氧的供需及对发酵的影响

1、1、 是引起发酵过程的原因。2、Q发酵=_+_-_-_-_ 3、根据微生物最适生长温度及耐受温度范围的不同，可将其分成 _、 _ 、_、 _ 。大多数微生物属于 。 4、温度对发酵有哪些影响？如何选择最适温度？控制温度的方法？1影响发酵液pH值变化的因素？pH对发酵的影响 ？pH的控制方法？2第八章（4）氧的供需及对发酵的影响3大多数工业发酵属于好氧发酵提供氧的方法：实验室阶段摇床的转动中试及生产规模通入无菌空气搅拌4氧的供需及对发酵的影响 溶氧(DO，dissolved oxyen)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1

2、00的空气饱和浓度只有7mg.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。 5在培养液中氧的溶解度比水中还小.因为氧的溶解度随着温度的升高和培养液固形物的增多或粘度的增大而下降。氧在水中的溶解度因此，必须向发酵液中补充足够的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。6一、微生物对氧的需求 1、描述微生物需氧/溶氧浓度的物理量 2、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 3、影响耗氧的因素 4、发酵过程的溶氧变化二、 反应器中氧的传递 1、发酵液中氧的传递方程 2、

3、发酵液中氧的平衡 3、供氧的调节三、 溶氧浓度的控制7氧的供需及对发酵的影响 熟悉微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 理解氧的传递方程的意义 掌握发酵过程中溶氧浓度的调控策略8氧的供需及对发酵的影响一、微生物对氧的需求好氧微生物缺氧不行兼性厌氧微生物有氧无氧均可生长厌氧微生物氧有害91、描述微生物需氧的物理量比耗氧速率或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位质量干菌体所吸取的氧气，mmol O2g菌-1h-1 摄氧率(r)：单位体积的发酵液单位时间内的耗氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动的影响10由于遗传特性不同及各种因素对溶解氧的影响，各种

4、微生物对氧的摄取量也不相同。随着生活环境的变化，呼吸强度也在变化，因而其摄氧量也不同。11表示溶氧浓度的单位氧分压或张力（dissolved oxygen tension，简称DOT），以大气压或毫米汞柱表示多在医疗单位使用根据Henry 定律可得，P=(Po2+P H2O )0.209，其中，P 为总压；Po2 为氧分压(mmHg)；P H2O 为水蒸气分压；0.209 为空气中氧的含量。12绝对浓度：以mg O2/L纯水或ppm表示主要用在环保单位根据Henry 定律可知氧浓度与其分压成正比，“在一定温度下，某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比。”即：C=Po2 a其中C

5、为氧浓度(mg/L)；Po2 为氧分压(mmHg)； a 为溶解度系数(mg/mmHgL)。 溶解度系数a 不仅与温度有关，还与溶液的成分有关。对于温度恒定的水溶液，a 为常数，则可测量氧的浓度（Winkler氏化学法）。13空气饱和度百分数（%空气饱和度）： 142、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 氧的供需及对发酵的影响CC: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。对产物而言，是不影响产物合成所允许的最低浓度Dissolved Oxygen ConcentrationCritical Value of Oxygen Content 15呼吸临界溶氧浓度测法：将供氧充分的微生

6、物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况。首先是加强搅拌，使溶氧上升到最高值，然后中止通气，继续搅拌，在罐顶空间充氮。溶氧浓度这时呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度值即为该微生物的临界溶氧浓度。16氧的供需及对发酵的影响不同微生物菌体最适的生长条件不同，需氧量不同， Cc常常不 一样。 当各种微生物临界氧以空气氧饱和度表示时：细菌和酵母为310，放线菌为530，霉菌为1015。17注意：同种微生物在进行不同生理活动 ，Cc常常也不相同。 头 孢菌素 卷 须 霉 素生长（呼吸Cc ） 5% 13%产物 （抗生素合成Cc ） 13% 8%氧

