第五章 好氧发酵工艺及设备.pptx

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1、第五章好氧发酵工艺及设备第一节好氧发酵产物的生物合成机制一、谷氨酸发酵机制二、柠檬酸发酵机制三、其他好氧发酵产物的合成（一）溶解氧的基本概念1、溶解氧（DO;DissolvedOxygen)作为环境因素对微生物反应有直接影响；被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢过程，可视为一种营养性底物。一、微生物的需氧及溶氧难溶：25℃、一个大气压，空气中的O2在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶解度更低。对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体积为10-16m3，细胞的呼吸强度为2.6×

2、10-3molO2/(kg)，菌体密度为1000kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需氧量为：10-16×1015×1000×0.2×2.6×10-3=0.052molO2/(m3·s)0.25÷0.052=4.8(s)培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比。这就是亨利定律，物理化学的基本定律之一．2.亨利定律(Henry'slaw)P=HcH=p/c拉乌尔定律（Raoult'slaw）：物理化学的基本定律之一，是法国物理学家F.-M.拉

3、乌尔在1887年研究含有非挥发性溶质的稀溶液的行为时发现的，可表述为：“在某一温度下，稀溶液某溶剂的蒸气压等于该溶剂纯溶液的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。氧是细胞的组成成分和各种产物的构成元素，又是生物能量代谢的必需元素。氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生物体生命活动过程中所需要的能量。（二）微生物的耗氧------供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系Q--形成1g细胞耗掉的氧量，g(O2)／g(干细胞)；C、H、O--每g碳源含有C、H、O的原子数；Y--碳源得率系数(每g碳源获得的细胞数量)g(

4、drycell)/g(C)；M--碳源分子量，g如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时，Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：34116832.MYOHCQ-·++=YO/P－生产1g青霉素G钠盐消耗的氧量，g(O2)/g(Pc-G)YP/G－消耗1g葡萄糖所产生的青霉素G钠盐的克数，g(Pc-G)/g(葡萄糖)X-菌丝量（干细胞），gP－生产青霉素G钠盐的克数，g如果发酵的最终产物不是菌体细胞，而是某些代谢产物，Cooney提出青霉素G发酵需氧计算公式：43060061

5、.PX.Y.YG/PP/O--=氧的饱和浓度单位：mmolO2/L,mgO2/L,ppm或大气压气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此浓度为饱和浓度或平衡浓度饱和浓度(Saturationconcentration)摄氧率（OUR;OxygenUtilizationRatio)------单位时间内单位体积培养液中微生物摄取氧的量。记作rO2(mmol/L·h)rO2因微生物种类、代

6、谢途径、菌体浓度、温度、培养液成分及浓度的不同而异。rO2值的范围一般在25～100mmol/L·h(耗氧速率)比耗氧速率-----相对于单位质量的干菌体在单位时间内所消耗的氧量。也称呼吸强度(respiratoryintensity)；用QO2表示(mmolO2/g·h)因菌种和反应条件而异，一般在1.5～15mmol/g·hX—每升培养液中菌体量(干重)，g。二者关系CCrCCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。QO2CL临界氧浓度（C临界orCCr）：在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加，当溶

7、氧浓度达到某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度。临界氧浓度与培养液的理化性质，发酵罐的结构有关。微生物的临界氧浓度在好氧微生物反应中，一般取CL>CCr，以保证反应的正常进行。微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1%～25%微生物临界氧浓度温度（℃）固氮菌1.8-4.9×10-230大肠杆菌8.2×10-337粘质沙雷氏菌1.5×10-231假单胞菌9×10-330酵母4.6×10-334.5产黄青霉2.2×10-224米曲霉2.0×10-330一些微生物的呼吸临界氧浓度critica

8、ldissolvedoxygenconcentration氧在液体中的溶解特性温度溶液性质氧分压影响微生物耗氧的因素1、微生物种类种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同2、培养基的组成与浓度培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种类和浓度影响尤为显著。一般