1、溶解氧對發(fā)酵的影響及控制,溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。,在28，氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。,微生物對氧的需求 發(fā)酵液中氧的供給 影響KLa的因素（供氧的調節(jié)） 與溶氧相關的參數(shù)測定 發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義,一 溶解氧濃度對發(fā)酵的影響,1.溶解氧對微生物生長的影響,比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內(nèi)單位重量的干菌體所消耗的氧氣，

2、mmol O2g菌-1h-1,攝氧率(r)：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。,r= QO2 .X,（氧的重要性）,X指發(fā)酵液的菌體濃度，單位為（g干菌體/L）,CCr,QO2,CL,CCr: 臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。,微生物對氧的需求,當發(fā)酵液中的溶解氧濃度低于此臨界氧濃度時，微生物的耗氧速率將隨著溶解氧濃度降低而很快下降，此時溶解氧是微生物生長的限制因素，改善供氧對微生物生長有利。,當發(fā)酵液中的溶解氧濃度高于此臨界氧濃度時，微生物的耗氧速率并不隨著溶解氧濃度的升高而上升，而是保持基本的恒定，對微生物的生長有利。,一般對于微生物：

3、 CCr:115%飽和濃度,例：酵母 4.610-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉 2.210-2 mmol.L-1, 8.8%,定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度,所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度1.,微生物對氧的需求,問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足。,注意：有些產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：,頭孢菌素 卷須霉素 生長 5%(相對于飽和濃度） 13% 產(chǎn)物 13% 8%,微生物對氧的需求,氧對魚類的影響,微生物對氧的需求,三、影響需氧的因素,r= QO2 .X,菌體濃度,QO2,遺傳因素,菌齡,營養(yǎng)的成分與濃度

4、,有害物質的積累,培養(yǎng)條件,與微生物生長有一臨界溶解氧濃度類似，微生物產(chǎn)物的合成也有一最低的溶氧濃度，稱為產(chǎn)物合成臨界氧濃度。,二、溶解氧濃度對產(chǎn)物形成的影響,最佳合成氧濃度與最適生長溶氧濃度的關系？,二、發(fā)酵液溶解氧濃度的控制,從供氧方面控制 1、影響C*-CL的因素及控制措施 （1）提高飽和溶氧濃度C* （2）降低發(fā)酵液中的CL 2、影響KLa的因素及控制措施 （1）攪拌 （2）空氣流速 （3）發(fā)酵液的理化性質 （4）空氣分布器及發(fā)酵罐的結構 從耗氧方面控制,（一）供氧方面考慮,微生物發(fā)酵中，通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣中的氧氣不斷的溶解于培養(yǎng)液中，這種氣態(tài)的氧轉變成溶解態(tài)的氧的速度，可以用下式表示

5、： N = KLa(C*-CL),式中： N-單位時間內(nèi)培養(yǎng)液氧濃度的變化 C*-在罐內(nèi)氧分壓下培養(yǎng)液中氧的飽和濃度 CL-發(fā)酵液主流中氧濃度 KL-氧傳質系數(shù) a-比表面積，即單位體積溶液所含的氣液 接觸面積,1、影響C*-CL的因素及控制措施,（1）提高飽和溶氧濃度C* 影響氧在溶液中的飽和濃度的因素有：,溫度 溶液的組成 氧分壓,溫度：菌的生理特性及產(chǎn)物需要，不容易改 降低基質濃度：中間補料或者發(fā)酵后期補入部分滅菌水 提高氧分壓：提高發(fā)酵罐壓力或者加大通入空氣中氧的含量,（2）降低發(fā)酵液中的CL,可以通過減少通氣量或降低攪拌轉速等方式來實現(xiàn)。 注意CLC臨界，否則影響微生物呼吸,2、影響

6、KLa的因素及控制措施,（1）攪拌 攪拌能打碎氣泡，增加氣液接觸面積，并且氣體螺旋式上升，延長了接觸時間，從而提高氧的溶解率。,攪拌使發(fā)酵液成湍流運動，增加了氣泡的液膜厚度，從而降低氧的傳質阻力，而使KLa值增大。 攪拌使菌體分散均一，降低菌體表面的液膜阻力，增加菌氧接觸面而有利于氧的吸收。 改變攪拌速率對溶解氧的影響效果大，但攪拌剪切力不易過大。,（2）空氣流速 當增加通風量時，空氣線速度相應增大，傳質系數(shù)KLa相應增大，從而增大溶氧 但過大的線速度，因攪拌來不及打散氣泡（“氣泛”現(xiàn)象），幾乎對溶氧的改善不大。,因此要控制空氣流量，使攪拌軸附近液面沒有大的氣泡溢出,（3）發(fā)酵液的理化性質 影

