搅拌转速搅拌转速搅拌功率搅拌功率粘度粘度浊度浊度泡沫泡沫体积氧传质体积氧传质系数系数KLa CPaV/V.minR/minKWPa.s透光度透光度 l/h 传感器传感器压力表压力表传感器传感器传感器传感器传感器传感器粘度计粘度计传感器

3、传感器传感器传感器间接计算间接计算 维持生长、合成维持生长、合成维持正压、增加溶氧维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高物料混合、提高KLa反映搅拌情况、反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映发酵代谢情况反映供氧效率反映供氧效率 物理参数物理参数参数名称参数名称单位单位测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用pH基质浓度基质浓度溶解氧浓度溶解氧浓度氧化还原电位氧化还原电位产物浓度产物浓度尾气氧浓度尾气氧浓度尾气尾气CO2浓度浓度菌体浓度菌体浓度RNA、DNA含量含量ATP、ADP、A

4、MNADH含量含量摄氧率摄氧率呼吸强度呼吸强度呼吸商呼吸商比生长速率比生长速率 g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌菌.h 1/h 传感器传感器取样取样传感器传感器传感器传感器取样取样传感器传感器传感器传感器取样取样取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算 了解生长和产物合成了解生长和产物合成了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映氧供需情况反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况产物合成情况产物合成情况了解耗氧情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了

5、解生长情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解能量代谢活力了解耗氧速率了解耗氧速率了解比耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解菌的代谢途径了解生长了解生长 化学、生物参数化学、生物参数 目前较常测定的参数有温度、罐压、空目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、气流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓、溶氧、基质浓度、菌体浓度度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积干重、离心压缩细胞体积%)等。等。 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的尾气中的O2和和CO2含量等。含量等。 参数测定方法有：参数测定方法有： 在线测定在线测定 取样测定（

6、离线测定）取样测定（离线测定）主要间接参数主要间接参数 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率物比生产速率。1 氧利用率氧利用率(OUR, oxygen utilization rate) 以单位时间、单位发酵液体积内细胞消以单位时间、单位发酵液体积内细胞消耗的氧量表示的氧利用速率，可以根据耗的氧量表示的氧利用速率，可以根据氧的动态

7、质量平衡进行估算。在发酵过氧的动态质量平衡进行估算。在发酵过程中氧既连续进入系统，也连续排出系程中氧既连续进入系统，也连续排出系统，因此氧的平衡可以表示为：统，因此氧的平衡可以表示为：氧在系氧在系统内的变化率，等于氧进入系统的速率统内的变化率，等于氧进入系统的速率减去氧排出系统的速率和氧在系统内的减去氧排出系统的速率和氧在系统内的消耗速率。消耗速率。呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h） 2 呼吸强度QO2：干菌体浓度摄氧率XrOXrQ:23 二氧化碳释放率二氧化碳释放率(CER, carbon dioxide evolution rate) 在单位时间、单位发

8、酵液体积内细胞释在单位时间、单位发酵液体积内细胞释放的二氧化碳量，叫二氧化碳释放速率放的二氧化碳量，叫二氧化碳释放速率或称二氧化碳生成率，他可以有系统内或称二氧化碳生成率，他可以有系统内二氧化碳的动态质量平衡进行估算。这二氧化碳的动态质量平衡进行估算。这一平衡为一平衡为二氧化碳在系统内的变化等于二氧化碳在系统内的变化等于在系统内产生的速率加上二氧化碳进入在系统内产生的速率加上二氧化碳进入系统的速率减去二氧化碳排出系统的速系统的速率减去二氧化碳排出系统的速率。率。4 呼吸商（呼吸商（RQ, respiration quotient) 二氧化碳释放速率除以氧消耗速率所得到的二氧化碳释放速率除以氧消

9、耗速率所得到的商叫商叫呼吸商。呼吸商。呼吸商是呼吸商是各种碳能源在发酵过各种碳能源在发酵过程中代谢状况的指示值程中代谢状况的指示值，在碳能源限制及供，在碳能源限制及供氧充分的情况下，各种碳能源都趋向完全氧氧充分的情况下，各种碳能源都趋向完全氧化。化。22COOrRQr第二节第二节 微生物的生长速率微生物的生长速率一、比生长速率一、比生长速率1 均衡生长均衡生长 随着细胞质量的增加，细胞内所有可随着细胞质量的增加，细胞内所有可检测的菌体组成物质，如蛋白质、检测的菌体组成物质，如蛋白质、DNADNA、RNARNA等以相同比例增加。等以相同比例增加。2 非均衡生长 类似储存物质的积蓄过程及分批培养初

