1、第三章第三章 間接參數(shù)檢測(cè)間接參數(shù)檢測(cè)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 在生物反應(yīng)過(guò)程中許多的關(guān)鍵參數(shù)，如產(chǎn)物濃度在生物反應(yīng)過(guò)程中許多的關(guān)鍵參數(shù)，如產(chǎn)物濃度、底物濃度等在工業(yè)上還沒(méi)有在線(xiàn)可檢測(cè)的傳感器，、底物濃度等在工業(yè)上還沒(méi)有在線(xiàn)可檢測(cè)的傳感器，而這些而這些參數(shù)在生物反應(yīng)過(guò)程的控制和優(yōu)化操作中參數(shù)在生物反應(yīng)過(guò)程的控制和優(yōu)化操作中又非又非常重要。為了獲得這些有用的信息，在科學(xué)研究上和常重要。為了獲得這些有用的信息，在科學(xué)研究上和工業(yè)生產(chǎn)上往往用間接測(cè)量的方法，工業(yè)生產(chǎn)上往往用間接測(cè)量的方法，即用其他可測(cè)量即用其他可測(cè)量的參數(shù)，通過(guò)有關(guān)模型進(jìn)行推斷估計(jì)，這種測(cè)量方法的參數(shù)，通過(guò)有關(guān)模型進(jìn)行推斷估計(jì)，這種測(cè)

2、量方法有時(shí)又稱(chēng)為軟測(cè)量（模型測(cè)量）。有時(shí)又稱(chēng)為軟測(cè)量（模型測(cè)量）。因?yàn)檫@種測(cè)量方法因?yàn)檫@種測(cè)量方法要用多個(gè)參數(shù)和模型通過(guò)計(jì)算才能獲得有用的信息。要用多個(gè)參數(shù)和模型通過(guò)計(jì)算才能獲得有用的信息。本章將介紹間接參數(shù)測(cè)量的一些基本方法。本章將介紹間接參數(shù)測(cè)量的一些基本方法。參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)名稱(chēng)單位單位測(cè)試方法測(cè)試方法意義、主要作用意義、主要作用溫度溫度罐壓罐壓空氣流量空氣流量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率攪拌功率粘度粘度濁度濁度泡沫泡沫體積氧傳質(zhì)體積氧傳質(zhì)系數(shù)系數(shù)KLa CPaV/V.minR/minKWPa.s透光度透光度 l/h 傳感器傳感器壓力表壓力表傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器粘度計(jì)粘度計(jì)傳感器

3、傳感器傳感器傳感器間接計(jì)算間接計(jì)算 維持生長(zhǎng)、合成維持生長(zhǎng)、合成維持正壓、增加溶氧維持正壓、增加溶氧供氧、排泄廢氣、提高供氧、排泄廢氣、提高KLa物料混合、提高物料混合、提高KLa反映攪拌情況、反映攪拌情況、KLa反映菌的生長(zhǎng)、反映菌的生長(zhǎng)、KLa反映菌的生長(zhǎng)情況反映菌的生長(zhǎng)情況反映發(fā)酵代謝情況反映發(fā)酵代謝情況反映供氧效率反映供氧效率 物理參數(shù)物理參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)名稱(chēng)單位單位測(cè)試方法測(cè)試方法意義、主要作用意義、主要作用pH基質(zhì)濃度基質(zhì)濃度溶解氧濃度溶解氧濃度氧化還原電位氧化還原電位產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度尾氣氧濃度尾氣氧濃度尾氣尾氣CO2濃度濃度菌體濃度菌體濃度RNA、DNA含量含量ATP、ADP、A

4、MNADH含量含量攝氧率攝氧率呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度呼吸商呼吸商比生長(zhǎng)速率比生長(zhǎng)速率 g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌菌.h 1/h 傳感器傳感器取樣取樣傳感器傳感器傳感器傳感器取樣取樣傳感器傳感器傳感器傳感器取樣取樣取樣取樣取樣取樣間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算 了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成反映氧供需情況反映氧供需情況反映菌的代謝情況反映菌的代謝情況產(chǎn)物合成情況產(chǎn)物合成情況了解耗氧情況了解耗氧情況了解菌的呼吸情況了解菌的呼吸情況了解生長(zhǎng)情況了

5、解生長(zhǎng)情況了解生長(zhǎng)情況了解生長(zhǎng)情況了解能量代謝活力了解能量代謝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謝途徑了解菌的代謝途徑了解生長(zhǎng)了解生長(zhǎng) 化學(xué)、生物參數(shù)化學(xué)、生物參數(shù) 目前較常測(cè)定的參數(shù)有溫度、罐壓、空目前較常測(cè)定的參數(shù)有溫度、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶氧、基質(zhì)濃、溶氧、基質(zhì)濃度、菌體濃度度、菌體濃度(干重、離心壓縮細(xì)胞體積干重、離心壓縮細(xì)胞體積%)等。等。 不常測(cè)定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、不常測(cè)定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、尾氣中的尾氣中的O2和和CO2含量等。含量等。 參數(shù)測(cè)定方法有：參數(shù)測(cè)定方法有： 在線(xiàn)測(cè)定在線(xiàn)測(cè)定 取樣測(cè)定（

6、離線(xiàn)測(cè)定）取樣測(cè)定（離線(xiàn)測(cè)定）主要間接參數(shù)主要間接參數(shù) 根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時(shí)間的菌濃、根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時(shí)間的菌濃、溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的變化值，可分別計(jì)算出菌體的變化值，可分別計(jì)算出菌體的比生長(zhǎng)速率、比生長(zhǎng)速率、氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率物比生產(chǎn)速率。1 氧利用率氧利用率(OUR, oxygen utilization rate) 以單位時(shí)間、單位發(fā)酵液體積內(nèi)細(xì)胞消以單位時(shí)間、單位發(fā)酵液體積內(nèi)細(xì)胞消耗的氧量表示的氧利用速率，可以根據(jù)耗的氧量表示的氧利用速率，可以根據(jù)氧的動(dòng)態(tài)

7、質(zhì)量平衡進(jìn)行估算。在發(fā)酵過(guò)氧的動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡進(jìn)行估算。在發(fā)酵過(guò)程中氧既連續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)，也連續(xù)排出系程中氧既連續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)，也連續(xù)排出系統(tǒng)，因此氧的平衡可以表示為：統(tǒng)，因此氧的平衡可以表示為：氧在系氧在系統(tǒng)內(nèi)的變化率，等于氧進(jìn)入系統(tǒng)的速率統(tǒng)內(nèi)的變化率，等于氧進(jìn)入系統(tǒng)的速率減去氧排出系統(tǒng)的速率和氧在系統(tǒng)內(nèi)的減去氧排出系統(tǒng)的速率和氧在系統(tǒng)內(nèi)的消耗速率。消耗速率。呼吸強(qiáng)度QO2：?jiǎn)挝恢亓康母删w每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/g.h） 2 呼吸強(qiáng)度QO2：干菌體濃度攝氧率XrOXrQ:23 二氧化碳釋放率二氧化碳釋放率(CER, carbon dioxide evolution rate) 在單位時(shí)間、單位發(fā)

