发酵液溶解氧浓度控制及溶氧系数的测定

1、生物制药工艺技术课程教学方案教师：苏艳 授课专业生物技术及应用、生物制药技术上课地点 授课时间第 周学习内容项目6、发酵过程控制（2） 发酵液溶解氧浓度控制及溶氧系数的测定课时教学目标知识目标v 了解溶氧控制方法v 理解溶氧系数技能目标v 能控制溶氧。素质目标v 培养学生理论联系实际动手操作能力、自主性、创造性、严谨的科学态度；v 吃苦耐劳、团队协作精神，良好的职业素养。教学重点难点重点：理解溶氧和溶氧系数难点：溶氧系数对发酵的影响。目标群体学生在前面学习了“发酵罐及附属设备的结构”，具备了应用微生物技术的基础知识。教学环境教室教学方法理论讲授 时间安排教学过程设计课型 理论课：多媒体辅助讲授

2、组织教学 5分钟演讲，1分钟安全教育实施新课讲授：项目6 发酵过程的控制 第四节溶氧系数的测定第一节 溶氧浓度对发酵的影响一、 供氧与微生物的关系 发酵液中溶解氧的多少，一般以溶氧系数 值表示。 各种微生物的氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）不同，在不同条件下，其呼吸程度是不同的。微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。 u 呼吸强度：指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2表示，单位为mmol/(g.h)。 u 呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但当培养液中有固定成分存在时，测定就有困难，这时可用耗氧速率来表示。 u 耗氧速率：指单位

3、体积培养液在单位时间内的吸氧量，以r表示，单位为mmol/(L.h)。 u 耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。式中： 为微生物耗氧速率，mmol/(L.h)； QO2为呼吸强度，单位为mmol/(g.h)； 为菌体的质量浓度，g/L。 发酵的不同阶段对氧的要求不同： 举例： 一般菌体生长繁殖期比谷氨酸生成期对溶氧要求低，长菌阶段供氧为菌体需氧量的“亚适量”，要求溶氧系数K d为4.0×l0-6 5.9×l0-6mol/(ml.min.mPa)，形成谷氨酸阶段要求溶氧系数K d为1.5×l0-51.8×l0-5 mol/(ml.min.mPa)。 溶氧是需

4、氧发酵控制最重要的参数之一。 由于氧在水、发酵液的溶解度都很小，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。 溶氧对菌体生长和产物形成都会产生不同的影响。 例1：谷氨酸发酵 供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。 例2：金霉素发酵 对抗生素发酵来说，氧的供给更为重要。 金霉素发酵，在生长期中短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由途径转向途径，使金霉素合成的产量减少。 金霉素上的氧还直接来源于溶解氧，所以，溶氧对菌体代谢和产物合成都有影响。二、 微生物的临界氧浓度 微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要

5、求，这一溶氧浓度叫做临界氧浓度，以临界 表示。 好气性微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05mmol/L。 不同种类的微生物的需氧量不同 一般为/（.）。 同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件的不同而异。 a、菌体生长和形成产物时的耗氧量往往不同； b、 一般幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培养阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低； c 、晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，由于菌体浓度高，耗氧量大。举例： 青霉素产生菌培养80的耗氧速率为40mmol/（.） 链霉素产生菌培养12的耗氧速率为5mmol/(L.h)； 谷氨酸生产菌在种子培养7的耗氧速率为13 mmol/(L.h)

6、，发酵的耗氧速率为50 mmol/(L.h) ，发酵的耗氧速率为51mmol/(L.h) 。 为避免发酵处于限氧条件下，需考查临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。 最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这由实验来确定。 举例： 青霉素发酵的临界氧浓度在mmol/L之间，低于此值就会对青霉素合成带来损失，时间愈长，损失愈大。 举例： 氨基酸发酵需氧量与氨基酸的合成途径密切相关。 根据发酵需氧要求不同可分为三类： 第一类 谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如供氧不足，合成就会受到强烈抑制，大量积累乳酸和琥珀酸； 第二类

7、 异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限产量受影响并不明显； 第三类 亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。p 氨基酸生物合成途径的不同引起需氧不同，因为不同代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，则进行氧化所需溶氧量也就不同。 三、 发酵过程溶解氧的变化 正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律。举例： 红霉素发酵前期，菌大量繁殖，需氧量不断增大，溶氧浓度下降，出现一个低峰。这都说明产生菌正处在对数生长期。 过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段

8、时间的平稳阶段（如谷氨酸发酵）或随之上升（如抗生素发酵）后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。 发酵中后期，对于分批发酵来说，溶氧变化比较小。 在生产后期，由于菌体衰老，呼吸强度减弱，溶氧也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧更会明显上升。引起溶氧异常下降的原因： 污染好气性杂菌。 菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降。 设备或工艺控制发生故障或变化， 例如：a 搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢； b 消泡剂因自动加油器失灵或人为加入量太多； c 停止搅拌、闷罐（罐排气封闭）等。 引起溶氧异常升高的原因 在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变，如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升

9、。 特别是污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。四、 溶解氧控制的意义 微生物只能利用溶解状态下的氧（气液界面处的微生物也能直接利用气相中的氧）。 氧是很难溶解的气体，在、下，在发酵液中的溶解氧为./，在这种溶氧浓度下菌的正常呼吸只能维持。 由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低，故必须采取强化供氧。 在发酵工业中，随着高产菌株的筛得，高浓度发酵、丰富培养基的采用对通气和搅拌的要求更高。 在丰富培养基内，发酵旺盛期间，即使培养液完全被空气饱和，它所贮存的氧也是很少的，只能维持菌正常呼吸，之后菌的呼吸就受到抑制。 这种随时都有窒息可能的状态，是由于微生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液中氧的溶解度比在水中更小。这就决定了大多数的好气性发酵需要有适当的通气条件才能维持一定的生产水平。 事实上，发酵液中氧的浓度并不需要达到饱和浓度，只要维持在氧的临界浓度以上即可。 通常搅拌可增加通气效果，且通气本身也具有搅拌作用，因此，发酵上常把通气和搅拌看作一个作业。 目前，在发酵工业上氧的利用率是很低的。 在抗生素发酵方面