10、类似储存物质的积蓄过程及分批培养初期细胞组成物质的非均衡快速合成情况等期细胞组成物质的非均衡快速合成情况等则属于非均衡生长。则属于非均衡生长。均衡生长类似于一级自催化反应，以菌体干重的增均衡生长类似于一级自催化反应，以菌体干重的增加为基准的生长速率，加为基准的生长速率，即单位体积培养液中单位时即单位体积培养液中单位时间内生成菌体的干重间内生成菌体的干重与菌体浓度成正比。与菌体浓度成正比。rx = X = rx / X或或式中的比例系数式中的比例系数 称为称为比生长速率比生长速率 相对单位质量干菌体单位时间内增加的干菌体质量；相对单位质量干菌体单位时间内增加的干菌体质量；（g /g h）（1）生

11、物种的生物种的遗传基因遗传基因是决定比生长速率是决定比生长速率大小的大小的决定因素决定因素。细胞包含的遗传信息越复杂，细胞越大，即细胞包含的遗传信息越复杂，细胞越大，即越是高等生物，越是高等生物， 越小。越小。（2 2） 越大越大，说明这种微生物生长得，说明这种微生物生长得越越快快。3 3 特点特点：（4）在在分批培养的对数生长期分批培养的对数生长期， 一一般为般为常数常数。（3 3） 一般情况下微生物的一般情况下微生物的 并非常数并非常数。 因菌体所处的环境条件如温度、因菌体所处的环境条件如温度、pH pH 、培养基组成及浓度等不同而异。培养基组成及浓度等不同而异。若若 为常数，为常数，td

12、 与与 之间存在如下关系：之间存在如下关系：4 倍增时间（doubling time ; td）： 微微生物的细胞质量（或数量）增大到生物的细胞质量（或数量）增大到2倍倍所需的时间。所需的时间。对于二分分裂繁殖的微生物，倍增时间对于二分分裂繁殖的微生物，倍增时间约等于世代时间约等于世代时间 = ln2/td 0.693/td微生物 温度() (h-1) td嗜热脂肪芽孢杆菌嗜热脂肪芽孢杆菌 60 5.0 8.4min硝化假单胞菌硝化假单胞菌 30 4.2 10min大肠杆菌大肠杆菌 40 2.0 21min产气气杆菌产气气杆菌 37 2.31.4 1830min枯草杆菌枯草杆菌 40 1.6

13、26min 黑曲霉黑曲霉 30 0.35 2h啤酒酵母啤酒酵母 30 0.170.35 24h 不同微生物的比生长速率和世代时间细菌的倍增时间一般0.251h，酵母约为1.152h，霉菌约为26.9h二、二、Monod生长动力学模型及其推广生长动力学模型及其推广1、Monod模型（1）温度和）温度和pH恒定时，恒定时， 随培养基组分浓度变化而变化。随培养基组分浓度变化而变化。（2） 若着眼于某一特定培养基组分的浓度若着眼于某一特定培养基组分的浓度S，并假设其，并假设其它培养基组分浓度不变，则它培养基组分浓度不变，则 是是S 的函数。的函数。 最著名的表达式是最著名的表达式是Monod提出的直角

14、双曲线经验式：提出的直角双曲线经验式：SKsSmaxMonod方程描述比生长速率的代表性模型比生长速率与基质浓度的关系 max称为称为最大比生长速率（h-1） 是在是在SKs，且其它成分保持不变的情，且其它成分保持不变的情况下取得的。况下取得的。 S是限制性底物浓度是限制性底物浓度(g/L) Ks(半)饱和常数，Monod常数 代表当微生物的生长速率等于最大比生代表当微生物的生长速率等于最大比生长速率的一半时的底物浓度长速率的一半时的底物浓度(g/L；mol/m3)。 即当即当 = max/2时，时， Ks =SKs 表示微生物对生长限制基质的亲和力， Ks 越大，亲和力越小， 对S的变化越不

15、敏感。几种微生物对底物的饱和常数几种微生物对底物的饱和常数KsKs微生物微生物底物底物mg/LKs (10-5mol/L)埃希氏菌属葡萄糖6.810-23.810-2埃希氏菌属甘露醇2.01.1埃希氏菌属乳糖2.0105.9曲霉属 葡萄糖5.02.8假丝酵母属甘油4.54.9酵母属葡萄糖2.5101.410假单胞菌属甲醇710-12.0假单胞菌属甲烷410-12.6Monod方程是方程是典型的决定论均相非结构模型典型的决定论均相非结构模型；它是基于以下假；它是基于以下假设建立的：设建立的：1 1）菌株生长为均衡型非结构式生长。）菌株生长为均衡型非结构式生长。Monod方程成立的基本假设：2 2