8、酵液體積內(nèi)細(xì)胞釋在單位時(shí)間、單位發(fā)酵液體積內(nèi)細(xì)胞釋放的二氧化碳量，叫二氧化碳釋放速率放的二氧化碳量，叫二氧化碳釋放速率或稱(chēng)二氧化碳生成率，他可以有系統(tǒng)內(nèi)或稱(chēng)二氧化碳生成率，他可以有系統(tǒng)內(nèi)二氧化碳的動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡進(jìn)行估算。這二氧化碳的動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡進(jìn)行估算。這一平衡為一平衡為二氧化碳在系統(tǒng)內(nèi)的變化等于二氧化碳在系統(tǒng)內(nèi)的變化等于在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的速率加上二氧化碳進(jìn)入在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的速率加上二氧化碳進(jìn)入系統(tǒng)的速率減去二氧化碳排出系統(tǒng)的速系統(tǒng)的速率減去二氧化碳排出系統(tǒng)的速率。率。4 呼吸商（呼吸商（RQ, respiration quotient) 二氧化碳釋放速率除以氧消耗速率所得到的二氧化碳釋放速率除以氧消

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種碳能源在發(fā)酵過(guò)各種碳能源在發(fā)酵過(guò)程中代謝狀況的指示值程中代謝狀況的指示值，在碳能源限制及供，在碳能源限制及供氧充分的情況下，各種碳能源都趨向完全氧氧充分的情況下，各種碳能源都趨向完全氧化?；?。22COOrRQr第二節(jié)第二節(jié) 微生物的生長(zhǎng)速率微生物的生長(zhǎng)速率一、比生長(zhǎng)速率一、比生長(zhǎng)速率1 均衡生長(zhǎng)均衡生長(zhǎng) 隨著細(xì)胞質(zhì)量的增加，細(xì)胞內(nèi)所有可隨著細(xì)胞質(zhì)量的增加，細(xì)胞內(nèi)所有可檢測(cè)的菌體組成物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、檢測(cè)的菌體組成物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、DNADNA、RNARNA等以相同比例增加。等以相同比例增加。2 非均衡生長(zhǎng) 類(lèi)似儲(chǔ)存物質(zhì)的積蓄過(guò)程及分批培養(yǎng)初

10、類(lèi)似儲(chǔ)存物質(zhì)的積蓄過(guò)程及分批培養(yǎng)初期細(xì)胞組成物質(zhì)的非均衡快速合成情況等期細(xì)胞組成物質(zhì)的非均衡快速合成情況等則屬于非均衡生長(zhǎng)。則屬于非均衡生長(zhǎng)。均衡生長(zhǎng)類(lèi)似于一級(jí)自催化反應(yīng)，以菌體干重的增均衡生長(zhǎng)類(lèi)似于一級(jí)自催化反應(yīng)，以菌體干重的增加為基準(zhǔn)的生長(zhǎng)速率，加為基準(zhǔn)的生長(zhǎng)速率，即單位體積培養(yǎng)液中單位時(shí)即單位體積培養(yǎng)液中單位時(shí)間內(nèi)生成菌體的干重間內(nèi)生成菌體的干重與菌體濃度成正比。與菌體濃度成正比。rx = X = rx / X或或式中的比例系數(shù)式中的比例系數(shù) 稱(chēng)為稱(chēng)為比生長(zhǎng)速率比生長(zhǎng)速率 相對(duì)單位質(zhì)量干菌體單位時(shí)間內(nèi)增加的干菌體質(zhì)量；相對(duì)單位質(zhì)量干菌體單位時(shí)間內(nèi)增加的干菌體質(zhì)量；（g /g h）（1）生

11、物種的生物種的遺傳基因遺傳基因是決定比生長(zhǎng)速率是決定比生長(zhǎng)速率大小的大小的決定因素決定因素。細(xì)胞包含的遺傳信息越復(fù)雜，細(xì)胞越大，即細(xì)胞包含的遺傳信息越復(fù)雜，細(xì)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，說(shuō)明這種微生物生長(zhǎng)得，說(shuō)明這種微生物生長(zhǎng)得越越快快。3 3 特點(diǎn)特點(diǎn)：（4）在在分批培養(yǎng)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期分批培養(yǎng)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期， 一一般為般為常數(shù)常數(shù)。（3 3） 一般情況下微生物的一般情況下微生物的 并非常數(shù)并非常數(shù)。 因菌體所處的環(huán)境條件如溫度、因菌體所處的環(huán)境條件如溫度、pH pH 、培養(yǎng)基組成及濃度等不同而異。培養(yǎng)基組成及濃度等不同而異。若若 為常數(shù)，為常數(shù)，td

12、 與與 之間存在如下關(guān)系：之間存在如下關(guān)系：4 倍增時(shí)間（doubling time ; td）： 微微生物的細(xì)胞質(zhì)量（或數(shù)量）增大到生物的細(xì)胞質(zhì)量（或數(shù)量）增大到2倍倍所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。對(duì)于二分分裂繁殖的微生物，倍增時(shí)間對(duì)于二分分裂繁殖的微生物，倍增時(shí)間約等于世代時(shí)間約等于世代時(shí)間 = ln2/td 0.693/td微生物 溫度() (h-1) td嗜熱脂肪芽孢桿菌嗜熱脂肪芽孢桿菌 60 5.0 8.4min硝化假單胞菌硝化假單胞菌 30 4.2 10min大腸桿菌大腸桿菌 40 2.0 21min產(chǎn)氣氣桿菌產(chǎn)氣氣桿菌 37 2.31.4 1830min枯草桿菌枯草桿菌 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 不同微生物的比生長(zhǎng)速率和世代時(shí)間細(xì)菌的倍增時(shí)間一般0.251h，酵母約為1.152h，霉菌約為26.9h二、二、Monod生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型及其推廣生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型及其推廣1、Monod模型（1）溫度和）溫度和pH恒定時(shí)，恒定時(shí)， 隨培養(yǎng)基組分濃度變化而變化。隨培養(yǎng)基組分濃度變化而變化。（2） 若著眼于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度若著眼于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度S，并假設(shè)其，并假設(shè)其它培養(yǎng)基組分濃度不變，則它培養(yǎng)基組分濃度不變，則 是是S 的函數(shù)。的函數(shù)。 最著名的表達(dá)式是最著名的表達(dá)式是Monod提出的直角

14、雙曲線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)式：提出的直角雙曲線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)式：SKsSmaxMonod方程描述比生長(zhǎng)速率的代表性模型比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系 max稱(chēng)為稱(chēng)為最大比生長(zhǎng)速率（h-1） 是在是在SKs，且其它成分保持不變的情，且其它成分保持不變的情況下取得的。況下取得的。 S是限制性底物濃度是限制性底物濃度(g/L) Ks(半)飽和常數(shù)，Monod常數(shù) 代表當(dāng)微生物的生長(zhǎng)速率等于最大比生代表當(dāng)微生物的生長(zhǎng)速率等于最大比生長(zhǎng)速率的一半時(shí)的底物濃度長(zhǎng)速率的一半時(shí)的底物濃度(g/L；mol/m3)。 即當(dāng)即當(dāng) = max/2時(shí)，時(shí)， Ks =SKs 表示微生物對(duì)生長(zhǎng)限制基質(zhì)的親和力， Ks 越大，親和力越小， 對(duì)S的變化越不

