发酵工程ppt韦革宏杨祥第6章3节

1、实际发酵生产和研究中主要检测的变量实际发酵生产和研究中主要检测的变量（1）PH（2）DO（3）温度）温度（4）转速）转速（5）残糖）残糖（6）其他）其他（1）流量）流量（2）温度）温度（1）流量）流量（2）温度）温度进罐进罐罐中罐中出罐出罐实际发酵生产和研究中主要的检查项目实际发酵生产和研究中主要的检查项目（1）微生物形态的检查（）微生物形态的检查（2）无菌检查（）无菌检查（3）泡沫检查）泡沫检查第三节第三节 溶氧和温度的检测与控制溶氧和温度的检测与控制 溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因中有多方

2、面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。素。 在在28氧在发酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。使溶氧成为限制因素。 一、溶氧的检测与控制一、溶氧的检测与控制氧气比消耗速度与溶解氧浓度的关系氧气比消耗速度与溶解氧浓度的关系当氧为唯一限制性基质时，氧气的比消耗速率为

3、：当氧为唯一限制性基质时，氧气的比消耗速率为：222LOO mOLCQQKC2OQ2O mQ2OKLC比好氧速率，又称比好氧速率，又称呼吸强度呼吸强度，mol(O2) / g(菌菌) s 最大比好氧速率，最大比好氧速率， mol(O2) / g(菌菌) s关于溶氧消耗的半饱和速率常数，关于溶氧消耗的半饱和速率常数， mol(O2) / L溶解氧浓度，溶解氧浓度， mol(O2) / L一、发酵微生物利用氧的基本规律一、发酵微生物利用氧的基本规律摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mol O2L-1h-1 。r= QO2 .XQO

4、2 呼吸强度，呼吸强度， mol(O2) / g(菌菌) sX 细胞浓度，细胞浓度，g/L二、发酵过程微生物需氧的特点二、发酵过程微生物需氧的特点CCrQO2CLCCr: 临界溶氧浓度临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。一些微生物的呼吸临界氧浓度一些微生物的呼吸临界氧浓度 CCr一般对于微生物：一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度饱和浓度酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 定义：定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度对于微生物生长，只要控制发酵过

5、程中氧饱和度1.1.8%8.8%产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 注意：氧饱和度注意：氧饱和度饱和氧浓度饱和氧浓度问题：问题：按饱和氧浓度按饱和氧浓度0.25mmol/L计算以下微生物的临界氧计算以下微生物的临界氧浓度占饱和氧浓度的比例：浓度占饱和氧浓度的比例：问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中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？氧很容易满足？以酵母为例，啤酒酵母最大比耗氧速率以酵母为例，啤酒酵母最大比耗氧速率2.2*10-3mol O2 / kg(细细胞胞)*s，按，按1.0计算，菌体密度计算，菌体密度2kg/m3，则每吨

6、发酵液每秒钟耗，则每吨发酵液每秒钟耗氧氧2.0*10-3mol。氧的饱和浓度按氧的饱和浓度按0.25 mmol/L计算，则以上发酵液仅够微生物计算，则以上发酵液仅够微生物呼吸呼吸125秒之需。秒之需。三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素r= QO2 .Xq 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累氧从气泡到细胞的传递过程示意图氧从气泡到细胞的传递过程示意图()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N：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.atmk

7、l: 液膜传质系数液膜传质系数 m/h一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程根据亨利定律，根据亨利定律，pHC其中其中 H 是亨利常数，无因次，由发酵液的性质决定。是亨利常数，无因次，由发酵液的性质决定。()()giliNkPPk cc1111GggglHKkkkk11111LlllgKkkkk H1glHkklgkk H即即KG 换算的总气膜传质系数换算的总气膜传质系数KL 换算的总液膜传质系数换算的总液膜传质系数对氧，亨利常数很大对氧，亨利常数很大01HkglLkK 若以液膜总传质系数若以液膜总传质系数KL表示氧气传递速度，则浓度差要表示氧气传递速度，则浓度差要改写成改写成C*-

8、CL。C*表示与气相主体氧分压相平衡的氧在表示与气相主体氧分压相平衡的氧在液相的浓度，即饱和氧浓度。液相的浓度，即饱和氧浓度。( *)LNKcc所以：所以：再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)( *)LNvK a ccNv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.h (OTR)KLa: 以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1二、供氧的调节二、供氧的调节( *)vLNK a ccC有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*P/HNvP

