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1、第五章：氧的供需与传递：一 名词解释： 1. 临界氧浓度：微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度” 。 2.氧的满足度：溶解氧浓度与临界氧浓度之比。二.简答1.生化反应器通气与搅拌的两个目的: 使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从菌体内向发酵液的传递。 供给微生物生长和代谢所需的氧气。临界氧浓度：微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度” 2.比生长速率和氧浓度的关系：u=um*c/(K02+c)3.饱和溶氧浓度：
2、在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。(mol/m3) 例：25 1105Pa 0.25mol/m3 影响氧饱和浓度的主要因素: 温度:温度越高，氧饱和浓度越低 溶液的性质：溶质含量越高，氧的溶解度越低 氧分压 ：p=HC* 氧分压越高氧溶解度越高4. 影响微生物需氧量的因素: 菌种的生理特性、培养基组成、溶氧浓度和发酵工艺条件5. 溶氧对发酵的影响： 为了正确控制溶解氧浓度，有必要考察每一种发酵产物的（临界溶氧浓度）和（最适溶氧浓度），并使发酵过程保持在最适溶氧浓度。最适溶氧浓度的高低与（菌种特性）和（产物合成的途径）有关。 需氧发酵并不是溶氧愈高愈好。适当高的溶氧水平有利于菌体生长
3、和产物合成；但溶氧太高有时反而抑制产物的形成。6. 在发酵过程中引起溶氧异常下降可能有下列原因 ： 污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，使溶氧在较短时间内下降到零附近，如果杂菌本身耗氧能力不强，溶氧变化就可能不明显； 菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降； 某些设备或工艺控制发生故障或变化，也能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。又如消沫油因自动加油器失灵或人为加量过多，也会引起溶氧迅速下降。其他影响供氧的工艺操作，如停搅拌、闷罐（关闭排气阀）等都会使溶氧发生异常变化。 7. 在发酵过程中引起溶氧异常升高可能有下列原因 ： 在供氧条件没有发生变化
4、的情况下，耗氧量的显著减少将导致溶氧异常升高。如： 1、菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。 2、污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧就明显上升，菌体破裂后完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升8. 耗氧速率：r=Qo2*X r耗氧速率（mmolO2/l.h) QO2 比耗氧速率（mmolO2/g.h) X 菌体浓度（g/l) 耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌体浓度的不同而不同9. 供氧、耗氧和产物形成的关系通常有三种类型： （1）产物形成期的氧消耗与菌体生长期的最大需氧量一致； （2）产物形成期的最大需氧量超过菌体生长期的最大需氧量； （3）产物形成期的
5、最大需氧量低于菌体生长期的最大需氧量。10. 比耗氧速率：单位菌体浓度的好氧速率，又称呼吸强度 11. 氧的传递途径及传质阻力 供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。 耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到细胞内。整个过程必须克服一系列 的阻力，才能被微生物利用。 *12供氧方面的阻力：气膜阻力1/k1，气体主流与气液界面的气膜阻力1/kG ，与空气情况有关； 气液界面阻力1/k2 ，也与空气情况相关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中 去，而其余的则折返回气相；液膜阻力1/k3 ，气液界面至液体主流间的液膜阻力1/kL ，与发酵液的成分和浓度 有关；
6、 液流阻力1/k4，也与发酵液的成分和浓度有关，通常这不作为一项重要阻力，因在液 体主流中氧的浓度是假定不变的，当然这只有在适当搅拌的情况下才是这样。 *13.耗氧方面的阻力： 细胞周围液膜阻力1/k5，与发酵液成分和浓度有关； 菌丝丛或团内的扩散阻力1/k6：这种阻力与微生物的种类、特性和生理状态等有关。 单细胞的细菌和酵母不存在这种阻力，对于菌丝菌如霉菌等这种阻力最为突出。 细胞膜阻力1/k7 ，与微生物的生理特性相关； 细胞内反应阻力1/k8：指氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力，与微生物的种类、 生理特性有关。14. 供氧阻力方面液膜阻力1/kL比较显著，是控制因素15. 耗氧方面,细
7、胞周围液膜的阻力1/k5是很小的,主要阻力是细胞膜阻力和菌丝从阻力， 但搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也降低了这方面的阻力。 细胞内反应阻力，只在以下三种情况下才会产生： （1）培养基成分与其相应的酶的作用失活； （2）一些生理条件如温度、pH值等不适于酶的反应 ； （3）一些代谢产物积累或不能及时从反应处移去。16. 双膜理论: 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的两旁具有两层稳定的薄膜，即气泡一侧存在着一层气膜，液体一侧存在着一层液膜 在气液界面上，空气中氧的分压与溶于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 两膜以外的气、液两相主流中，由于流体充分流动，氧的浓