15、敏感。幾種微生物對(duì)底物的飽和常數(shù)幾種微生物對(duì)底物的飽和常數(shù)KsKs微生物微生物底物底物mg/LKs (10-5mol/L)埃希氏菌屬葡萄糖6.810-23.810-2埃希氏菌屬甘露醇2.01.1埃希氏菌屬乳糖2.0105.9曲霉屬 葡萄糖5.02.8假絲酵母屬甘油4.54.9酵母屬葡萄糖2.5101.410假單胞菌屬甲醇710-12.0假單胞菌屬甲烷410-12.6Monod方程是方程是典型的決定論均相非結(jié)構(gòu)模型典型的決定論均相非結(jié)構(gòu)模型；它是基于以下假；它是基于以下假設(shè)建立的：設(shè)建立的：1 1）菌株生長(zhǎng)為均衡型非結(jié)構(gòu)式生長(zhǎng)。）菌株生長(zhǎng)為均衡型非結(jié)構(gòu)式生長(zhǎng)。Monod方程成立的基本假設(shè)：2 2

16、）培養(yǎng)基中只有一種底物是生長(zhǎng)限制性底物，其它營(yíng)養(yǎng)成）培養(yǎng)基中只有一種底物是生長(zhǎng)限制性底物，其它營(yíng)養(yǎng)成分不影響微生物生長(zhǎng)。分不影響微生物生長(zhǎng)。3 3）將微生物生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單反應(yīng)，并假設(shè)菌體得率為常數(shù)，）將微生物生長(zhǎng)視為簡(jiǎn)單反應(yīng)，并假設(shè)菌體得率為常數(shù)，沒(méi)有動(dòng)態(tài)滯后。沒(méi)有動(dòng)態(tài)滯后。 MonodMonod方程與酶催化反應(yīng)的米氏方程形式方程與酶催化反應(yīng)的米氏方程形式一樣，但一樣，但MonodMonod方程完全是經(jīng)驗(yàn)的，而米氏方方程完全是經(jīng)驗(yàn)的，而米氏方程則是推導(dǎo)出來(lái)的。程則是推導(dǎo)出來(lái)的。 應(yīng)當(dāng)指出，該方程只適用于單基質(zhì)限制及應(yīng)當(dāng)指出，該方程只適用于單基質(zhì)限制及不存在抑制性基質(zhì)的情況，即除了被試驗(yàn)的一不存在

17、抑制性基質(zhì)的情況，即除了被試驗(yàn)的一種生長(zhǎng)限制基質(zhì)外，其它必需營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)都是過(guò)種生長(zhǎng)限制基質(zhì)外，其它必需營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)都是過(guò)量的，但這種過(guò)量又不致造成生長(zhǎng)的抑制。量的，但這種過(guò)量又不致造成生長(zhǎng)的抑制。 當(dāng)存在抑制劑或在培養(yǎng)基中有混合基質(zhì)時(shí)，當(dāng)存在抑制劑或在培養(yǎng)基中有混合基質(zhì)時(shí)，用修改后的用修改后的MonodMonod方程才能符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。方程才能符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2、Monod模型的推廣1）包含維持代謝的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程維持是指活細(xì)胞群體在沒(méi)有實(shí)質(zhì)性生長(zhǎng)和繁殖（或者說(shuō)生長(zhǎng)是指活細(xì)胞群體在沒(méi)有實(shí)質(zhì)性生長(zhǎng)和繁殖（或者說(shuō)生長(zhǎng)和死亡處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)），也沒(méi)有胞外產(chǎn)物產(chǎn)生情況下的和死亡處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)），也沒(méi)有胞外產(chǎn)物

18、產(chǎn)生情況下的生命活動(dòng)，如細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞生命活動(dòng)，如細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞物質(zhì)的更新等；這種生命活動(dòng)僅僅是為了維持細(xì)胞生存的需物質(zhì)的更新等；這種生命活動(dòng)僅僅是為了維持細(xì)胞生存的需要。要。 只消耗少量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（能量）以維持菌體生命，只消耗少量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（能量）以維持菌體生命，菌體數(shù)量和質(zhì)量并不增加的代謝過(guò)程稱(chēng)為菌體數(shù)量和質(zhì)量并不增加的代謝過(guò)程稱(chēng)為維持代謝。 供單位重量的細(xì)胞（干重）在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維持代謝供單位重量的細(xì)胞（干重）在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維持代謝所消耗的基質(zhì)量稱(chēng)作所消耗的基質(zhì)量稱(chēng)作維持因數(shù)（維持系數(shù)）。 維持因數(shù)的大小代表細(xì)胞能量代謝效率的高低；

19、維持因數(shù)維持因數(shù)的大小代表細(xì)胞能量代謝效率的高低；維持因數(shù)越大，表示能量代謝效率越低。越大，表示能量代謝效率越低。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于特定的菌株，特定的培養(yǎng)條件和特定的營(yíng)一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于特定的菌株，特定的培養(yǎng)條件和特定的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，維持因數(shù)是個(gè)常數(shù)。養(yǎng)基質(zhì)，維持因數(shù)是個(gè)常數(shù)。bSKsSmax包含維持代謝的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程：當(dāng)當(dāng)SSm=Ksb / ( max-b) 時(shí)，時(shí)， =0，即，即rx = 0 即有維持代謝時(shí)，表觀菌體得率即有維持代謝時(shí)，表觀菌體得率Yx/s= X/ S，只，只在在SSm時(shí)成立，而時(shí)成立，而SSm時(shí)時(shí)Yx/s= 0 有時(shí)高濃度的基質(zhì)會(huì)對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，即有時(shí)高濃度的基質(zhì)會(huì)對(duì)細(xì)胞的

20、生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，即發(fā)生底物（基質(zhì)）抑制現(xiàn)象。如以醋酸為基質(zhì)培養(yǎng)產(chǎn)發(fā)生底物（基質(zhì)）抑制現(xiàn)象。如以醋酸為基質(zhì)培養(yǎng)產(chǎn)朊假絲酵母，以亞硝酸鹽為底物培養(yǎng)硝化桿菌等。朊假絲酵母，以亞硝酸鹽為底物培養(yǎng)硝化桿菌等。2）有底物抑制時(shí)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程：KiSSKs1maxKi 抑制常數(shù) 抑制劑對(duì)比生長(zhǎng)速率的影響 3）有產(chǎn)物抑制時(shí)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程 如果微生物的某些代謝產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)有抑制作用，如果微生物的某些代謝產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)有抑制作用，即使這時(shí)限制性基質(zhì)濃度還相當(dāng)高，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率也會(huì)即使這時(shí)限制性基質(zhì)濃度還相當(dāng)高，細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率也會(huì)隨著這種代謝產(chǎn)物的積累逐漸下降。隨著這種代謝產(chǎn)物的積累逐漸下降。 描述產(chǎn)物