16、）培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其它营养成）培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其它营养成分不影响微生物生长。分不影响微生物生长。3 3）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，）将微生物生长视为简单反应，并假设菌体得率为常数，没有动态滞后。没有动态滞后。 MonodMonod方程与酶催化反应的米氏方程形式方程与酶催化反应的米氏方程形式一样，但一样，但MonodMonod方程完全是经验的，而米氏方方程完全是经验的，而米氏方程则是推导出来的。程则是推导出来的。 应当指出，该方程只适用于单基质限制及应当指出，该方程只适用于单基质限制及不存在抑制性基质的情况，即除了被试验的一不存在

17、抑制性基质的情况，即除了被试验的一种生长限制基质外，其它必需营养基质都是过种生长限制基质外，其它必需营养基质都是过量的，但这种过量又不致造成生长的抑制。量的，但这种过量又不致造成生长的抑制。 当存在抑制剂或在培养基中有混合基质时，当存在抑制剂或在培养基中有混合基质时，用修改后的用修改后的MonodMonod方程才能符合实验数据。方程才能符合实验数据。2、Monod模型的推广1）包含维持代谢的生长动力学方程维持是指活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或者说生长是指活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或者说生长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物产生情况下的和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物

18、产生情况下的生命活动，如细胞的运动、细胞内外营养物质的转运、细胞生命活动，如细胞的运动、细胞内外营养物质的转运、细胞物质的更新等；这种生命活动仅仅是为了维持细胞生存的需物质的更新等；这种生命活动仅仅是为了维持细胞生存的需要。要。 只消耗少量的营养物质（能量）以维持菌体生命，只消耗少量的营养物质（能量）以维持菌体生命，菌体数量和质量并不增加的代谢过程称为菌体数量和质量并不增加的代谢过程称为维持代谢。 供单位重量的细胞（干重）在单位时间内进行维持代谢供单位重量的细胞（干重）在单位时间内进行维持代谢所消耗的基质量称作所消耗的基质量称作维持因数（维持系数）。 维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低；

19、维持因数维持因数的大小代表细胞能量代谢效率的高低；维持因数越大，表示能量代谢效率越低。越大，表示能量代谢效率越低。 一般来说，对于特定的菌株，特定的培养条件和特定的营一般来说，对于特定的菌株，特定的培养条件和特定的营养基质，维持因数是个常数。养基质，维持因数是个常数。bSKsSmax包含维持代谢的生长动力学方程：当当SSm=Ksb / ( max-b) 时，时， =0，即，即rx = 0 即有维持代谢时，表观菌体得率即有维持代谢时，表观菌体得率Yx/s= X/ S，只，只在在SSm时成立，而时成立，而SSm时时Yx/s= 0 有时高浓度的基质会对细胞的生长产生抑制，即有时高浓度的基质会对细胞的

20、生长产生抑制，即发生底物（基质）抑制现象。如以醋酸为基质培养产发生底物（基质）抑制现象。如以醋酸为基质培养产朊假丝酵母，以亚硝酸盐为底物培养硝化杆菌等。朊假丝酵母，以亚硝酸盐为底物培养硝化杆菌等。2）有底物抑制时的生长动力学方程：KiSSKs1maxKi 抑制常数 抑制剂对比生长速率的影响 3）有产物抑制时的生长动力学方程 如果微生物的某些代谢产物对细胞的生长有抑制作用，如果微生物的某些代谢产物对细胞的生长有抑制作用，即使这时限制性基质浓度还相当高，细胞的比生长速率也会即使这时限制性基质浓度还相当高，细胞的比生长速率也会随着这种代谢产物的积累逐渐下降。随着这种代谢产物的积累逐渐下降。 描述产物

21、抑制的动力学方程有多种，如：描述产物抑制的动力学方程有多种，如： P 产物浓度k1 、 k2、 k3 常数第第 三节三节 底底 物物 消消 耗耗 速速 率率一、比底物消耗速率一、比底物消耗速率生长得率（菌体得率） 表示发酵中微表示发酵中微生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。生长得率有不同的表示方法；最常用的是生长得率有不同的表示方法；最常用的是以基质消耗为基准的生长得率YX/S和和以氧消耗为基准的生长得率YX/O符 号 定 义 因 次 YX/S X /-S g细胞干重细胞干重/g基质基质 or g细胞干重细胞干重/mol基质基质YX/O X/-O2 g细

22、胞干重细胞干重/gO2 or g细胞干重细胞干重/mol O2YATP X/ ATP g细胞干重细胞干重/mol ATP生长得率的各种表示方法 不同的微生物、不同的培养基、采用不同的培养条件，不同的微生物、不同的培养基、采用不同的培养条件，在不同的生长速率下，所获得的生长得率是不同的。即使同在不同的生长速率下，所获得的生长得率是不同的。即使同一种微生物，在同一培养基和同一培养条件下，不同的培养一种微生物，在同一培养基和同一培养条件下，不同的培养阶段生长得率也不相同。阶段生长得率也不相同。一些微生物在基础培养基中通气培养时的生长得率微生物微生物 基质基质 YX/SAerobacter aerog

