发酵——氧的供需及对发酵的影响.ppt

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1、溶氧(DO)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100％的空气饱和浓度只有0.25mmol.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。第六章氧的供需及对发酵的影响氧浓度对不同微生物生长的影响Mateles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

2、1.7生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求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第一节微生物对氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·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。r=QO2.X二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCr:临界溶氧浓度,指不影响呼

3、吸所允许的最低溶氧浓度。CCrQO2CL发酵过程的溶氧变化发酵前期：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一般对于微生物：CCr:＝1～15%饱和浓度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%产黄青霉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

4、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0.052mmolO2·L-1·S-1计，0.25/0.052=4.8秒注意：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%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：异亮氨酸，赖氨酸，

5、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，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等实例一对黄色短杆菌生物合成氨基酸时发现：菌体的临界溶氧浓度为0.01mg/L当溶氧浓度低于1.0时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0.55、0.60和0.85。从合成途径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环(TCA)的中间体，而苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。Feren和

6、Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素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，对头孢菌素为低于10-20％；而对卷曲霉素则为8％。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。实例二三、影响需氧的因素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第二节反应器中氧的传递

7、一、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜液膜N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数m/hC*＝P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a(m2/m3)Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面三、供

8、氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla和C*来调节其中C*＝P/HNvHPKla调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1第三节影响Kla的因素Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。一、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/