21、抑制的動(dòng)力學(xué)方程有多種，如：描述產(chǎn)物抑制的動(dòng)力學(xué)方程有多種，如： P 產(chǎn)物濃度k1 、 k2、 k3 常數(shù)第第 三節(jié)三節(jié) 底底 物物 消消 耗耗 速速 率率一、比底物消耗速率一、比底物消耗速率生長(zhǎng)得率（菌體得率） 表示發(fā)酵中微表示發(fā)酵中微生物的生長(zhǎng)相對(duì)于基質(zhì)或能量消耗的效率。生物的生長(zhǎng)相對(duì)于基質(zhì)或能量消耗的效率。生長(zhǎng)得率有不同的表示方法；最常用的是生長(zhǎng)得率有不同的表示方法；最常用的是以基質(zhì)消耗為基準(zhǔn)的生長(zhǎng)得率YX/S和和以氧消耗為基準(zhǔn)的生長(zhǎng)得率YX/O符 號(hào) 定 義 因 次 YX/S X /-S g細(xì)胞干重細(xì)胞干重/g基質(zhì)基質(zhì) or g細(xì)胞干重細(xì)胞干重/mol基質(zhì)基質(zhì)YX/O X/-O2 g細(xì)

22、胞干重細(xì)胞干重/gO2 or g細(xì)胞干重細(xì)胞干重/mol O2YATP X/ ATP g細(xì)胞干重細(xì)胞干重/mol ATP生長(zhǎng)得率的各種表示方法 不同的微生物、不同的培養(yǎng)基、采用不同的培養(yǎng)條件，不同的微生物、不同的培養(yǎng)基、采用不同的培養(yǎng)條件，在不同的生長(zhǎng)速率下，所獲得的生長(zhǎng)得率是不同的。即使同在不同的生長(zhǎng)速率下，所獲得的生長(zhǎng)得率是不同的。即使同一種微生物，在同一培養(yǎng)基和同一培養(yǎng)條件下，不同的培養(yǎng)一種微生物，在同一培養(yǎng)基和同一培養(yǎng)條件下，不同的培養(yǎng)階段生長(zhǎng)得率也不相同。階段生長(zhǎng)得率也不相同。一些微生物在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中通氣培養(yǎng)時(shí)的生長(zhǎng)得率微生物微生物 基質(zhì)基質(zhì) YX/SAerobacter aerog

23、enes（氣乳桿菌）麥芽糖0.46葡萄糖0.40核糖0.35甘油0.45Candida utilis（產(chǎn)朊假絲酵母）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/ 底物消耗速率可通過(guò)菌體得率（生長(zhǎng)得底物消耗速率可通過(guò)菌體得率（生長(zhǎng)得率）與菌體生長(zhǎng)速率關(guān)聯(lián)起來(lái)。率）與菌體生長(zhǎng)速率關(guān)聯(lián)起來(lái)。r rs s底物消耗速率：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)消耗的：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)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 相對(duì)單位質(zhì)量干菌相對(duì)單位質(zhì)量干菌體單位時(shí)間內(nèi)的底物消耗量。體單位時(shí)間內(nèi)的底物消耗量。 Qs = rs / X根據(jù)前兩式得：根據(jù)前兩式得：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 為一定時(shí)間內(nèi)生成菌體的干質(zhì)量與完全消耗于菌體為一定時(shí)間內(nèi)生成菌體的干質(zhì)量與完全消耗于菌體生長(zhǎng)的底物質(zhì)量之比。表示生長(zhǎng)的底物質(zhì)量之比。表示無(wú)維持代謝時(shí)的菌體得率; 也即也即最

25、大菌體得率m 維持因數(shù) 是培養(yǎng)基組成、是培養(yǎng)基組成、pH、溫度等的函數(shù)、溫度等的函數(shù) 對(duì)于像氮源、無(wú)機(jī)鹽及維生素等可作為菌體組成成分而不對(duì)于像氮源、無(wú)機(jī)鹽及維生素等可作為菌體組成成分而不能作為能源的營(yíng)養(yǎng)物，菌體得率能作為能源的營(yíng)養(yǎng)物，菌體得率Y YX/SX/S基本上恒定，前式能很好基本上恒定，前式能很好地適用。地適用。 當(dāng)?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r(shí)，就必須考慮維持代謝。當(dāng)?shù)孜锛仁悄茉从质翘荚磿r(shí)，就必須考慮維持代謝。 對(duì)于能源的消耗速率的物料衡算為：對(duì)于能源的消耗速率的物料衡算為：二、包含維持代謝的底物消耗速率模型能源總消耗速率 = 用于生長(zhǎng)的能源消耗速率 + 用于維持代謝的能源消耗速率三、氧消耗速

26、率三、氧消耗速率 氧作為一種底物不可能被菌體單獨(dú)消耗，必然在需氧培氧作為一種底物不可能被菌體單獨(dú)消耗，必然在需氧培養(yǎng)過(guò)程中隨著能源底物的消耗而消耗。養(yǎng)過(guò)程中隨著能源底物的消耗而消耗。 單位體積培養(yǎng)液中菌體在單位時(shí)間內(nèi)攝?。ㄏ模┭醯膯挝惑w積培養(yǎng)液中菌體在單位時(shí)間內(nèi)攝?。ㄏ模┭醯牧糠Q(chēng)為量稱(chēng)為攝氧率 (OUR), 用用rO2表示。表示。 rO2與菌體濃度之比，即與菌體濃度之比，即比氧消耗速率QO2，也稱(chēng)為，也稱(chēng)為呼吸速率或或呼吸強(qiáng)度。（單位質(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧。（單位質(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧的量）的量）第第 四四 節(jié)節(jié) 代代 謝謝 產(chǎn)產(chǎn) 物物 生生 成成 速速 率率一、代謝產(chǎn)物生

27、成速率一、代謝產(chǎn)物生成速率 微生物反應(yīng)生成的代謝產(chǎn)物范圍非常廣，在合成途徑微生物反應(yīng)生成的代謝產(chǎn)物范圍非常廣，在合成途徑及代謝調(diào)節(jié)機(jī)理上，各具不同特征，無(wú)法用統(tǒng)一方式表示及代謝調(diào)節(jié)機(jī)理上，各具不同特征，無(wú)法用統(tǒng)一方式表示這些產(chǎn)物的生產(chǎn)速率。這些產(chǎn)物的生產(chǎn)速率。 與菌體生長(zhǎng)速率和底物消耗速率相同，代謝產(chǎn)物的生與菌體生長(zhǎng)速率和底物消耗速率相同，代謝產(chǎn)物的生成速率也有兩種不同的表示方式：成速率也有兩種不同的表示方式：代謝產(chǎn)物生成速率 單位體積培養(yǎng)液中單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)單位體積培養(yǎng)液中單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)物生成量。物生成量。rp (g/Lh)(g/Lh)比代謝產(chǎn)物生成速率 相對(duì)于單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)相對(duì)于單位