23、enes（气乳杆菌）麦芽糖0.46葡萄糖0.40核糖0.35甘油0.45Candida utilis（产朊假丝酵母）葡萄糖0.51醋酸0.36乙醇0.68Methylomonas methanolico甲醇0.48Penicillium chrysogenum葡萄糖0.43Pseudomonas fluorescens葡萄糖0.45XYYrrsXsXXs/ 底物消耗速率可通过菌体得率（生长得底物消耗速率可通过菌体得率（生长得率）与菌体生长速率关联起来。率）与菌体生长速率关联起来。r rs s底物消耗速率：单位体积培养液在单位时间内消耗的：单位体积培养液在单位时间内消耗的底物的量。底物的量。底物

24、消耗的快慢也常用底物消耗的快慢也常用比底物消耗速率Qs (g/gh)表示表示比底物消耗速率Qs 相对单位质量干菌相对单位质量干菌体单位时间内的底物消耗量。体单位时间内的底物消耗量。 Qs = rs / X根据前两式得：根据前两式得：Qs = / Y X/s若若 可用可用MonodMonod方程表示，得方程表示，得SKsSQsSKsSYQssXmax/maxQsQsmaxmax 最大比底物消耗速率最大比底物消耗速率Y X/S 为一定时间内生成菌体的干质量与完全消耗于菌体为一定时间内生成菌体的干质量与完全消耗于菌体生长的底物质量之比。表示生长的底物质量之比。表示无维持代谢时的菌体得率; 也即也即最

25、大菌体得率m 维持因数 是培养基组成、是培养基组成、pH、温度等的函数、温度等的函数 对于像氮源、无机盐及维生素等可作为菌体组成成分而不对于像氮源、无机盐及维生素等可作为菌体组成成分而不能作为能源的营养物，菌体得率能作为能源的营养物，菌体得率Y YX/SX/S基本上恒定，前式能很好基本上恒定，前式能很好地适用。地适用。 当底物既是能源又是碳源时，就必须考虑维持代谢。当底物既是能源又是碳源时，就必须考虑维持代谢。 对于能源的消耗速率的物料衡算为：对于能源的消耗速率的物料衡算为：二、包含维持代谢的底物消耗速率模型能源总消耗速率 = 用于生长的能源消耗速率 + 用于维持代谢的能源消耗速率三、氧消耗速

26、率三、氧消耗速率 氧作为一种底物不可能被菌体单独消耗，必然在需氧培氧作为一种底物不可能被菌体单独消耗，必然在需氧培养过程中随着能源底物的消耗而消耗。养过程中随着能源底物的消耗而消耗。 单位体积培养液中菌体在单位时间内摄取（消耗）氧的单位体积培养液中菌体在单位时间内摄取（消耗）氧的量称为量称为摄氧率 (OUR), 用用rO2表示。表示。 rO2与菌体浓度之比，即与菌体浓度之比，即比氧消耗速率QO2，也称为，也称为呼吸速率或或呼吸强度。（单位质量的干菌体在单位时间内消耗氧。（单位质量的干菌体在单位时间内消耗氧的量）的量）第第 四四 节节 代代 谢谢 产产 物物 生生 成成 速速 率率一、代谢产物生

27、成速率一、代谢产物生成速率 微生物反应生成的代谢产物范围非常广，在合成途径微生物反应生成的代谢产物范围非常广，在合成途径及代谢调节机理上，各具不同特征，无法用统一方式表示及代谢调节机理上，各具不同特征，无法用统一方式表示这些产物的生产速率。这些产物的生产速率。 与菌体生长速率和底物消耗速率相同，代谢产物的生与菌体生长速率和底物消耗速率相同，代谢产物的生成速率也有两种不同的表示方式：成速率也有两种不同的表示方式：代谢产物生成速率 单位体积培养液中单位时间内的产单位体积培养液中单位时间内的产物生成量。物生成量。rp (g/L(g/Lh)h)比代谢产物生成速率 相对于单位质量干菌体在单位时相对于单位