7、的供需及对发酵的影响呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同通过在各批发酵中维持溶氧在某一浓度范围，考查不同浓度对生产的影响，便可知道合适的临界氧值。18问题:生物合成临界氧浓度等于其最适氧浓度 ?生物合成临界氧浓度是指溶解氧不低于其临界氧值；而生物合成最适氧浓度是指生物合成有一最适溶氧范围，即除了有一低限外，还有一高限。19生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌的生长生理状况；溶氧变化随菌种的活力和接种量以及培养基的不同而异。溶氧在培养初期开始明显下降的时间不同，一般在接种后15h内， 这也取决于供氧情况。通常，在对数生长期溶氧明显下降，从其下降的速率可估计菌的大致生长情况。20在培养过

8、程中并不是维持溶氧越高越好，即使是专性好气菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基和过氧化物基或羟基自由基，破坏许多细胞组分。21 工业发酵中产率是否受氧的限制，单凭通气量的大小是难以确定的。因溶氧的高低不仅取决于供氧、通气搅拌等，还取决于耗氧状况。22氧的供需及对发酵的影响3、影响耗氧的因素 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(温度、pH) 代谢类型（产物通过三羧酸循环获取，则呼吸强度高；通过糖酵解获取，则呼吸强度低。23发酵初期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显

9、下降。4.发酵过程的溶氧变化 发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升， 一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。 发酵中后期：溶氧浓度明显地受 工艺控制手段的影响，如补料的 数量、时机和方式等。24氧的供需及对发酵的影响二、反应器中氧的传递1、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气 膜 液 膜气-液界面a:比界面面积。单位体积的液体中所具有的氧的传递面积 (m2/m3)C*：与气相中氧分压相平衡的液 体中氧的浓度，也就是一定体系下液相 中的最大的溶氧浓度。（ mol/m3）C:液相中氧的实际浓度, （ mol/m3）Nv：单位时间内发酵液溶氧浓度的变化mmol/(L.h)Kl : 以(C

10、*-C)为推动力的氧传质系数 m/h气相主流液相主流252、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和耗氧处于一个动态的平衡中传 递：消 耗：r= QO2 .X氧的供需及对发酵的影响263、供 氧 的 调节提高传氧效率:通过Kla 和(C*-C)来调节氧的供需及对发酵的影响_27 改变搅拌器直径或转速，改变挡板的数目和位置 提高N可以有效的提高kLa，从而增加发酵液中的溶氧浓度。 (形成小气泡,增加气液接触面积;使液体形成涡流,增加气泡在液体中的停留时间.) 不足之处： 能耗较高，生产成本高 对于某些微生物，高转速产生的高剪切力，不利于菌体的生长 提高设备的供氧能力，即氧的体积传质系数KL a ：28

11、改变空气流速 通气量较小时增加空气流量溶氧提高效果显著，当通风量增加到一定的量后，单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下降，不但不能提高kLa，甚至会造成kLa值的下降。 此外，增加空气流量使搅拌浆过载，达不到良好的混合效果；发酵液水分蒸发加大，增加了发酵液的粘度；挥发性中间产物有一定量的损失；逃液增加染菌机会。29 总之：提高KLa最有效的方法是提高搅拌转数与空气流速，并协调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受限制较多。30 在通气中掺入纯氧或富氧，使氧分压提高，一般只在小试中应用；缺点： 价格较高, 易引起爆炸增加c*办法:提高（c* - c)，即氧传递动力31 提高罐压 缺点： 有害气体（

12、CO2）浓度也在增加 微生物的生长也会对罐压提出要求32此外， 空气分部管的形式、喷口直径及管口与罐底的相对位置 对氧的溶解速率有较大的影响。 发酵罐内的液柱高度和发酵罐体积也是影响溶氧的因素。 发酵液的物理性质，尤其是黏度与溶氧也有关系。33例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影 响 装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92氧的供需及对发酵的影响34（1）有些操作故障或事故引起的发酵异常现象也能从溶氧的变化中得到反映（如搅拌发生故障，未及时开启）（2）中间补料是否得当可以从溶氧的变化看出 赤霉素发酵“发酸”现象 补料时机不当，长时间低DO，产生乙醇，并与代谢中的有机酸反应，形成一种带有酒香味的酯类，视为发酸。（3）污染杂菌 溶氧会迅速（一般25h内）跌到零，并长时间不回升。有时会出现染菌后溶氧反而升高的现象。（4）作为代谢方向的控制指标溶氧作为发酵异常的指示天冬氨酸发酵：