溶解氧对发酵的影响及其控制

3、溶氧高有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时会抑 制产物合成。
QO2
C临界
CL
满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度（c临界），当溶 氧溶度（cL）高于菌体生长的临界溶氧浓度（c临界）时，菌体 的各种代谢活动不受干扰，反之则反。
一般好氧微生物的c临界很低，大约为饱和氧浓度1%~25%。
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
提高罐压
Pi增加则与之平衡的Ci也会增加，对提高（c* - c) 是有一定作用的。
利用纯氧，可以提高（c* - cL)
缺点：价格较高 易引起爆炸
可见，提高KLa最有效的方法是提高N与Vs，并 协调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受 限制较多。
2、发酵液的需氧量
发酵液的需氧量（OUR），受c(X) 、基质的种
式中
KL
(c
cL
)
OTR-氧由气相向液相的传递速率(传氧速率，
oxygen take rate)，mmol O2 ／(L·h)；
KLα-液相体积氧传递系数，1／h；
c*-液相饱和溶氧浓度，mmol O2 ／L；
cL-液相实际溶氧浓度，mmol O2 ／L；
OUR-菌的耗氧速率(摄氧速率，oxygen uptake
但不能够无限的增加通风量,研究表明，当通风量 增加到一定的量后，(Pg/V)会随着Q的增加而下 降。
也就是说单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下 降，不但不能提高kLa，甚至会造成kLa值的下降。
（2）提高（c* - cL)，即氧传递动力
c*，改变c*是没有太大的余地的。因为，发酵温 度、浓度等严格的受到菌体生长和发酵工艺的限 制。
OTR = kLa×（P*-P）
发酵体系的总需氧速率为：
r= QO2 .X 当发酵液中的不随时间变化时，表明该发酵系统
的供氧能力与耗氧量达到了平衡状态，即有
OTR(传氧速率)=OUR(摄氧速率)
OTR KL (c cL )
OUR QO2 c(X)
OTR OUR KL (c cL )
三、反应器中氧的传递
（一）氧传递的双膜理论：
假定在气泡与包围气泡的液体之间 存在一个界面，在界面的气泡一侧 存在一层气膜，在界面液体一侧存 在一层液膜，氧分子借助扩散作用 （浓度差）透过气膜，穿过界面进 入液膜并形成溶液，然后再以扩散 方式透过液膜到达液体主流，当气 液传递处于稳态，通过气膜和液膜 的氧传递速率相等。
▪ 第三类有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧 受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨 基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
▪ 由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径有关。
▪ 二、供氧与微生物呼吸代谢的关系
▪ 微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率 两种方法来表示。
▪ 呼吸强度，是指单位质量的干菌体在单位 时间内所吸取的氧量，以 QO2表示，单位 为mmol O2／(g干菌体·h)。
（二）溶氧浓度控制 1、提高氧传递效率的途径
从氧传递动力学方程式，可以看出：在供氧方面，
主要是设法提高氧传递的推动力（c* 氧传递系数KLα。
-
cL)和体积
（1）提高kLa
构kL参a 反数映有了关设，备还的与供发氧酵能液力的，性不质但有与关反（应粘器度的、结浓 度等）， kLa与操作参数之间的关系，可以使用 下式表示出来：
rate)，mmol O2／(L·h)。
体积氧传递系数KLα:
▪ 代表氧由气相至液相传递的难易程度，它与 发酵过程控制、放大和反应器设计密切相关。
▪ 当微生物的耗氧速率r不变，同时液相饱和溶 氧浓度c*不变，KLα愈大，液相实际溶氧浓度
cL愈高，故可用KLα的变化来衡量发酵罐的通 气效率, KLα 越大，系统的通气能力越强。
气膜 液膜
气相主流
液相主流
氧传递的双膜理论，则有下列氧传递方程：
OTR = kLa×(c* - cL)
式中： OTR-单位体积培养液中的传氧速率，mol/m3.h
kLa-体积传递系数，1/h c*-与气相中氧的分压呈平衡的液相中的氧的浓度，
mol/ m3
cL -液相中氧的实际浓度，mol/ m3
上式是以(c* - c)为传质动力的氧传递方程式， 根据亨利定律：Ci= K *Pi，也可以写成以 （P*-P）为推动力的氧传递方程式：
kLa = f(N Q μ Vs ……)
搅拌转速
kLa ∝ (Pg/V)α ×Vsв
Pg ∝ N2.46
可见，提高N可以有效的提高kLa，从而增加发 酵液中的溶氧浓度。
但是，高转速也有不利的方面（能耗 、菌体对 剪切力的要求）。
Vs-空气流速
由公式kLa ∝ (Pg/V) ×Vs可知，提高Vs即提高 通风量Q也可以有效的提高kLa。
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.
▪ 例如：初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与 氨基酸的合成途径密切相关。
▪ 根据发酵需氧要求不同可分为三类
▪ 第一类谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的 条件下，产量才最大（供养应充足）；
▪ 第二类，包括天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得 最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；
▪ 引起溶氧异常下降，异常变化的原因有2个方面:好 氧或供氧出现异常,可能有下列几种原因：
▪ ① 污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能 使溶氧在较短时间内下降到零附近，如果杂菌本身 耗氧能力不强，溶氧变化就可能不明显；
▪ ② 菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶 氧下降；
▪ ③ 某些设备或工艺控制发生故障或变化，也可能 引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变 慢，影响供氧能力，使溶氧降低。
▪ 耗氧速率又称摄氧率，是指单位体积培养 液在单位时间内的吸氧量，以r表示，单位 为mmol O2／(L·h)。
r QO2 cBiblioteka X)式中r——微生物的耗氧速率，mmol O2／(L·h)；
QO2 ——菌体的呼吸强度，mmol O2／(g干菌
体·h)；
c(X)——发酵液中菌体的浓度，g干菌体／L。
类和浓度以及培养条件等因素的影响，其中以 菌浓的影响最为明显。
临界比生长速率μ临 临界菌浓c(X)临
溶氧控制的一般策略：
前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成 前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。
▪ 四、发酵过程溶氧的变化
谷氨酸发酵时正常 和异常的溶氧曲线
红霉素发酵过程中 溶氧和黏度的曲线
第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需的，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。
一、溶解氧对发酵的影响
1、由于氧在发酵液中的溶解度较小，因此，需要不断通风和 搅拌，才能满足好氧微生物对氧的需求。
2、一般好氧微生物的需氧量为25-100mmol/(L.h),其临界溶 氧浓度亦低，控制溶解氧高于临界溶氧浓度，微生物的生 长和代谢不受影响。