28、质量干菌体在单位时间内的代谢产物生成量。间内的代谢产物生成量。 QpQp (g/g (g/gh)h) Qp = rp / X r rp p与菌体浓度与菌体浓度X X有关，是反应器设计时的一个重要参数有关，是反应器设计时的一个重要参数 Q Qp p与菌体浓度无关，表示细胞合成代谢产物的活性大小；与菌体浓度无关，表示细胞合成代谢产物的活性大小；可利用其定量比较不同微生物的生物合成活性，从而有效筛可利用其定量比较不同微生物的生物合成活性，从而有效筛选优良菌株。选优良菌株。 COCO2 2虽然不是目的产物，但却是微生物反应中几乎必然生虽然不是目的产物，但却是微生物反应中几乎必然生成的副代谢产物。成的副

29、代谢产物。二氧化碳释放速率(CER) 单位体积培养液在单位时间单位体积培养液在单位时间内的内的COCO2 2释放量；用释放量；用r rCOCO2 2 (g/L(g/Lh)h)表示。表示。比二氧化碳生成率 相对于单位质量干菌体在单位时相对于单位质量干菌体在单位时间内的间内的COCO2 2生成量；用生成量；用Q QCOCO2 2 （g/gg/gh h）表示。）表示。 对于需氧型微生物反应，对于需氧型微生物反应，CO2的生成量与的生成量与O2的消耗量之的消耗量之比称为比称为呼吸商，用，用RQ表示：表示： RQ = CO2/(- O2) = CER/OUR RQ常用于基本上停止生长的休眠或静止细胞的呼

30、吸生理学研究中。二、代谢产物合成二、代谢产物合成 的动力学类型的动力学类型类型：生长关联型 特点： 菌体生长、基质消耗和产物合成大体上呈正比关系（菌菌体生长、基质消耗和产物合成大体上呈正比关系（菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现出产物形成直接与碳源利用有关）峰，即表现出产物形成直接与碳源利用有关） 例 由碳源直接氧化进行的初级代谢物的生产；产物的积累由碳源直接氧化进行的初级代谢物的生产；产物的积累与菌体增长相平行，并与碳源消耗有准量关系。如酒精、乳与菌体增长相平行，并与碳源消耗有准量关系。如酒精、乳酸、酸、 - -酮

31、戊二酸等。酮戊二酸等。 动力学 可表示为：可表示为： dP/dt = X 类型 为生长关联型产物的形成比为生长关联型产物的形成比率（率（g g产物产物/g/g菌体）菌体）比产物合成速率 Qp = dP/Xdt = 由此可见，产物的由此可见，产物的合成速度合成速度（dP/dt）与）与比生长速率和菌比生长速率和菌体浓度成正比体浓度成正比；产物的；产物的比合成速率比合成速率（Qp）仅与）仅与比生长速率比生长速率成正比成正比。 对于生长关联型产物来说，应通过获得对于生长关联型产物来说，应通过获得高比生长速率来高比生长速率来提高产物合成的速度提高产物合成的速度。 类型第一阶段为菌体生长阶段，菌体生长与基

32、质消耗成正比，但无第一阶段为菌体生长阶段，菌体生长与基质消耗成正比，但无产物生成；产物生成； 第二阶段为产物合成阶段，产物合成、菌体生长和基质消耗成第二阶段为产物合成阶段，产物合成、菌体生长和基质消耗成正比，但菌体生长量比前一阶段要小得多；正比，但菌体生长量比前一阶段要小得多；菌体生长和产物合成是分开的，糖分既供应生长的能量，又菌体生长和产物合成是分开的，糖分既供应生长的能量，又充作产物合成的碳源。发酵过程中有两个时期对糖的利用最充作产物合成的碳源。发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速，一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。为迅速，一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。类型：

33、部分生长关联型 发酵过程可分为两个阶段： 动力学 可表示为：可表示为： dP/dt = X + X Qp = dP/Xdt = + 为非生长关联型产物形成常数为非生长关联型产物形成常数 产物形成的速度分别受生长关联型和非生长关联常数产物形成的速度分别受生长关联型和非生长关联常数 和和 的影响。的影响。 柠檬酸和一些氨基酸的生产属此类柠檬酸和一些氨基酸的生产属此类类型：非生长关联型 产物为次级代谢产物；产物为次级代谢产物； 特征是产物合成与碳源利用无准量关系；特征是产物合成与碳源利用无准量关系； 通常产物合成在菌体生长停止及底物耗完后才开始通常产物合成在菌体生长停止及底物耗完后才开始 分两阶段：

34、分两阶段：第一阶段，菌体生长占主导，生长和基质消耗间成正比第一阶段，菌体生长占主导，生长和基质消耗间成正比关系，没有或只有少量产物合成；关系，没有或只有少量产物合成；第二阶段，以产物合成为主，只有少量生长（甚至不生第二阶段，以产物合成为主，只有少量生长（甚至不生长或负生长）和少量基质消耗。长或负生长）和少量基质消耗。 动力学动力学 dP/dt = X Qp = dP/Xdt = 抗生素、维生素等的生产属此类型抗生素、维生素等的生产属此类型 （土霉素、氯霉素、杆菌肽例外（土霉素、氯霉素、杆菌肽例外）产物形成速度只同已有的菌体量有关，而比生长速率对产物合成速率产物形成速度只同已有的菌体量有关，而比