28、質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)的代謝產(chǎn)物生成量。間內(nèi)的代謝產(chǎn)物生成量。 QpQp (g/gh) (g/gh) Qp = rp / X r rp p與菌體濃度與菌體濃度X X有關(guān)，是反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)有關(guān)，是反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù) Q Qp p與菌體濃度無(wú)關(guān)，表示細(xì)胞合成代謝產(chǎn)物的活性大??；與菌體濃度無(wú)關(guān)，表示細(xì)胞合成代謝產(chǎn)物的活性大小；可利用其定量比較不同微生物的生物合成活性，從而有效篩可利用其定量比較不同微生物的生物合成活性，從而有效篩選優(yōu)良菌株。選優(yōu)良菌株。 COCO2 2雖然不是目的產(chǎn)物，但卻是微生物反應(yīng)中幾乎必然生雖然不是目的產(chǎn)物，但卻是微生物反應(yīng)中幾乎必然生成的副代謝產(chǎn)物。成的副

29、代謝產(chǎn)物。二氧化碳釋放速率(CER) 單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的內(nèi)的COCO2 2釋放量；用釋放量；用r rCOCO2 2 (g/Lh)(g/Lh)表示。表示。比二氧化碳生成率 相對(duì)于單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)相對(duì)于單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)的間內(nèi)的COCO2 2生成量；用生成量；用Q QCOCO2 2 （g/ghg/gh）表示。）表示。 對(duì)于需氧型微生物反應(yīng)，對(duì)于需氧型微生物反應(yīng)，CO2的生成量與的生成量與O2的消耗量之的消耗量之比稱(chēng)為比稱(chēng)為呼吸商，用，用RQ表示：表示： RQ = CO2/(- O2) = CER/OUR RQ常用于基本上停止生長(zhǎng)的休眠或靜止細(xì)胞的呼吸

30、生理學(xué)研究中。二、代謝產(chǎn)物合成二、代謝產(chǎn)物合成 的動(dòng)力學(xué)類(lèi)型的動(dòng)力學(xué)類(lèi)型類(lèi)型：生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型 特點(diǎn)： 菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物合成大體上呈正比關(guān)系（菌菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物合成大體上呈正比關(guān)系（菌體生長(zhǎng)、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎都在相同的時(shí)間出現(xiàn)高體生長(zhǎng)、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎都在相同的時(shí)間出現(xiàn)高峰，即表現(xiàn)出產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)）峰，即表現(xiàn)出產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)） 例 由碳源直接氧化進(jìn)行的初級(jí)代謝物的生產(chǎn)；產(chǎn)物的積累由碳源直接氧化進(jìn)行的初級(jí)代謝物的生產(chǎn)；產(chǎn)物的積累與菌體增長(zhǎng)相平行，并與碳源消耗有準(zhǔn)量關(guān)系。如酒精、乳與菌體增長(zhǎng)相平行，并與碳源消耗有準(zhǔn)量關(guān)系。如酒精、乳酸、酸、 - -酮戊

31、二酸等。酮戊二酸等。 動(dòng)力學(xué) 可表示為：可表示為： dP/dt = X 類(lèi)型 為生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物的形成比為生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物的形成比率（率（g g產(chǎn)物產(chǎn)物/g/g菌體）菌體）比產(chǎn)物合成速率 Qp = dP/Xdt = 由此可見(jiàn)，產(chǎn)物的由此可見(jiàn)，產(chǎn)物的合成速度合成速度（dP/dt）與）與比生長(zhǎng)速率和菌比生長(zhǎng)速率和菌體濃度成正比體濃度成正比；產(chǎn)物的；產(chǎn)物的比合成速率比合成速率（Qp）僅與）僅與比生長(zhǎng)速率比生長(zhǎng)速率成正比成正比。 對(duì)于生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，應(yīng)通過(guò)獲得對(duì)于生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物來(lái)說(shuō)，應(yīng)通過(guò)獲得高比生長(zhǎng)速率來(lái)高比生長(zhǎng)速率來(lái)提高產(chǎn)物合成的速度提高產(chǎn)物合成的速度。 類(lèi)型第一階段為菌體生長(zhǎng)階段，菌體生長(zhǎng)與基質(zhì)

32、消耗成正比，但無(wú)第一階段為菌體生長(zhǎng)階段，菌體生長(zhǎng)與基質(zhì)消耗成正比，但無(wú)產(chǎn)物生成；產(chǎn)物生成； 第二階段為產(chǎn)物合成階段，產(chǎn)物合成、菌體生長(zhǎng)和基質(zhì)消耗成第二階段為產(chǎn)物合成階段，產(chǎn)物合成、菌體生長(zhǎng)和基質(zhì)消耗成正比，但菌體生長(zhǎng)量比前一階段要小得多；正比，但菌體生長(zhǎng)量比前一階段要小得多；菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成是分開(kāi)的，糖分既供應(yīng)生長(zhǎng)的能量，又菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成是分開(kāi)的，糖分既供應(yīng)生長(zhǎng)的能量，又充作產(chǎn)物合成的碳源。發(fā)酵過(guò)程中有兩個(gè)時(shí)期對(duì)糖的利用最充作產(chǎn)物合成的碳源。發(fā)酵過(guò)程中有兩個(gè)時(shí)期對(duì)糖的利用最為迅速，一個(gè)是最高生長(zhǎng)時(shí)期，另一個(gè)是最大產(chǎn)物合成時(shí)期。為迅速，一個(gè)是最高生長(zhǎng)時(shí)期，另一個(gè)是最大產(chǎn)物合成時(shí)期。類(lèi)型：部

33、分生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型 發(fā)酵過(guò)程可分為兩個(gè)階段： 動(dòng)力學(xué) 可表示為：可表示為： dP/dt = X + X Qp = dP/Xdt = + 為非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物形成常數(shù)為非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物形成常數(shù) 產(chǎn)物形成的速度分別受生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型和非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)常數(shù)產(chǎn)物形成的速度分別受生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型和非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)常數(shù) 和和 的影響。的影響。 檸檬酸和一些氨基酸的生產(chǎn)屬此類(lèi)檸檬酸和一些氨基酸的生產(chǎn)屬此類(lèi)類(lèi)型：非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型 產(chǎn)物為次級(jí)代謝產(chǎn)物；產(chǎn)物為次級(jí)代謝產(chǎn)物； 特征是產(chǎn)物合成與碳源利用無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系；特征是產(chǎn)物合成與碳源利用無(wú)準(zhǔn)量關(guān)系； 通常產(chǎn)物合成在菌體生長(zhǎng)停止及底物耗完后才開(kāi)始通常產(chǎn)物合成在菌體生長(zhǎng)停止及底物耗完后才開(kāi)始 分兩階段：分

