第五章 第三节溶氧的控制

第五章发酵工艺过程控制

第四节氧对发酵的影响微生物的需氧大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：

C6H12O6

十6O2＝6H2O十6CO2

只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为0.25mmol/L)

。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。一、供氧与微生物呼吸代谢的关系微生物对氧的需求1.描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g-1菌·h-1

摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。OUR=r=QO2.X2.溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CrQO2CLCr:

临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。■某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌300.018大肠杆菌370.008酵母300.004产黄青霉240.022由此可知：只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值：则菌体代谢受到干扰。一般对于微生物：Cr＝1～25%饱和溶氧浓度例：酵母培养液Cr＝4.6×10-3mmol.L-1,1.8%产黄青霉培养液Cr＝2.2×10-2mmol.L-1,8.8%定义：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问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足例：以微生物的摄氧率0.052mmol/（L·S）计，0.25/0.052=4.8秒（实际在发酵液中只有0.22mmol/L）注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：

头孢菌素卷须霉素生长5%(相对于饱和浓度）13%产物>13%>8%二、溶解氧对发酵的影响1.影响发酵液耗氧的因素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菌种：不同菌种呼吸强度不同

基质种类对微生物需氧的影响Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94来表述100克酵母菌体(干重)的组分，并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式：

根据Darlington方程式，可知同样产生100g菌体，用碳氢化合物所需的氧约为用碳水化合物生产时的3倍。

（1）.培养基的成分和浓度：培养液丰富，菌体生长快，耗氧量大。发酵液浓度高耗氧量大。Mateles(1971)推导得一种碳源与需氧间关系的方程式：假定代谢产物仅为：菌体、CO2、H2O；以及菌体的正常组分：C为53％、N为12％、O为19%、H为7％，则

Mateles利用此关系式对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算基质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单孢菌C1.2辛烷假单孢菌1.7生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求上述方程式与生物物质的形成有关，并假定微生物除产生水、二氧化碳外，无其它产物形成。因此，这些方程仅能适用于菌体生产过程中预测氧的要求，而对菌体能形成其它产物的过程则需要加以修正。假单孢菌性质：

革兰氏染色阴性。呈直杆、卵圆到短杆状，少数能形成长杆状，大小一般为(0.5～1)μm×(1.5×4)μm；以极生鞭毛运动，鞭毛为单毛到丛毛；不产生鞘或突起物，无芽孢；在肉汁蛋白胨培养基上菌落大多呈圆形、凸状、全缘、半透明、闪光；生长24h内直径约为1～3mm；异养菌，不发酵葡萄糖和烷基胺、不氧化乙醇为乙酸；能利用多种有机化合物，作为惟一的或主要的碳源而生长；能液化明胶，分解蛋白质，少数需要氨基氮，大多数可利用无机氮；除了能利用反硝化作用为厌氧呼吸的一些种外，都是严格好氧；无光合作用、接触酶阳性、氧化酶阳性；大多数种能产生水溶性色素；生长温度为4～43℃；DNA的G+C含量为58％～70％(摩尔)。这属菌可在土壤、动植物表体、海水及淡水中找到。呼吸代谢，永不发酵。不固定氮素。能利用一碳化合物以外的碳化合物作为惟一的碳源。严格好氧，一些能利用反硝化作用作为厌氧呼吸的种除外。他们的活性在有机物质矿化方面具有重要的意义。

例如Cooney(1979)建议用下列方程式计算青霉素发酵：

但是，由于菌体的代谢是受发酵液中的溶氧浓度的影响，故简单地依据总需求来供氧是欠妥的。溶氧浓度对比摄氧率(QO2每克干菌体每小时所消耗的氧的毫摩尔数)用米氏型曲线表示。

临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。DissolvedOxygenConcentrationQO2Ccritical因此，考察发酵过程影响耗氧的因素需从C临出发

（2）菌龄：生长旺盛期呼吸强度大，耗氧量大。

（3）发酵条件：在最适条件下，耗氧量大。2.溶氧对发酵的影响发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不仅只包括菌体本身的发酵。由于，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的；还由于，当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的形成；所以，某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。

2.溶氧对发酵的影响例1：薛氏丙酸菌发酵生产维生素B12B因子-咕啉醇酰胺生物合成前期受到氧的阻遏，限制氧的供给才能大量积累。B因子转化为B12时又需供氧。因此，采用厌氧和供氧相结合的方法，有利于B12的合成。B12溶氧对发酵的影响例2：天冬酰胺酶的发酵前期好气培养，后期转为厌气培养。时机：当溶氧浓度降到45%时，从好气转为厌气，酶活力可提高6倍。例3：金霉素发酵在生长期中短时间停止通风，影响糖代谢，有HMP途径转向EMP途径，使金霉素合成产量减少。金霉素C6上的氧直接来源于溶解氧。根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：a.

供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；

如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等.其中谷氨酸供氧不足,产生大量的乳酸和琥珀酸.b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；

如：赖氨酸，异亮氨酸，苏氨酸等c.

若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物的形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等氧浓度对产物影响

氧满足度=——————

最大呼吸速率氨基酸的相对产量与氧的满足程度之间的相关性

菌体呼吸速率实例：初级代谢------溶氧对氨基酸合成影响Feren和Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明，头孢菌素产生菌的临界氧浓度在0~7％的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为10-20％；而对卷曲霉素则为8％。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。

■实例（次级代谢）发酵过程中比耗氧速率（QO2）的变化对数生长初期：比耗氧速率达到最大值，但此时细胞浓度低，摄氧率并不高。随着细胞浓度的迅速增高：摄氧率增高，在对数生长后期达到峰值。对数生长阶段结束：比耗氧速率下降，摄氧率下降。基质耗尽：细胞自溶，摄氧率使迅速下降。QO2：mmolO2/（g菌·h）摄氧率(r)：mmolO2/（L·h）。OUR=r=QO2.X以上是需氧情况，由此得出溶氧情况：典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定KLa下）：r=X·QO2XQCL三、发酵过程中溶解氧的变化单从菌体生长考虑发酵前期：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，溶氧明显下降

过了生长阶段：需氧量有所减少，溶氧浓度随之上升，开始形成产物，溶氧浓度也不断上升。低峰出现的时间及低峰溶氧浓度随菌种、工艺和设备供氧能力不同而异。发酵中后期：对于分批发酵，溶氧浓度变化比较小。菌体已进入静止期，呼吸强度变化不大。外界补料:溶氧的变化随补料时的菌龄、补入物质的种类和剂量不同而不同。如补糖，则摄氧率增加，溶氧浓度下降。经过一段时间后又逐步回升；如继续补糖，甚至降至c临界以下，而成为生产的限制因素。

每种产物发酵的溶氧浓度变化

都有自己的规律红霉素谷氨酸发酵过程中溶氧变化异常原因引起溶氧异常下降的原因：（1）污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗，反之下降。（2）菌体代谢发生异常，需氧要求增加（3）如搅拌功率变小,搅拌速度变慢或停止（4）消泡剂加入过多、闷罐等。污染烈性噬菌体：影响最为明显，生产菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧直线上升。溶氧监测的作用（1）了解微生物生长代谢是否异常（2）工艺控制是否合理（3）设备供氧能力是否充足。（4）是否染菌四、溶解氧浓度的控制溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。供氧控制：设法提高氧传递的推动力和液相体积溶氧传递系数Kla值。OTR=KLa

（c﹡-C）（一）供氧的控制1.改变通气速率（增大通气量）氧传递系数kLa是随空气量(空气的线速率)的