9、Kla调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。般来讲大罐比小罐要好。 45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120 Kla(h-1) 7.6 10.7 20.1三、发酵液中氧的平衡三、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：( *)vLNK a cc消耗：消耗：r= QO2 X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面( *)LLdCK a ccrdt一、一、CL的测定的测定1、

10、化学法、化学法溶氧瓶应为硫酸钾应为硫酸钾2、极谱法、极谱法O2+2H+2e H2O2O2+2H2O+4e 4OH- 对浸在液体中的贵重金属阴极和参考电极（阳极）加对浸在液体中的贵重金属阴极和参考电极（阳极）加上电压，记录在不同电压下通过的电流，得到的电流电上电压，记录在不同电压下通过的电流，得到的电流电压曲线在压曲线在0.60.8V间出现平坦部分，这是发生了溶解氧被间出现平坦部分，这是发生了溶解氧被还原的反应：还原的反应：酸性时：酸性时：中性或碱性时：中性或碱性时：LiKC滴滴汞汞电电极极结结构构示示意意图图汞滴表面扩散层相比汞滴直径很薄，所以可以忽略其表面曲率的影响。汞滴表面扩散层相比汞滴直

11、径很薄，所以可以忽略其表面曲率的影响。Cd2+的滴汞电极极谱波的滴汞电极极谱波环球分析测试仪器：环球分析测试仪器：可控增长滴汞电极（可控增长滴汞电极（CGME） 3、复膜氧电极法、复膜氧电极法 将阴阳电极和电解将阴阳电极和电解质溶液装入壳体，用能质溶液装入壳体，用能透过氧分子的高分子薄透过氧分子的高分子薄膜封闭起来并使阴极紧膜封闭起来并使阴极紧贴薄膜，就制成了贴薄膜，就制成了复膜复膜溶解氧电极溶解氧电极。耐高温蒸气灭菌的复膜溶解氧电极的构造耐高温蒸气灭菌的复膜溶解氧电极的构造二、摄氧率的测定二、摄氧率的测定1、瓦氏呼吸仪法、瓦氏呼吸仪法 由一个测压计及与之相联的由一个测压计及与之相联的密闭三角

12、瓶组成。从压力计读出密闭三角瓶组成。从压力计读出的三角瓶中压力的变化速率就是的三角瓶中压力的变化速率就是氧的消耗速率。已知培养液体积氧的消耗速率。已知培养液体积就可算出摄氧率就可算出摄氧率 r 。瓦瓦勃勃氏氏呼呼吸吸仪仪瓦勃氏呼吸仪的构造瓦勃氏呼吸仪的构造2、物料衡算法、物料衡算法000iiLiQ pQ pdCVQXVdtRTRTip0Q0pQRVLCtiQiT进入发酵罐的空气流量（进入发酵罐的空气流量（m3/s）、压力（）、压力（Pa）和温度（）和温度（K）离开发酵罐的空气流量（离开发酵罐的空气流量（m3/s）、压力（）、压力（Pa）和温度（）和温度（K）0T气体常数气体常数 8.314 J

13、/molK时间时间 s发酵罐中氧浓度发酵罐中氧浓度 mol(O2)/m3发酵罐有效体积发酵罐有效体积 m3微生物呼吸强度微生物呼吸强度 mol O2/g(菌菌)s X微生物细胞浓度微生物细胞浓度 g(菌菌)/m3处于稳态时，处于稳态时，所以：所以：0LdCdt000iiiQ pQ prQXVRTRT一般一般Qi=Qo，Ti=To，所以：，所以：)(oippRTVQr进气氧分压一般为常数，所以只要测得了发酵罐排气口的进气氧分压一般为常数，所以只要测得了发酵罐排气口的氧分压就可以求出摄氧率了。氧分压就可以求出摄氧率了。 流量（进口空气中的氧含量流量（进口空气中的氧含量出口空气中的氧含量）出口空气中

14、的氧含量）r= 发酵液体积发酵液体积为了更方便的表示，为了更方便的表示，r 和空气含氧量采用百分比（）单位：和空气含氧量采用百分比（）单位：进出口空气的氧含量可用进出口空气的氧含量可用“顺磁氧分析仪顺磁氧分析仪”测得。测得。例如：例如： 一个装料为一个装料为7L的实验室小罐，通气量为的实验室小罐，通气量为1VVM（指（指每分钟通过发酵液的空气体积与发酵液体积之比），空气每分钟通过发酵液的空气体积与发酵液体积之比），空气进入时的氧含量为进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为，废气排出的氧含量为19.8%，求此，求此时菌体的摄氧率（时菌体的摄氧率（/s）。）。3、动态法、动态法停止供气停止供气

