第七章通气与搅拌

溶氧(DO)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素。

在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％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，使溶氧成为限制因素。第七章通气与搅拌第一节工业发酵过程中对氧的需求一、描述微生物需氧的物理量1、比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1

2、微生物摄氧率(r)：单位重量的干菌体每小时消耗的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.XCCrQO2CLCCr（C临界）:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。临界溶氧浓度牛顿型培养液：如细菌和酵母菌C临界不受培养条件的的影响非牛顿型培养液C临界受培养条件的的影响在次级代谢产物发酵过程中，C长临和C合临随菌株的生理特性而变化情况的3种情况1、C长临=C合临2、C长临＞C合临3、C长临＜C合临定义：C*氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.二、氧在液体中的溶解特性影响氧饱和浓度的主要因素1、温度2、溶液的性质3、氧分压氧越纯在溶液中的溶解度越大三、影响微生物需氧的因素r=QO2.X菌体浓度QO2遗传因素菌龄营养的成分与浓度有害物质的积累培养条件（一）微生物种类和生长阶段1、种类不同代谢中的需氧量不同2、同一种菌种不同生长阶段需氧量也不同。如：对数期、延滞期、稳定期、衰亡期（二）培养基组成碳源浓度增高，需氧量增大补料时，摄氧率增大溶质浓度也会影响摄氧率（三）培养液中溶解浓度CL大于C长临不影响CL小于C长临影响（四）培养条件：温度、PH

（五）二氧化碳：代谢过程中产生，需及时除去第二节氧在溶液中的传递Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1一、发酵液中氧的传递方程氧的传递过程中，需克服供氧和需氧二个方面的阻力

供氧方面阻力：1/K1、1/K2、1/K3、1/K4

需氧方面阻力：1/K5、1/K6、1/K7、1/K8二、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传递：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面KLa(C*-C)=r=Qm.X平衡KLa(C*-C)＞r，CL随时间延长增加，直至CL=C*

KLa(C*-C)＜r，CL随时间延长下降，直至CL=0第三节发酵液的流变学一、微生物发酵的发酵液是由三个体系组成第一体系液相第二体系固相第三体系气相二、液流类型（粘度不同，流动速度不同）按粘度大小分T剪应力：液体流动过程中两层薄层流体之间滑动时，产生的剪切应力。牛顿型流体非牛顿型流体第四节、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla

和C*来调节其中C*＝P/HNvHPKla调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。

45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1影响Kla的因素

Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。一、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12,转述250rpm装液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392二、影响发酵罐中Kla的因素1、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节kla的效果显著发酵罐内装配搅拌器的作用例某一产品的发酵

dnp0/vc产量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生产糖化酶

n230230270

通气比1:0.81:1.21:0.8

产量181224162846提高d、n显著提高C,提高了产量2、空气流速①、当空气流速过大时，搅拌器就出现“气泛”现象。气泛指在特定条件下，通入发酵罐内的空气流速达某一值时，使搅拌功率下降，当空气流速再增加时，搅拌功率不再下降，此时的空气流速称为“气泛点”。②、提高发酵罐的供氧能力:提高搅拌功率；降低空气流速3、发酵液理化性质的影响4、泡沫的影响5、空气分布器形式（多数采用多孔环形鼓泡器）6、发酵罐结构的影响（增加发酵罐的高度，提高氧的溶解度）第四节CL、r和Kla的测定一、CL的测定1、化学法2、溶氧电极极谱型(阴极)：O2+2H++2e→H2O2原电池型(阴极)：O2+2H2O+4e→4OH-极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5～30μA(主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。膜：耐温、透气、不通水测定：一般是得到相对值二、r的测定1、物料衡算

流量（进口空气中氧的氧含量—出口空气中的氧含量）r=————————————————————————

发酵液体积氧的浓度：氧分压仪2、溶氧电极停止供气：dCL——=-r

dt三、Kla的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）氧→亚硫酸钠的氧化Kla.C*=亚硫酸浓度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2N