发酵——氧的供需及对发酵的影响精编版

1、氧浓度对不同微生物生长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一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，重量的细胞

2、所消耗的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCr: 临界溶氧浓度临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。CCrQO2CL发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化n发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，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，溶氧明显下降此时需氧超过供氧，溶氧明显下降

3、n发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等料的数量、时机和方式等 n发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，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旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升 一般对于微生物：一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定义：定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度

4、临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中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。氧很容易满足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：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： 头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5% (相对于饱和浓度）相对于饱和浓度） 13%产物产物 13% 8%根据需氧不同，可

5、将初级代谢发酵分为： a. a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；强烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b. b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c. 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；若供氧充足，产物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等如

6、：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当溶氧浓度低于当溶氧浓度低于1.0时，谷氨酸和天冬氨酸族时，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和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0.55、0.60和和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和和Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢对顶头孢霉产生头孢菌素和卷

7、曲霉素的研究即是一个氧对次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，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头孢菌素产生菌的临界氧浓度在07的的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为为1323。但就抑制抗生素生物合成的。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于10-20；而对卷曲霉素则为；而对卷曲霉素则为8。因此，在生。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓

8、度低于临界值。其溶氧浓度低于临界值。 实例二三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素r= QO2 .Xq 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件第二节 反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/hC*P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度(

9、 *)lNK ccKl: 以氧浓度为推动力的总传递系数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再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)( *)lNvK a ccNv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.hKla: 以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1二、发酵液中氧的平衡二、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发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：)*(ccaKNvl消耗：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在

10、发酵液中氧的浓度上面三、供氧的调节三、供氧的调节( *)lNvK a ccC有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*P/HNvHPKla调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。一般来讲大罐比小罐要好。 45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1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反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。瓶与发酵罐。一、

11、影响摇瓶一、影响摇瓶kla的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12,转述转述250rpm装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92二、影响发酵罐中二、影响发酵罐中Kla的因素的因素已知在通

12、风发酵罐中，全挡板条件下：已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：(/) ()gsKlaK P VV230.4500.56()ggP ndPCQ350PKn d()KlandQ1、理论上分析、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节提高搅拌，调节kla的效果显著的效果显著例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d n p0/v c 产量产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812

13、 2416 2846提高提高d、n显著提高显著提高C,提高了产量提高了产量提高提高N, 比提高比提高Q有效有效2、实际上：、实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培 养，比色法测定产量：养，比色法测定产量：通气通气 静止静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以这些因素的存在，发酵设备的供养

14、是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的3、小型发酵罐和大型发酵罐调节、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套4、影响、影响Kla的其它因素的其它因素空气分布器空气分布器液体的粘度液体的粘度第四节 CL、r和Kla的测定一、一、CL的测定的测定1、化学法、化学法2、溶氧电极、溶氧电极q 极谱型极谱型(阴极阴极)：O2+2H+2e H2O2q 原电池型原电池型(阴极阴极)：O2+2H

15、2O+4e 4OH- 极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约530A(主要取决于阴极的表面积和测试温度主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用，可以不用配套仪表，经一

16、电位器接到电位差记录议上便可直接使配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。用。 q 膜：耐温、透气、不通水膜：耐温、透气、不通水q 测定：一般是得到相对值测定：一般是得到相对值二、二、r的测定的测定1、物料衡算、物料衡算 流量（进口空气中氧的氧含量流量（进口空气中氧的氧含量出口空气中的氧含量）出口空气中的氧含量）r= 发酵液体积发酵液体积氧的浓度：氧分压仪氧的浓度：氧分压仪2、溶氧电极、溶氧电极停止供气停止供气：dCL = -r dt三、三、Kla的测定的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）、亚硫酸盐法（冷膜）氧氧 亚硫酸钠的氧化亚硫酸钠的氧化Kla.C* = 亚硫酸浓度的降低亚硫酸浓度的降

17、低 Cu2+ 2Na2SO3+O2 2Na2SO42、平衡法、平衡法 rKla= C*-CL例例：一个装料为：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为的实验室小罐，通气量为1VVM（标（标态），发酵液的态），发酵液的CL25%、空气进入时的氧含量为、空气进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的酵罐的Kla3、动态法、动态法q 不同的测定方法得出的不同的测定方法得出的kla是不一样的是不一样的第四节 溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）：

18、下）：rXQCL一般有一个低谷，一般有一个低谷，在对数生长的末期在对数生长的末期二、发酵过程中溶氧的控制二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略、溶氧控制的策略微生物反应微生物反应: XS P+ X=a+b X,P t P X 0 t1 0t1growth phase t1endproducing phase 菌体生长期：菌体生长期：开始的细胞开始的细胞生长好后的细胞生长好后的细胞酶系统酶系统 酶系统酶系统 关键因子关键因子产物合成产物合成产物形成期：产物形成期：底物底物产物产物酶系统酶系统 反应动力学问题反应动力学问题 发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。2、溶氧控制的实例、溶氧控制的实例谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加