15、：dCL = -r dt( *)LLdCK a ccrdt由供需氧平衡知：由供需氧平衡知：三、三、Kla的测定的测定1、亚硫酸盐法、亚硫酸盐法氧氧 亚硫酸钠的氧化亚硫酸钠的氧化OTR = Kla(C*-CL) Cu2+ 2Na2SO3+O2 2Na2SO4= KlaC* = 亚硫酸钠浓度的降低速度亚硫酸钠浓度的降低速度2、平衡法、平衡法 rKla= C*-CL摄氧率可由前述进气和排气氧分压变化求出。对于理想的摄氧率可由前述进气和排气氧分压变化求出。对于理想的发酵液，发酵液，C*为与排气中氧分压平衡的氧浓度，实际生产为与排气中氧分压平衡的氧浓度，实际生产中若偏差较大可通过实验确定偏差系数。中若偏

16、差较大可通过实验确定偏差系数。0LdCdt( *)LLdCK a ccrdt当：当：3、动态法、动态法( *)LLdCK a ccrdt1()()*LLLdCCrcK adt 2.2、复膜式溶氧电极检测、复膜式溶氧电极检测DO值值2.2.1、结构原理、结构原理见下页图见下页图2、以溶氧电极对、以溶氧电极对DO值进行检测的原理和方法值进行检测的原理和方法2.1、极谱测定法的基本原理、极谱测定法的基本原理复膜溶氧电极复膜溶氧电极的结构原理的结构原理耐高温蒸气灭菌的复膜溶解氧电极的构造耐高温蒸气灭菌的复膜溶解氧电极的构造O2+2H+2e H2O2O2+2H2O+4e 4OH-酸性时：酸性时：中性或碱

17、性时：中性或碱性时：阴极反应：阴极反应：极谱型阴极材料：铂，阳极材料：银或汞，电解液极谱型阴极材料：铂，阳极材料：银或汞，电解液 KCl。阳极反应：阳极反应：Ag + Cl- AgCl + e2Hg + 2Cl- Hg2Cl2 + 2e原电池型阴极材料：铂，阳极材料：铅，电解液原电池型阴极材料：铂，阳极材料：铅，电解液 KOH。阴极反应：阴极反应：阳极反应：阳极反应：Pb + 2OH- Pb(OH)2 + 2e同极谱型，仍为氧得电子。同极谱型，仍为氧得电子。浓差极化和极限扩散电流浓差极化和极限扩散电流根据斐克定律知，根据斐克定律知，dcfDdxfDdcdx其中其中为扩散速度，为扩散速度，为浓度

18、梯度，为浓度梯度，扩散系数。扩散系数。假设点及表面区域浓度的变化在一定范假设点及表面区域浓度的变化在一定范围内是线性的，则在电流稳定时有：围内是线性的，则在电流稳定时有：()LCCDfCLL 是这一区域长度。再由法拉第定律知是这一区域长度。再由法拉第定律知QzFnQnF其中其中为电量，为电量，为元反应转移电子数，为元反应转移电子数，为法拉第常数。为法拉第常数。z为这段时间析出金属的为这段时间析出金属的mol数，数，A为电极表面积，则有：为电极表面积，则有：如设如设4()LCAiFDCCLLiKC为溶液氧浓度，为溶液氧浓度，为电极表面氧浓度，浓差极化时为为电极表面氧浓度，浓差极化时为0。LCCC

19、4iFfA复膜氧电极内外氧分压的分布复膜氧电极内外氧分压的分布1122()()()()LLmeCLCkppkppkppK pp4()LCFAK pp4LFAKpLK p OTRf4iFAf极谱法中扩散电流与氧浓度的关系极谱法中扩散电流与氧浓度的关系2.2.2、溶氧电极的使用、溶氧电极的使用（1）0%和和100%的校对的校对（3）电极的维护）电极的维护a. 电解液电解液b. 透氧膜透氧膜（2）电极的测定）电极的测定a. 总传质系数的影响总传质系数的影响b. 透氧膜厚度对测定的影响透氧膜厚度对测定的影响3、溶氧的控制方法、溶氧的控制方法3.1、对溶氧数据的解读、对溶氧数据的解读（1）溶氧作为发酵中