35、生长速率对产物合成速率没有直接影响。没有直接影响。受菌种的影响：呼吸强度不同、细胞的组成。受菌种的影响：呼吸强度不同、细胞的组成。受碳源种类的影响受碳源种类的影响受产物的影响受产物的影响( (当有细胞外产物如青霉素）当有细胞外产物如青霉素）Darlington,1964,酵母成分表示为酵母成分表示为 C3.92H6.5O1.94从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用下式表示：从碳氢化合物和碳水化合物生成酵母的反应可用下式表示：7.4CH2+6.135O2=C3.92H6.5O1.94+3.22CO2+3.98H2O6.67CH2O+2.1O2=C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+

36、3.42H2O碳源的性质决定着发酵的需氧量碳源的性质决定着发酵的需氧量。第五节 KLa（体积溶氧系数体积溶氧系数）的测定影响因素Qo2为比耗氧速率为比耗氧速率/呼吸强度呼吸强度mol/（kg干细胞干细胞.s). (Qo2)M 为最为最大比耗氧速率；大比耗氧速率；X为菌体浓度为菌体浓度(kg干细胞干细胞/m3);YG: 单位质量单位质量的底物生成细胞的得率的底物生成细胞的得率.YP:单位质量的底物生成产物的得率。单位质量的底物生成产物的得率。耗氧速率耗氧速率 r = Qo2X(mol/m3.s)临界溶氧浓度：临界溶氧浓度：当培养基中不存在其它限制性基质时，不影当培养基中不存在其它限制性基质时，不

37、影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。一般为饱和浓响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。一般为饱和浓度的度的1-25%1-25%。饱和溶氧浓度饱和溶氧浓度: : 该温度下的氧的溶解度。该温度下的氧的溶解度。氧的饱满度氧的饱满度：溶解氧的浓度与临界氧浓度之比。：溶解氧的浓度与临界氧浓度之比。培养的目的不同，选取不同的供氧条件培养的目的不同，选取不同的供氧条件获取细胞本身获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶氧浓度。从：保持溶解氧的浓度高于临界溶氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的细胞产量。而满足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的细胞产量。以获得细胞代谢产物为目的以获得细

38、胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物影响有不同，溶氧对代谢产物影响有不同的情况的情况代谢产物的生成的代谢产物的生成的最佳需氧量最佳需氧量与与细胞生长的最佳需氧量相细胞生长的最佳需氧量相同同。 采用采用供养的浓度大于临界溶氧浓度供养的浓度大于临界溶氧浓度。代谢产物的生成的代谢产物的生成的最佳需氧量比细胞生长的最佳需氧量高最佳需氧量比细胞生长的最佳需氧量高。尽可能的尽可能的提高供氧浓度提高供氧浓度。脯氨酸、谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸。脯氨酸、谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸等。等。代谢产物的生成的代谢产物的生成的最佳需氧量最佳需氧量比比细胞生长的最佳需氧量低细胞生长的最佳需氧量低。使氧的满足度小于使氧的满足度小于1

39、 1，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、头孢，如苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、头孢霉素的生产。霉素的生产。好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过通风好氧微生物只能利用溶解态的氧，发酵过程中不断地通过通风和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相。和搅拌，使气态中的氧经过一系列的传递步骤到液相。气气液相间的氧传递液相间的氧传递从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面；通过气液界面；通过气液界面；从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体；从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主体；液相溶解氧的传递；液相溶解氧的传递；从液相主体扩散通过包围细胞的液膜到大细从液相主体

40、扩散通过包围细胞的液膜到大细胞表面；胞表面；氧通过细胞壁；氧通过细胞壁；微生物细胞内氧的传递；微生物细胞内氧的传递；通常通常和和步传递阻力最大，是整个过程的控制步骤步传递阻力最大，是整个过程的控制步骤描述氧传递的模型有三种：双膜理论、渗透扩散理描述氧传递的模型有三种：双膜理论、渗透扩散理论和表面更新理论。其中以双膜理论应用最广泛。论和表面更新理论。其中以双膜理论应用最广泛。1 1 双膜理论基本论点是：双膜理论基本论点是：（1 1）在气液两个流体相间存在着界面，在界面两旁）在气液两个流体相间存在着界面，在界面两旁具有两层稳定的薄膜，即气膜与液膜。这两层稳定具有两层稳定的薄膜，即气膜与液膜。这两层

