谷氨酸发酵过程控制-发酵罐溶氧的控制

子情境：谷氨酸发酵过程控制-发酵罐溶氧的控制

在谷氨酸发酵过程中为什么需要通氧？谷氨酸发酵的生产菌是好氧菌吗？谷氨酸发酵过程中通入的氧气微生物都能利用吗？溶氧对发酵的影响和及其控制氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa条件下，纯氧在水中的溶解度为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的溶解度更低（0.25mmol/L）。在28℃氧在在发酵液中的溶解度只有0.22mmol/L，而发酵液中的大量微生物耗氧迅速（耗氧速率大于25~100mmol/L.h），因此，供氧对于好氧微生物来说是非常重要的。在对数生长期，即使发酵液被空气饱和，若此时停止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗尽。

在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。

好氧微生物的生长和代谢活动都需要消耗氧气，它们只有在氧分子存在的情况下才能完成生物氧化作用。液体中的微生物只能利用溶解氧，气液界面处的微生物还能利用气相中的氧。强化气液界面也将有利于供氧。在微生物的培养过程中，应保持供氧与耗氧的平衡，满足微生物对氧的利用。（1）临界氧

发酵生产中用空气饱和度百分数来表示溶氧浓度。这只能在相似的条件下，在同样的温度、罐压、通气搅拌下进行比较。这种方法能反映菌的生理代谢变化和对产物合成的影响。临界氧：不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，如对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。★呼吸临界氧值可用尾气O2含量变化和通气量测定，也可用溶氧电极测定。各种微生物的临界氧值：细菌和酵母：3~10%放线菌：5~30%霉菌：10~15%★合成的临界氧值：考察不同溶氧浓度对生产的影响，便可求得合成的临界氧值。注意：●实际上，呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同。●生物合成临界氧浓度并不等于其最适氧浓度。●在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。过高的溶氧对生长可能不利。（2）溶氧作为发酵异常的指标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。发酵溶氧变化异常，可及时预告生产可能出现的问题。★操作故障或事故★中间补料是否得当★污染杂菌：溶氧会反常地迅速（一般2~5h)跌到零，并长时间不回升。这比无菌试验发现染菌要提前几个小时。但有时会出现染菌后溶氧反而升高的现象。

微生物的“需氧”可用耗氧速率或呼吸强度来表示：

耗氧速率（oxygenuptakerate)：指单位体积的培养液在单位时间的耗氧量。单位为mmolO2/(L·

h)，用r表示

呼吸强度（respiratorystrength)：单位质量的细胞干重在单位时间的耗氧量。单位为mmolO2/(g·干细胞

·h)，用Ｑo2表示两者的关系：（3）溶氧的控制需氧方面式中，r——摄氧率，mmolO2/(L·h)；

QO2——呼吸强度，mmolO2/(g菌·h)；

X——菌浓，g/L。若发酵液中溶氧保持不变，即供氧=需氧，则使供需失去平衡的因子也会改变溶氧浓度。在发酵工业中，耗氧对于菌体生长和产物生成之间的关系有三种类型：１、产物生成期的耗氧与菌体生长期的耗氧一致。２、产物生成期的耗氧超过菌体生长期的耗氧量。３、产物生成期的最适耗氧量低于菌体生长期的耗氧量。项目工艺条件项目工艺条件菌种特性培养基的性能好气程度菌龄、数量菌的聚集状态，絮状或小球状基础培养基组成、配比物理性质；粘度、表面张力等补料或加糖温度溶氧与尾气O2及CO2水平消泡剂或油表面活性剂配方、方式、次数和时机恒温或阶段变温控制按生长或产物合成的临界值控制种类、数量、次数和时机种类、数量、次数和时机影响需氧的工艺条件在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：

１、培养基成分和补料培养基的成分和浓度显著影响耗氧；培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高，耗氧量大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着增大。２、菌龄影响耗氧：呼吸旺盛，耗氧力强，发酵后期菌体处于衰老状态，耗氧能力自然减弱。３、发酵条件影响耗氧：在最适条件下发酵，耗氧量大。发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。式中，dc/dt——单位时间内发酵液溶氧浓度的变化[mmol/(L·h)]KL——氧传质系数，m/h；

a——比表面积（m2/m3)c*——氧在水中的饱和浓度，mmol/L；

cL——发酵液中的溶氧浓度，mmol/L。在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率即氧的传质方程式为：（3）溶氧的控制凡是使KLa和c*增加的因素都能使发酵供氧改善。供氧方面增加C*的办法：★在通气中掺入纯氧，提高氧分压；★提高罐压提高KLa(提高设备的供氧能力）的办法：项目设备条件项目设备条件搅拌器空气流量类型；封闭或开放式叶片形状；弯叶、平叶或箭叶搅拌器直径/罐直径挡板数和挡板宽度搅拌器档数和位置每分钟体积比[(V/V)/min]空气分布器的类型和位置搅拌转速罐压雷诺准数“K”因子功率准数弗罗德准数Pa与氧传质有关的工程参数

影响KLa的因素

1、搅拌：

（1）增加气液接触面积（打碎气泡），增加氧传递面积。（2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。（3）增加液体的湍流程度，降低气泡周围的液膜阻力、液体主流中液体阻力、从而增加KLa值。（4）减少菌丝结团，降低细胞壁表面的液膜阻力。改善细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围的“废物”和“废气“的浓度，有利于微生物代谢。

2、空气的流速

KLa随空气流速的增加而增大，但空气速度过大，则可使叶轮发生过载，即叶轮不能分散空气，气体不经分散而沿搅拌器缓慢运动的中心迅速上升而逸出。

3、培养液的物理性质发酵液的表面张力、粘度、离子浓度等都会影响气体的溶解度，还影响液体的湍动以及界面和液膜的阻力，因而影响传递效率。发酵液中菌丝浓度增大，表观粘度增大，通气效率下降。发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质。

4、空气分布器对通气效率的影响发酵罐中装有多孔分布器和单孔分布器，在气流速度很低时，多孔分布器有较高的通气效率。但两者的区别随着气流速度的增加而逐渐减少。可能是低气流时多孔分布器可形成更大的传递面积，而当通气量增大时，单孔分布器能更大的增加发酵液的湍动程度。控制溶氧的工艺手段（1）改变通气速率（增大通风量）：增大KLa值。注意，过分增大通气速率会产生副作用，如泡沫生成、罐温增高等。（2）改变搅拌速度：转速较低时，增大搅拌速度对提高溶氧浓度有明显作用；当转速很高时，再增大搅拌速度起不到调节作用，反而打碎菌丝体，使菌体自溶并减少产量。（3）改变气体组成中的氧分压（4）改变罐压：提高C*。不是十分有效（5）改变发酵液的理化性质：如加消沫剂、补加无菌水、改变培养基的成分等（6）加入传氧中间介质：一般是不溶于培养液的液体，呈乳化状态来提高气液相之间的传递。传氧中间介质有：血红蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡等）、含氟碳化物。在发酵过程中常用的控制手段（1）改变通气速率（增大通风量）：增大KLa值。注意，过分增大通气速率会产生副作用，如泡沫生成、罐温增高等。（2）改变搅拌速度：转速较低时，增大搅拌速度对提高溶氧浓度有明显作用；当转速很高时，再增大搅拌速度起不到调节作用，反而打碎菌丝体，使菌体自溶并减少产量。（3）改变气体组成中的氧分压（4）改变罐压：提高C*。不是十分有效方法作用机理投资运转成本效果对生产作用气体