34、兩階段：第一階段，菌體生長(zhǎng)占主導(dǎo)，生長(zhǎng)和基質(zhì)消耗間成正比第一階段，菌體生長(zhǎng)占主導(dǎo)，生長(zhǎng)和基質(zhì)消耗間成正比關(guān)系，沒(méi)有或只有少量產(chǎn)物合成；關(guān)系，沒(méi)有或只有少量產(chǎn)物合成；第二階段，以產(chǎn)物合成為主，只有少量生長(zhǎng)（甚至不生第二階段，以產(chǎn)物合成為主，只有少量生長(zhǎng)（甚至不生長(zhǎng)或負(fù)生長(zhǎng)）和少量基質(zhì)消耗。長(zhǎng)或負(fù)生長(zhǎng)）和少量基質(zhì)消耗。 動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué) dP/dt = X Qp = dP/Xdt = 抗生素、維生素等的生產(chǎn)屬此類(lèi)型抗生素、維生素等的生產(chǎn)屬此類(lèi)型 （土霉素、氯霉素、桿菌肽例外（土霉素、氯霉素、桿菌肽例外）產(chǎn)物形成速度只同已有的菌體量有關(guān)，而比生長(zhǎng)速率對(duì)產(chǎn)物合成速率產(chǎn)物形成速度只同已有的菌體量有關(guān)，而比生

35、長(zhǎng)速率對(duì)產(chǎn)物合成速率沒(méi)有直接影響。沒(méi)有直接影響。受菌種的影響：呼吸強(qiáng)度不同、細(xì)胞的組成。受菌種的影響：呼吸強(qiáng)度不同、細(xì)胞的組成。受碳源種類(lèi)的影響受碳源種類(lèi)的影響受產(chǎn)物的影響受產(chǎn)物的影響( (當(dāng)有細(xì)胞外產(chǎn)物如青霉素）當(dāng)有細(xì)胞外產(chǎn)物如青霉素）Darlington,1964,酵母成分表示為酵母成分表示為 C3.92H6.5O1.94從碳?xì)浠衔锖吞妓衔锷山湍傅姆磻?yīng)可用下式表示：從碳?xì)浠衔锖吞妓衔锷山湍傅姆磻?yīng)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+3

36、.42H2O碳源的性質(zhì)決定著發(fā)酵的需氧量碳源的性質(zhì)決定著發(fā)酵的需氧量。第五節(jié) KLa（體積溶氧系數(shù)體積溶氧系數(shù)）的測(cè)定影響因素Qo2為比耗氧速率為比耗氧速率/呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度mol/（kg干細(xì)胞干細(xì)胞.s). (Qo2)M 為最為最大比耗氧速率；大比耗氧速率；X為菌體濃度為菌體濃度(kg干細(xì)胞干細(xì)胞/m3);YG: 單位質(zhì)量單位質(zhì)量的底物生成細(xì)胞的得率的底物生成細(xì)胞的得率.YP:單位質(zhì)量的底物生成產(chǎn)物的得率。單位質(zhì)量的底物生成產(chǎn)物的得率。耗氧速率耗氧速率 r = Qo2X(mol/m3.s)臨界溶氧濃度：臨界溶氧濃度：當(dāng)培養(yǎng)基中不存在其它限制性基質(zhì)時(shí)，不影當(dāng)培養(yǎng)基中不存在其它限制性基質(zhì)時(shí)，不影

37、響好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的濃度。一般為飽和濃響好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的濃度。一般為飽和濃度的度的1-25%1-25%。飽和溶氧濃度飽和溶氧濃度: : 該溫度下的氧的溶解度。該溫度下的氧的溶解度。氧的飽滿(mǎn)度氧的飽滿(mǎn)度：溶解氧的濃度與臨界氧濃度之比。：溶解氧的濃度與臨界氧濃度之比。培養(yǎng)的目的不同，選取不同的供氧條件培養(yǎng)的目的不同，選取不同的供氧條件獲取細(xì)胞本身獲取細(xì)胞本身：保持溶解氧的濃度高于臨界溶氧濃度。從：保持溶解氧的濃度高于臨界溶氧濃度。從而滿(mǎn)足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的細(xì)胞產(chǎn)量。而滿(mǎn)足微生物的最大需氧而得到最高的微生物的細(xì)胞產(chǎn)量。以獲得細(xì)胞代謝產(chǎn)物為目的以獲得細(xì)胞

38、代謝產(chǎn)物為目的，溶氧對(duì)代謝產(chǎn)物影響有不同，溶氧對(duì)代謝產(chǎn)物影響有不同的情況的情況代謝產(chǎn)物的生成的代謝產(chǎn)物的生成的最佳需氧量最佳需氧量與與細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳需氧量相細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳需氧量相同同。 采用采用供養(yǎng)的濃度大于臨界溶氧濃度供養(yǎng)的濃度大于臨界溶氧濃度。代謝產(chǎn)物的生成的代謝產(chǎn)物的生成的最佳需氧量比細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳需氧量高最佳需氧量比細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳需氧量高。盡可能的盡可能的提高供氧濃度提高供氧濃度。脯氨酸、谷氨酸、賴(lài)氨酸、蘇氨酸。脯氨酸、谷氨酸、賴(lài)氨酸、蘇氨酸等。等。代謝產(chǎn)物的生成的代謝產(chǎn)物的生成的最佳需氧量最佳需氧量比比細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳需氧量低細(xì)胞生長(zhǎng)的最佳需氧量低。使氧的滿(mǎn)足度小于使氧的滿(mǎn)足度小于1

39、1，如苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、頭孢，如苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、頭孢霉素的生產(chǎn)。霉素的生產(chǎn)。好氧微生物只能利用溶解態(tài)的氧，發(fā)酵過(guò)程中不斷地通過(guò)通風(fēng)好氧微生物只能利用溶解態(tài)的氧，發(fā)酵過(guò)程中不斷地通過(guò)通風(fēng)和攪拌，使氣態(tài)中的氧經(jīng)過(guò)一系列的傳遞步驟到液相。和攪拌，使氣態(tài)中的氧經(jīng)過(guò)一系列的傳遞步驟到液相。氣氣液相間的氧傳遞液相間的氧傳遞從氣泡中的氣相擴(kuò)散通過(guò)氣膜到氣液界面；從氣泡中的氣相擴(kuò)散通過(guò)氣膜到氣液界面；通過(guò)氣液界面；通過(guò)氣液界面；從氣液界面擴(kuò)散通過(guò)氣泡的液膜到液相主體；從氣液界面擴(kuò)散通過(guò)氣泡的液膜到液相主體；液相溶解氧的傳遞；液相溶解氧的傳遞；從液相主體擴(kuò)散通過(guò)包圍細(xì)胞的液膜到大細(xì)從液相主體擴(kuò)