20、氧是否足够的度量、了解菌对氧的利用规律）溶氧作为发酵中氧是否足够的度量、了解菌对氧的利用规律（2）溶氧作为发酵异常情况的指示）溶氧作为发酵异常情况的指示a. 发酵中污染好气性杂菌发酵中污染好气性杂菌b. 污染噬菌体污染噬菌体c. 操作故障或事故引起的发酵异常现象操作故障或事故引起的发酵异常现象例如例如3.2、溶氧控制的方法、溶氧控制的方法（3）溶氧作为考察工艺的指标之一）溶氧作为考察工艺的指标之一例如例如主要通过搅拌和通气量控制。主要通过搅拌和通气量控制。二、温度的检测与控制二、温度的检测与控制1、温度检测的必要性、温度检测的必要性1.1、温度影响反应速率、温度影响反应速率1.2、温度影响发酵

21、方向、温度影响发酵方向1.3、温度也影响基质和产物的溶解度、温度也影响基质和产物的溶解度2、温度检测的方法、温度检测的方法2.1、热电势式测温元件、热电势式测温元件2.2、热电阻式测温元件、热电阻式测温元件利用热电偶和热电效应制成的测温元件。利用热电偶和热电效应制成的测温元件。利用热敏电阻材料制成的测温元件。利用热敏电阻材料制成的测温元件。3、温度控制的方法、温度控制的方法3.1、对温度测量数据的解读、对温度测量数据的解读3.2、温度控制的具体方法、温度控制的具体方法（1）发酵过程中温度变化的原因和规律）发酵过程中温度变化的原因和规律a. 原因：温度变化与发酵过程热量产生规律有很大关系。原因：

22、温度变化与发酵过程热量产生规律有很大关系。（2）温度控制目标的确定）温度控制目标的确定最适温度的选择最适温度的选择利用蛇管或夹套以循环水控制，与测量系统构成自控回路。利用蛇管或夹套以循环水控制，与测量系统构成自控回路。b. 规律：存在不同的最适温度，敏感性也不同。规律：存在不同的最适温度，敏感性也不同。化学（包括酶促）反应的速度与反应速率常数密切相关：化学（包括酶促）反应的速度与反应速率常数密切相关：ABvkc c0aERTkk e而反应速率常数又是温度的函数，其关系可而反应速率常数又是温度的函数，其关系可由阿累尼乌斯由阿累尼乌斯（Arrhenius）方程）方程表达：表达：该方程也说明了为什么

23、发酵的不同环节对温度的敏感程度该方程也说明了为什么发酵的不同环节对温度的敏感程度不同。不同。温度影响发酵方向的例子：温度影响发酵方向的例子：四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于度低于300C时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到合成四环素的比例也提高，温度达到350C时，金霉素的合时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。成几乎停止，只产生四环素。红霉素发酵过程中的溶氧变化A、B、C-第一批的DO、黏度、效价 A、B、C-第二批的DO、黏度、效价 利福霉

24、素发酵功率消耗对溶氧及产量的影响热电偶测温原理热电偶测温原理热电偶热电偶的基本工作原理是基于的基本工作原理是基于热电效应热电效应。由两种不同导体组成的闭合回。由两种不同导体组成的闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电动势，该电势的方向和大路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电动势，该电势的方向和大小仅与导体材料和两点的温度差别有关，这个现象即小仅与导体材料和两点的温度差别有关，这个现象即“热电效应热电效应”。热电阻式测温元件工作原理热电阻式测温元件工作原理大多数金属导体电阻与温度具有线性关系：大多数金属导体电阻与温度具有线性关系：但只有具备了（但只有具备了（1）电阻温度系数大且线性良好；（）电阻温度系数大且线性良好；（2）稳定性好）稳定性好；（；（3）使用温度范围宽（使用温度范围宽（4）能得到适当的电阻值；（）能得到适当的电阻值；（5）加工容易等条件才能）加工容易等条件才能充当测温电阻材料。充当测温电阻材料。一般选用铂（一般选用铂（Pt）作为测温电阻材料。）作为测温电阻材料。另外还有热敏电阻测温元件。另外还有热敏电阻测温元件。发酵过程的热量分析发酵过程的热量分析Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射发酵过程的热量测定发酵过程的热量测定a. 生物热的计算生物热的计算b. 发酵热的测定发酵热的测定发酵过程中最适温度的选择发酵过