7、響KLa的理化性質主要有黏度、泡沫等 發(fā)酵液的表觀黏度越大，KLa越小 生成大量的泡沫，易于菌體形成乳濁液，而影響溶氧，可以添加適當?shù)南輨?但過多的消泡劑的聚集以及某些消泡劑有毒性，都要注意,（4）空氣分布器及發(fā)酵罐的結構,當多孔環(huán)狀空氣分布器的直徑大于攪拌器直徑時，大量的空氣未經(jīng)攪拌器分散即沿罐壁溢出液面，導致供氧效果差。 當空氣流速達到一定速度后，空氣分散主要靠攪拌器，可用單孔分布器，并可以推動發(fā)酵液的湍動程度。,影響KLa的因素:,根據(jù)r,Kla、攪拌槳特性攪拌功率 根據(jù)r、菌體細胞剪切攪拌器形式、轉速等; 攪拌器的混和計算流體力學的應用研究; 大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡

8、傳動裝置技術和整體罐結構設計研究; 。,張嗣良，中國生物工程雜志，2005,（二）從耗氧方面控制,微生物耗氧與微生物比生長速率呈正相關，控制微生物營養(yǎng)物質的濃度，從而控制其對樣的需求量，在設備供氧能力不足的情況下，是一種常見的控制措施。,三、發(fā)酵過程中溶解氧檢測的意義,（1）發(fā)酵過程中溶解氧檢測的意義 1、檢測溶氧作為發(fā)酵過程中氧是否足夠的度量，了解菌對氧的利用規(guī)律,在發(fā)酵過程中，微生物的攝氧率與培養(yǎng)時間及生物體濃度相關的。,在一定的發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化都有自身的規(guī)律。 發(fā)酵前期：菌體濃度低，處于生長狀態(tài)，攝氧不高； 對數(shù)生長期：隨著菌濃增高溶氧升高，并達到峰值 產(chǎn)物合成期：

9、攝氧水平相對較穩(wěn)，會受補料、消沫油的影響； 發(fā)酵后期：菌體衰老，營養(yǎng)物質消耗，攝氧逐步下降,因此，在通過檢測發(fā)酵過程溶解氧的變化從而了解菌體對氧需求規(guī)律的基礎上，通過控制措施可使整個發(fā)酵過程的不同階段溶解氧濃度保持在最適水平。,2.溶解氧作為發(fā)酵異常情況的指示,發(fā)酵過程中，出現(xiàn)異常變化的原因：耗氧或供氧出現(xiàn)了異常因素或發(fā)生了障礙,溶氧異常下降的原因有哪些？,污染好氣性雜菌 菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象 某些設備或工藝控制發(fā)生故障或變化,溶氧異常升高的原因有哪些？,在供氧條件沒發(fā)生變化的情況下，耗氧量的顯著減少，會引起溶氧異常上升。 特別注意：是否污染烈性噬菌體 若污染了烈性噬菌體： 產(chǎn)生菌尚未裂解，呼

10、吸就受到抑制溶氧明顯上升 菌體破裂會完全失去呼吸能力溶氧直線上升,從發(fā)酵液的溶解氧濃度變化可以了解： 1.微生物生長代謝是否正常； 2.工藝控制是否合理； 3.設備供氧能力是否充足,（二）溶解氧的檢測方法,目前測定發(fā)酵液中的溶解氧主要采用復膜式電極測定法。,復膜式電極有由置于堿性電解質中的銀陰極和鉛陽極組成的原電池型，以及由管狀銀陽極、鉑絲陽極、氯化鉀電解液及極化電源組成的極譜型。,這兩種探頭，產(chǎn)生的電流都正比于通過膜擴散入探頭的氧量，極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優(yōu)點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。,原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約530A(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。,復膜式氧電極實際測量的是氧的分壓而非氧的絕對濃度，一般測