40、散通過(guò)包圍細(xì)胞的液膜到大細(xì)胞表面；胞表面；氧通過(guò)細(xì)胞壁；氧通過(guò)細(xì)胞壁；微生物細(xì)胞內(nèi)氧的傳遞；微生物細(xì)胞內(nèi)氧的傳遞；通常通常和和步傳遞阻力最大，是整個(gè)過(guò)程的控制步驟步傳遞阻力最大，是整個(gè)過(guò)程的控制步驟描述氧傳遞的模型有三種：雙膜理論、滲透擴(kuò)散理描述氧傳遞的模型有三種：雙膜理論、滲透擴(kuò)散理論和表面更新理論。其中以雙膜理論應(yīng)用最廣泛。論和表面更新理論。其中以雙膜理論應(yīng)用最廣泛。1 1 雙膜理論基本論點(diǎn)是：雙膜理論基本論點(diǎn)是：（1 1）在氣液兩個(gè)流體相間存在著界面，在界面兩旁）在氣液兩個(gè)流體相間存在著界面，在界面兩旁具有兩層穩(wěn)定的薄膜，即氣膜與液膜。這兩層穩(wěn)定具有兩層穩(wěn)定的薄膜，即氣膜與液膜。這兩層穩(wěn)

41、定的薄膜在任何流動(dòng)體力學(xué)條件下，均呈滯流狀態(tài)。的薄膜在任何流動(dòng)體力學(xué)條件下，均呈滯流狀態(tài)。（2 2）在氣液界面上，兩相的濃度總是相互平衡（空）在氣液界面上，兩相的濃度總是相互平衡（空氣中氧的濃度與溶解在液體中的氧濃度處于平衡狀氣中氧的濃度與溶解在液體中的氧濃度處于平衡狀態(tài)），即界面上不存在氧傳遞的阻力。態(tài)），即界面上不存在氧傳遞的阻力。（3 3）在兩膜以外的氣液兩相的主流中，由于流體充）在兩膜以外的氣液兩相的主流中，由于流體充分流動(dòng)，氧的濃度基本上是均勻的，也就是無(wú)任何分流動(dòng)，氧的濃度基本上是均勻的，也就是無(wú)任何傳質(zhì)阻力，因此，氧由于氣相主體到液相主體所遇傳質(zhì)阻力，因此，氧由于氣相主體到液相主

42、體所遇阻力僅存在于兩層滯流膜中。阻力僅存在于兩層滯流膜中。氣體溶解過(guò)程：雙膜理論氣體溶解過(guò)程：雙膜理論氣氣液界面液界面氣膜動(dòng)力：氣膜動(dòng)力：P-Pi液膜動(dòng)力：液膜動(dòng)力：Ci-CL阻力：阻力：1/kG阻力：阻力：1/kL氣體擴(kuò)散方向氣體擴(kuò)散方向氣氣膜膜液液膜膜CiCL空氣空氣泡泡PO2PPi發(fā)發(fā)酵酵液液*AGLLNKppKcc NA：氧傳遞速率；：氧傳遞速率；p，pi氣相中和氣液界面處氧的分壓；氣相中和氣液界面處氧的分壓；CL，Ci：液相中和氣液界面處氧的濃度；液相中和氣液界面處氧的濃度；kG：氣膜傳質(zhì)系數(shù)；：氣膜傳質(zhì)系數(shù)；kL：液膜傳質(zhì)：液膜傳質(zhì)系數(shù)；系數(shù)；KG：以氧分壓差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；

43、：以氧分壓差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；KL：以氧濃度差為推動(dòng)：以氧濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；力的總傳質(zhì)系數(shù)；p*：與液相中氧濃度：與液相中氧濃度c相平衡時(shí)的氧分壓；相平衡時(shí)的氧分壓； C*：與氣相中氧分壓與氣相中氧分壓p達(dá)平衡的氧的溶解度；達(dá)平衡的氧的溶解度；上式使用不便，改用總傳質(zhì)系數(shù)、總推動(dòng)力表示：上式使用不便，改用總傳質(zhì)系數(shù)、總推動(dòng)力表示：內(nèi)界面面積：內(nèi)界面面積：a；單位：；單位：m2/m31LLGLdCNK a ccK a p pK ap pdtHKa：體積溶氧系數(shù)，溶氧速率方程為：體積溶氧系數(shù)，溶氧速率方程為：N：氧的傳遞速率：氧的傳遞速率kmol/（m3h）； KLa：以濃度差為動(dòng)力

44、的體積溶氧系數(shù)（：以濃度差為動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)（h-1）；）； KGa：以分壓差為動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)：以分壓差為動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)kmol/（m3hM pa）；cL：發(fā)酵液中氧濃度（：發(fā)酵液中氧濃度（kmol/m3）；）； c*：與氣相中氧分壓：與氣相中氧分壓p平衡的發(fā)酵液氧濃度（平衡的發(fā)酵液氧濃度（kmol/m3）；）； p：氣相中氧分壓（：氣相中氧分壓（M Pa）；）； p*：與液相中氧濃度：與液相中氧濃度c平衡的氧分壓（平衡的氧分壓（M Pa）；）； H：亨利常數(shù)（：亨利常數(shù)（m3M Pa/kmol）四、四、 kLa的測(cè)定方法的測(cè)定方法亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法 取樣極譜法取樣極譜法物

45、料衡算法物料衡算法排氣法排氣法復(fù)膜電極法復(fù)膜電極法三、溶氧的測(cè)定方法三、溶氧的測(cè)定方法化學(xué)法化學(xué)法極譜法極譜法復(fù)膜氧電極法復(fù)膜氧電極法壓力法壓力法1 亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法（1） 原理原理 利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時(shí)被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(lái)估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效果。氧迅速氧化的特性來(lái)估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效果。 當(dāng)亞硫酸鹽濃度為當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.0180.47mol/L，溫度，溫度2045之間時(shí)，與氧反應(yīng)的速度幾乎不變，用之間時(shí)，與氧反應(yīng)的速度幾乎不變，用碘量法測(cè)定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫碘量法測(cè)定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化

46、量來(lái)求得氧的溶解量。酸鈉的氧化量來(lái)求得氧的溶解量。22232422uCSOOSOIOSIOS22642232ISOISO224223操作操作反應(yīng)原理：反應(yīng)原理：剩余的亞硫酸根與過(guò)量的碘反應(yīng)：剩余的亞硫酸根與過(guò)量的碘反應(yīng)：再用再用Na2S2O3滴定剩余的碘：滴定剩余的碘： 將一定溫度（將一定溫度（2045）的自來(lái)水加入實(shí)驗(yàn)罐，加入化）的自來(lái)水加入實(shí)驗(yàn)罐，加入化學(xué)純的學(xué)純的Na2SO3晶體，使亞硫酸根約為晶體，使亞硫酸根約為1M，再加化學(xué)純的，再加化學(xué)純的CuSO4晶體，使晶體，使Cu2+濃度約為濃度約為10-9 M，待完全溶解后，開(kāi)，待完全溶解后，開(kāi)閥通氣，空氣閥一開(kāi)就接近預(yù)定流量。當(dāng)氣泡從噴管