41、稳定的薄膜在任何流动体力学条件下，均呈滞流状态。的薄膜在任何流动体力学条件下，均呈滞流状态。（2 2）在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡（空）在气液界面上，两相的浓度总是相互平衡（空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧浓度处于平衡状气中氧的浓度与溶解在液体中的氧浓度处于平衡状态），即界面上不存在氧传递的阻力。态），即界面上不存在氧传递的阻力。（3 3）在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充）在两膜以外的气液两相的主流中，由于流体充分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何分流动，氧的浓度基本上是均匀的，也就是无任何传质阻力，因此，氧由于气相主体到液相主体所遇传质阻力，因此，氧由于气相主体到液相

42、主体所遇阻力仅存在于两层滞流膜中。阻力仅存在于两层滞流膜中。气体溶解过程：双膜理论气体溶解过程：双膜理论气气液界面液界面气膜动力：气膜动力：P-Pi液膜动力：液膜动力：Ci-CL阻力：阻力：1/kG阻力：阻力：1/kL气体扩散方向气体扩散方向气气膜膜液液膜膜CiCL空气空气泡泡PO2PPi发发酵酵液液*AGLLNKppKcc NA：氧传递速率；：氧传递速率；p，pi气相中和气液界面处氧的分压；气相中和气液界面处氧的分压；CL，Ci：液相中和气液界面处氧的浓度；液相中和气液界面处氧的浓度；kG：气膜传质系数；：气膜传质系数；kL：液膜传质：液膜传质系数；系数；KG：以氧分压差为推动力的总传质系数

43、；：以氧分压差为推动力的总传质系数；KL：以氧浓度差为推动：以氧浓度差为推动力的总传质系数；力的总传质系数；p*：与液相中氧浓度：与液相中氧浓度c相平衡时的氧分压；相平衡时的氧分压； C*：与气相中氧分压与气相中氧分压p达平衡的氧的溶解度；达平衡的氧的溶解度；上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：上式使用不便，改用总传质系数、总推动力表示：内界面面积：内界面面积：a；单位：；单位：m2/m31LLGLdCN K a ccK a p pK ap pdtHKa：体积溶氧系数，溶氧速率方程为：体积溶氧系数，溶氧速率方程为：N：氧的传递速率：氧的传递速率kmol/（m3h）； KLa：以浓度差为

44、动力的体积溶氧系数（：以浓度差为动力的体积溶氧系数（h-1）；）； KGa：以分压差为动力的体积溶氧系数：以分压差为动力的体积溶氧系数kmol/（m3hM pa）；cL：发酵液中氧浓度（：发酵液中氧浓度（kmol/m3）；）； c*：与气相中氧分压：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度（平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）；）； p：气相中氧分压（：气相中氧分压（M Pa）；）； p*：与液相中氧浓度：与液相中氧浓度c平衡的氧分压（平衡的氧分压（M Pa）；）； H：亨利常数（：亨利常数（m3M Pa/kmol）四、四、 kLa的测定方法的测定方法亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法 取样极谱法取样极谱

45、法物料衡算法物料衡算法排气法排气法复膜电极法复膜电极法三、溶氧的测定方法三、溶氧的测定方法化学法化学法极谱法极谱法复膜氧电极法复膜氧电极法压力法压力法1 亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法（1） 原理原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。 当亚硫酸盐浓度为当亚硫酸盐浓度为0.0180.47mol/L，温度，温度2045之间时，与氧反应的速度几乎不变，用之间时，与氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，便可根据亚硫酸钠的

46、氧化量来求得氧的溶解量。酸钠的氧化量来求得氧的溶解量。22232422uCSOOSOIOSIOS22642232ISOISO224223操作操作反应原理：反应原理：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：剩余的亚硫酸根与过量的碘反应：再用再用Na2S2O3滴定剩余的碘：滴定剩余的碘： 将一定温度（将一定温度（2045）的自来水加入实验罐，加入化）的自来水加入实验罐，加入化学纯的学纯的Na2SO3晶体，使亚硫酸根约为晶体，使亚硫酸根约为1M，再加化学纯的，再加化学纯的CuSO4晶体，使晶体，使Cu2+浓度约为浓度约为10-9 M，待完全溶解后，开，待完全溶解后，开阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从

47、喷管中冒阀通气，空气阀一开就接近预定流量。当气泡从喷管中冒出的同时，立即计时出的同时，立即计时,氧化时间控制在氧化时间控制在520min。（2）计算方法）计算方法:23224OOSNa41000CnNStP223:nNa S O为两次滴定所耗之差mL；即可得到溶氧系数。值代入将所得的CCKNNL*N：体积溶氧系数：体积溶氧系数S：取样量：取样量C：硫代硫酸钠浓度：硫代硫酸钠浓度mol/Lt：两次取样的时间间隔：两次取样的时间间隔P：发酵罐的罐压：发酵罐的罐压实验前后各用移液管取实验前后各用移液管取10100mL样液，立即移入新吸样液，立即移入新吸取的过量标准碘液中，以淀粉为指示剂，用取的过量标

