发酵工艺控制 溶解氧控制

7.发酵工艺的控制7.3.3溶氧的影响及其控制一、溶解氧对发酵的影响溶解氧(DO)对发酵的影响分为两方面：1、溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，从而影响

微生物生长；2、氧直接参与产物合成。专性厌氧微生物兼性好氧微生物专性好氧微生物把氧作为最终电子受体，通过有氧呼吸获取能量，如霉菌；进行此类微生物发酵时一般应尽可能的提高DO，以促进微生物生长，增大菌体量。氧则可对其显示毒性，如产甲烷杆菌，此时能否限制Do在一个较低值往往成为发酵成败的关键。生长不一定需要氧，但如果在培养中供给氧，则菌体生长更好，如酵母菌；典型如乙醇发酵，对Do的控制分两个阶段，初始提供高Do值进行茵体扩大培养，后期严格控制Do进行厌氧发酵。1、溶氧对微生物自身生长的影响一、溶解氧对发酵的影响2、溶氧对发酵产物的影响对于好氧发酵来说，DO通常既是营养因素，又是环境因素。特别是对于具有一定氧化还原性质的代谢产物的生产来说，Do的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。谷氨酸发酵中，高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氰酶(GDH)的酶活下降很快，这可能是由于在高溶氧条件下，剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。一、溶解氧对发酵的影响2、溶氧对发酵产物的影响DO值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发酵环境甚至使目标产物发生偏离。

研究表明，L-异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中的代谢流分布，从而改变Ile等氨基酸合成的代谢流量。一、溶解氧对发酵的影响在需氧微生物发酵过程中影响微生物需氧量的因素很多，除了和菌体本身的遗转特性有关外，培养基、菌龄及细胞浓度、培养液中DO浓度的影响、培养条件、有毒产物的形成及积累、挥发性中间产物的损失等与微生物需氧量也有关系。二、影响微生物需氧量的因素1.培养基2.菌龄及细胞浓度3.培养液中溶解氧浓度的影响4.培养条件5.有毒产物的形成及积累培养基的成分和浓度对产生菌的需氧量的影响是显著的。一般来说，碳源在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。6.挥发性中间产物的损失不同的生产菌种，其需氧量各异。同一菌种的不同生长阶段，其需氧量也不同。—般说，菌体处于对数生长阶段的呼吸强度较高，生长阶段的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。在发酵过程中，培养液中的DO浓度(CL)高于菌体生长的临界氧浓度(C长临)时，菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰；如果培养液中的CL低于C长临时，菌体的多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制菌体生长和产物合成的现象。若干实验表明，微生物呼吸强度的临界值除受到培养基组成的影响外，还与培养液的pH、温度等培养条件相关。一般说，温度愈高，营养成分愈丰富，其呼吸强度的临界值也相应增高。在发酵过程中，有时会产生一些对菌体生长有毒性的如CO2等代谢产物，如不能及时从培养液中排除，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。在糖代谢过程中，有时会产生一些挥发性的有机酸，它们随着大量通气而损失，从而影响菌体的呼吸代谢。二、影响微生物需氧量的因素三、溶氧量的控制发酵液中的溶氧浓度是由供氧和需氧两方面决定的。氧的传递方程式为：Nv=KLa（C*－CL）………………（*）其中，Nv为单位体积液体的传氧速率；KLa为以浓度差为推动力的体积溶氧系数；CL为溶液中氧的实际浓度；C*为与气相中氧分压p平衡时溶液中的氧浓度。对DO进行控制的目的是把DO浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，DO浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理，化学和微生物因素的影响和制约。从式子（*）看到，对Do值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。三、溶氧量的控制1、控制溶氧量(C*-CL)是氧溶解的推动力，与发酵液的温度、氧分压、发酵液的性质等有关。控制溶氧量首要因素是控制氧分压(C*)。高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8—10PPM；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2PPM。此外，由于氧是难溶气体，一定温度和压力下，Do值有一上限。为此，向发酵液中加入氧载体是提高Do值的一个行之有效的方法。实验表明，在发酵基质中添加5％正十二烷，可明显地提高发酵介质中的溶氧水平，改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高L-天冬酞胺酶发酵水平。三、溶氧量的控制2、控制氧传递速率氧传递速率主要考虑KLa的影响因素。从一定意义上讲，KLa愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。控制KLa的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构3个部分。操作变量包括温度、压力，通风量和转速(搅拌功率)等发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型镣反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分