47、中冒閥通氣，空氣閥一開(kāi)就接近預(yù)定流量。當(dāng)氣泡從噴管中冒出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí)出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí),氧化時(shí)間控制在氧化時(shí)間控制在520min。（2）計(jì)算方法）計(jì)算方法:23224OOSNa41000CnNStP223:nNa S O為兩次滴定所耗之差mL；即可得到溶氧系數(shù)。值代入將所得的CCKNNL*N：體積溶氧系數(shù)：體積溶氧系數(shù)S：取樣量：取樣量C：硫代硫酸鈉濃度：硫代硫酸鈉濃度mol/Lt：兩次取樣的時(shí)間間隔：兩次取樣的時(shí)間間隔P：發(fā)酵罐的罐壓：發(fā)酵罐的罐壓實(shí)驗(yàn)前后各用移液管取實(shí)驗(yàn)前后各用移液管取10100mL樣液，立即移入新吸樣液，立即移入新吸取的過(guò)量標(biāo)準(zhǔn)碘液中，以淀粉為指示劑，用取的過(guò)量標(biāo)準(zhǔn)碘

48、液中，以淀粉為指示劑，用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn)液滴定至終點(diǎn)2 取樣極譜法取樣極譜法 原理：當(dāng)電壓為原理：當(dāng)電壓為0.61.0V時(shí)，其擴(kuò)散電流的大時(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。小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。操作：將從發(fā)酵罐中取操作：將從發(fā)酵罐中取出的樣品置入極譜儀的出的樣品置入極譜儀的電池中，并記下隨時(shí)間電池中，并記下隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中的氧而下降的發(fā)酵液中的氧濃度濃度CL的數(shù)值的數(shù)值KLa=Qo2X/ C*-CL =斜率斜率/ C*-CL 驅(qū)出溶解氧，開(kāi)始通氣后，驅(qū)出溶解氧，開(kāi)始通氣后，在被測(cè)定的發(fā)酵罐中用氮?dú)庠诒粶y(cè)定的發(fā)酵罐中用氮?dú)舛〞r(shí)取樣，用極譜儀測(cè)

49、出溶定時(shí)取樣，用極譜儀測(cè)出溶氧濃度氧濃度dc/dt=KLa (C*-CL)Ln(C*-CL)=-KLa t+常數(shù)常數(shù)KLa2.303斜率斜率3 排氣法排氣法C*4 復(fù)膜電極測(cè)定復(fù)膜電極測(cè)定 和和 氧分析儀測(cè)定氧分析儀測(cè)定 原理：原理：用能透過(guò)氧分子的薄膜將電極系統(tǒng)與用能透過(guò)氧分子的薄膜將電極系統(tǒng)與被測(cè)定溶液分離開(kāi)來(lái)，避免外界溶液的性質(zhì)及通被測(cè)定溶液分離開(kāi)來(lái)，避免外界溶液的性質(zhì)及通風(fēng)攪拌所引起的湍動(dòng)對(duì)測(cè)定的影響。風(fēng)攪拌所引起的湍動(dòng)對(duì)測(cè)定的影響。2*tdc()()dtLLOK a ccQc XLK a測(cè)定發(fā)酵液中溶解氧濃度、菌的好氧率測(cè)定發(fā)酵液中溶解氧濃度、菌的好氧率r及溶氧系數(shù)及溶氧系數(shù)該式可寫(xiě)

50、成該式可寫(xiě)成:2*1()()LOLdccQc XcK adt 2121122()OLccrQc Xtdcccdtt5 溶氧系數(shù)的換算溶氧系數(shù)的換算:aKL:aKGMPahmKmol31h以氧濃度差作為動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)；以氧濃度差作為動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)；以氧分壓差作為動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)；以氧分壓差作為動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)；:dK:VK以大氣壓作為動(dòng)力來(lái)討論的傳質(zhì)系數(shù)；以大氣壓作為動(dòng)力來(lái)討論的傳質(zhì)系數(shù)；MPamlmolmin以壓力差作為動(dòng)力的溶氧系數(shù)；體積吸收系數(shù)以壓力差作為動(dòng)力的溶氧系數(shù)；體積吸收系數(shù)MPahmKmol3（1） KV與與Kd的換算的換算:MPamlmolOKKKVVdmin10667. 1601

51、0102563（2）KLa與與KGa的換算的換算:*PPKCCKNGL2*105. 02 . 0021. 0mmolOLMPaCCPPKKGL251005.1molOmlMPa在標(biāo)準(zhǔn)狀況（在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0.101M Pa，25）下飽和溶氧濃度為：）下飽和溶氧濃度為：0.2 mmol O.2 /L，氧分壓為，氧分壓為0.021M Pa 。（3）kd與與 KLa、KGa換算：換算：aKKGd021. 0MPamlmolOKKGdmin1060021. 02351005. 1aKaKLGKL：Kd是以大氣壓為動(dòng)力的溶氧系數(shù)。根據(jù)氣體分壓定律，是以大氣壓為動(dòng)力的溶氧系數(shù)。根據(jù)氣體分壓定律，其中對(duì)溶氧有貢

52、獻(xiàn)的僅是氧分壓部分，即其中對(duì)溶氧有貢獻(xiàn)的僅是氧分壓部分，即KLa：再根據(jù)其單位進(jìn)行換算：再根據(jù)其單位進(jìn)行換算：若直接以氧分壓為推動(dòng)力，在計(jì)算時(shí)就不要若直接以氧分壓為推動(dòng)力，在計(jì)算時(shí)就不要0.021 。MPamlmolOaKKLdmin1005. 160021. 028第第 六六 節(jié)節(jié) 動(dòng)動(dòng) 力力 學(xué)學(xué) 參參 數(shù)數(shù) 的的 確確 定定 動(dòng)力學(xué)參數(shù)即動(dòng)力學(xué)參數(shù)即動(dòng)力學(xué)方程中代表發(fā)酵過(guò)程特性值的常動(dòng)力學(xué)方程中代表發(fā)酵過(guò)程特性值的常數(shù)項(xiàng)數(shù)項(xiàng)； 確定這些參數(shù)，靠的是確定這些參數(shù)，靠的是嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 應(yīng)準(zhǔn)確、可靠、具有重現(xiàn)性應(yīng)準(zhǔn)確、可靠、具有重現(xiàn)性 目前由于發(fā)酵檢測(cè)手段的缺乏和檢測(cè)精度的不足，影響了數(shù)目前由于發(fā)酵檢測(cè)手段的缺乏和檢測(cè)精度的不足，影響了數(shù)學(xué)模型的精確度，限制了其在生產(chǎn)上的應(yīng)用；學(xué)模型的精確度，限制了其在生產(chǎn)上的應(yīng)用； 確定動(dòng)力學(xué)參數(shù)的具體方法，是確定動(dòng)力學(xué)參數(shù)的具體方法，是使動(dòng)力學(xué)方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合；直線(xiàn)擬合相對(duì)簡(jiǎn)單，下面舉例說(shuō)明其應(yīng)用直線(xiàn)擬合相對(duì)簡(jiǎn)單，下面舉例說(shuō)明其應(yīng)用通常有通常有直線(xiàn)擬合和和曲線(xiàn)擬合兩種兩種；最大比生長(zhǎng)速率max和常數(shù)Ks的確定SKsSmax Monod方程兩邊取倒數(shù)，得：兩邊取倒數(shù)，得：maxmax111SKs 在在1/1/ 對(duì)對(duì)1/S1/S坐標(biāo)上