48、准碘液中，以淀粉为指示剂，用Na2S2O3标准标准液滴定至终点液滴定至终点2 取样极谱法取样极谱法 原理：当电压为原理：当电压为0.61.0V时，其扩散电流的大时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。操作：将从发酵罐中取操作：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的出的样品置入极谱仪的电池中，并记下随时间电池中，并记下随时间而下降的发酵液中的氧而下降的发酵液中的氧浓度浓度CL的数值的数值KLa=Qo2X/ C*-CL =斜率斜率/ C*-CL 驱出溶解氧，开始通气后，驱出溶解氧，开始通气后，在被测定的发酵罐中用氮气在被测定的发酵罐中用氮气定时取样，用极谱

49、仪测出溶定时取样，用极谱仪测出溶氧浓度氧浓度dc/dt=KLa (C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa t+常数常数KLa2.303斜率斜率3 排气法排气法C*4 复膜电极测定复膜电极测定 和和 氧分析仪测定氧分析仪测定 原理：原理：用能透过氧分子的薄膜将电极系统与用能透过氧分子的薄膜将电极系统与被测定溶液分离开来，避免外界溶液的性质及通被测定溶液分离开来，避免外界溶液的性质及通风搅拌所引起的湍动对测定的影响。风搅拌所引起的湍动对测定的影响。2*tdc()()dtLLOK a ccQc XLK a测定发酵液中溶解氧浓度、菌的好氧率测定发酵液中溶解氧浓度、菌的好氧率r及溶氧系数及溶氧系数该式

50、可写成该式可写成:2*1()()LOLdccQc XcK adt 2121122()OLccrQc Xtdcccdtt5 溶氧系数的换算溶氧系数的换算:aKL:aKGMPahmKmol31h以氧浓度差作为动力的传质系数；以氧浓度差作为动力的传质系数；以氧分压差作为动力的传质系数；以氧分压差作为动力的传质系数；:dK:VK以大气压作为动力来讨论的传质系数；以大气压作为动力来讨论的传质系数；MPamlmolmin以压力差作为动力的溶氧系数；体积吸收系数以压力差作为动力的溶氧系数；体积吸收系数MPahmKmol3（1） KV与与Kd的换算的换算:MPamlmolOKKKVVdmin10667. 16

51、010102563（2）KLa与与KGa的换算的换算:*PPKCCKNGL2*105. 02 . 0021. 0mmolOLMPaCCPPKKGL251005.1molOmlMPa在标准状况（在标准状况（0.101M Pa，25）下饱和溶氧浓度为：）下饱和溶氧浓度为：0.2 mmol O.2 /L，氧分压为，氧分压为0.021M Pa 。（3）kd与与 KLa、KGa换算：换算：aKKGd021. 0MPamlmolOKKGdmin1060021. 02351005. 1aKaKLGKL：Kd是以大气压为动力的溶氧系数。根据气体分压定律，是以大气压为动力的溶氧系数。根据气体分压定律，其中对溶氧

52、有贡献的仅是氧分压部分，即其中对溶氧有贡献的仅是氧分压部分，即KLa：再根据其单位进行换算：再根据其单位进行换算：若直接以氧分压为推动力，在计算时就不要若直接以氧分压为推动力，在计算时就不要0.021 。MPamlmolOaKKLdmin1005. 160021. 028第第 六六 节节 动动 力力 学学 参参 数数 的的 确确 定定 动力学参数即动力学参数即动力学方程中代表发酵过程特性值的常动力学方程中代表发酵过程特性值的常数项数项； 确定这些参数，靠的是确定这些参数，靠的是严密的实验数据严密的实验数据； 应准确、可靠、具有重现性应准确、可靠、具有重现性 目前由于发酵检测手段的缺乏和检测精度的不足，影响了数目前由于发酵检测手段的缺乏和检测精度的不足，影响了数学模型的精确度，限制了其在生产上的应用；学模型的精确度，限制了其在生产上的应用； 确定动力学参数的具体方法，是确定动力学参数的具体方法，是使动力学方程与实验数据拟合；直线拟合相对简单，下面举例说明其应用直线拟合相对简单，下面举例说明其应用通常有通常有直线拟合和和曲线拟合两种两种；最大比生长速率max和常数Ks的确定SKsSmax Monod方程两边取倒数，得：两边取倒数，得：maxmax111SKs 在在1/1/ 对对1/S1/S坐标上，坐