6.4氧的供需及对发酵的影响(2)

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1、7.4氧的供需及对发酵的影响溶氧(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％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。7.4.1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）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1摄氧率(OUR，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

2、X:菌体密度,g菌/L二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响cCrQO2cLcCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度,一般用空气氧饱和度表示。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：临界溶氧浓度＝临界时发酵液中氧的浓度/氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度不低于临界氧浓度即可微生物温度临界氧值/(mmolO2/L)温度/C临界氧值/(mgO2/L)大肠杆菌37.60.00820.003115.00.26酵母34.80.00460.003720.0

3、0.60产黄青霉30.00.00900.022024.00.40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(0.25为溶解氧浓度)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阶段5-7%(相对于饱和浓度）13-23%产物合成10-20%8%在菌体生长和产物合成阶段,并非溶解氧浓度越高越好卷须霉素发酵时,在40-140h维持氧在10%比在0或45%时的产量都要高过高的溶氧对菌体生长有害,主要原因可能是新生O,超氧化物基和过氧化物基,或羟基自由基对

4、菌体组分的破坏三、影响需氧的因素菌体浓度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7.4.2反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程(氧的溶解情况)CLCiPPi气膜液膜N：单位接触面积传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数;kmol/m2.h.atmKL:液膜传质系数m/h气液界面:氧从气膜到液膜C*: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)c*:氧在水中的饱和浓度mmol/L所有能增加以上两指标的因素都能改善供氧再令：单位体积的液体中所具有的氧传递面积为a(m2/m3)Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKLa:以(c*-

5、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消耗：OUR=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面三、供氧的调节cL有一定的工艺要求，所以可以通过KLa和c*来调节其中c*＝P/HP:氧分压H:亨利常数,与温度及液体中固形物质的浓度有关NvHPKLa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7.610.720.17.4.3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

6、类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12,转速250rpm装液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml酶活力713734253921、理论上分析KLan：转速d：搅拌桨直径通气量A.提高搅拌，调节KLa的效果显著二、影响发酵罐中KLa的因素提高搅拌增强溶氧系数的原因搅拌能把大气泡打成微小气泡,增加了接触面积,延长了接触时间(小气泡上升慢)搅拌使液体作涡流运动,延长了气体在罐体内上升的时间搅拌使液体呈湍流运动,减少了气泡周

7、围液膜的厚度搅拌使菌体分散,增加了接触面积,有利于氧的传递过度剧烈搅拌产生的剪切力很大,要考虑到对细胞尤其是菌丝体的损伤B.搅拌器类型:轴向式(桨式,锚式,框式,推进式)和径向式(涡轮式)圆盘涡轮式的溶氧效果最好,主要产生径向液流,但不利于罐内液体的混合因此,下组用圆盘涡轮式搅拌打碎气泡,上组用平浆式搅拌混合料液叶径d:相对位置:下组搅拌器离罐底0.8-1d较好,两组搅拌器之间的距离也要仔细考虑搅拌器的组数:C.空气线流速空气线速度过大时,会发