8、度基本上是均匀的，也就无任何传质阻力17. 在稳定传质过程中，传质途径上的各点氧浓度不随时间而变化，故通过两膜的氧传递速率N应相等 N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C) 一般不采用传质系数kG或kL，而采用包括这两个因素在内的总传质系数KG或KL,同时采用总推动力 P-P*和C*-C代替传质推动力P-Pi和Ci-C。因此，上式可改写为：N=KG(P-P*)=KL(C*-C)18. 亨利定律： 与溶解浓度相平衡的理想气体的分压与该气体所溶解的分子浓度成正比19. 影响传氧速率的因素: (1)搅拌: 搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升的速度要比大气泡慢，因此接触时
9、间也增长。搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是做螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间。搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大了kLa。搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递过程中的接触面积增加，使推动力均一。 搅拌器的型式及流型:下组一宜采用圆盘涡轮式搅拌器，上组宜采用平桨式 (2)空气流速: 只有在增大Q的同时也相应提高转速N，使Pg不至过分降低的情况下，才能最有效地提高Kla。 (3)空气分布管:单管、多孔环管及多孔分支环管,发酵工业大多采用单管空气分布器 喷口直径越小，气泡的直径越小，溶氧系数就越大 (4)氧分压:增加
10、空气压力即增大罐压或用含氧较多的空气或纯氧都能增加氧的分压 (5)罐内液柱高度:通风效率是随发酵罐的高径比H/D的增大而增加,H/D=23为宜 (6)罐容 (7)醪液性质 (8)温度 (9)有机物质和表面活性剂 (10)离子强度:电解质溶液的氧传递系数K L比水大，而且随电解质浓度的增加， K L 也有较大的增加21. 溶氧系数的测定: (1)亚硫酸盐氧化法 2Na2SO3+ O22Na2SO4 Na2SO3+ I2 + H2O Na2SO4 + 2HI Na2S2O3 + I2 Na2S4O6 + 2NaI 每滴定消耗1mol Na2S2O3必有1/4mol溶氧。 Nv=V.N/(1000m
11、.t.4)(mol/ml.min) 或 Nv=V.N.60/(m.t.4)(mol/L.h)Nv:溶氧速率 V-实际搅拌通气样与空白样各加等量、适量I2液后滴定用标准Na2S2O3体积之差（ml）N- Na2S2O3的标定浓度（mol/L）m-样液的体积（ml）t-两次取样的间隔，即氧化时间（min）Nv值代入到 Nv=kLa(C*-C)，即可算出kLa kLa=Nv/0.21kd=kLa/H优点： 氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需要特殊仪器。缺点： 不能在真实发酵条件下进行测定发酵液的溶氧，因为亚硫酸盐对微生物的生长有影响，且发酵液的成分、消泡剂、表面张力、黏度、特别是菌体都
12、影响氧的传递（2） 极谱法 取样极谱法和排气极谱法（3） 溶氧电极法： 将电极放入Na2SO3水溶液中，搅拌，此时电流计的指示定为溶氧值0%；然后用水冲洗电极，插入水中，通气搅拌，直至电流响应值达到饱和，定为溶氧值100%。 稳态法： 正在发酵的醪液中，一方面以一定的溶氧速率Nv向液中供氧，另一方面正在生长的微生物也以一定耗氧速率r消耗溶氧。Nv=kLa(C*-C) r=QO2X溶氧供需速率相等时，r=Q(C进-C出)/V V-发酵液的体积Q(C进-C出)/V= kLa(C*-C) * 动态法 dC/dt=kLa(C*-C)-QO2X 当在某一时刻t=0时暂时停止通风，则上式变为： dC/dt
13、= - QO2.X 时间t1后，恢复通风，溶液中的氧浓度又将逐步上升则： 以(dC/dt + QO2X) 对C作图即得一斜率为-1/kLa的直线，此直线与纵轴的交点即为饱和溶解氧浓度C*。优点：只需要单一的溶氧电极，可以测得实际发酵系统的kLa值。溶氧电极的响应时间应尽可能短。kLa值步骤？22.Kla和溶氧速率Nv的调控 （1）提高传质推动力C*-C （2) 压力调节(罐压、氧分压) （3）通风量和搅拌转速调节 （4）高径比调节： 平均压力增高，传质推动力（C*- C）增大，从而提高溶氧速率； 高径比大，反应器截面积小，空截面上的空气线速度Vs将增大，从而提高溶氧率 利于降低单位溶解氧功耗即
14、提高传氧效率 （5）改变发酵液的理化性质： 重复地放出一部分发酵液，补充新鲜灭菌的等体积培养基，这样可以使kLa （6）传氧中间介质的加入： 氧载体：血红蛋白、烃类碳氢化合物、含碳化合物从需氧方面考虑： (1)养料的丰富程度影响菌的生长 (2)温度的影响 （3） 限制性基质的流加控制第七章 ：发酵染菌及其防治一 名词解释：1. 发酵染菌：在发酵过程中，生产菌以外的其他微生物侵入了发酵液，从而使发酵过程失去了真正意义上的纯种培养2. 倒种：当种子受到杂菌污染又无备用种子时，为了保证发酵生产正常进行，从发酵罐内的发酵液中挑取一部分当作种子，接入到新的发酵罐进行发酵生产，叫“倒种”。3.二 总结1. 造成发酵染菌的可能途径有哪些 菌种培养过程操作不当 培养基灭菌不彻底 发酵设备（如发酵罐、管道）密封不严 空气除菌不净2. 既然染菌不可避免，哪我们应该怎样做？
