溶氧的影響及控制

溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)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(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)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。第六節(jié)溶氧(DO)對(duì)發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵生產(chǎn)中用空氣飽和度百分?jǐn)?shù)來(lái)表示溶氧濃度。臨界氧濃度：不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度，如對(duì)產(chǎn)物而言，便是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。一臨界氧各種微生物的呼吸強(qiáng)度是不同的，并且呼吸強(qiáng)度是隨著培養(yǎng)液中溶解氧濃度的增加而加強(qiáng)，直至達(dá)到一個(gè)臨界值為止。這個(gè)臨界值稱(chēng)為“臨界氧濃度”。微生物的臨界氧濃度大約是飽和濃度的1%~25%。

某些微生物的臨界氧濃度微生物名稱(chēng)溫度/℃C臨界/mmol/L固氮菌大腸桿菌大腸桿菌粘性賽氏桿菌粘性賽氏桿菌酵母酵母橄欖型青霉菌橄欖型青霉菌3037.815313034.82024301.8～4.9×10-28.2×10-33.1×10-31.5×10-29×10-34.6×10-33.7×10-32.2×10-29×10-3不同種類(lèi)的微生物的需氧量不同，一般為25～100mmolO2/（L·h），同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長(zhǎng)和形成代謝產(chǎn)物時(shí)的耗氧量也往往不同。

微生物菌體在不同時(shí)期不同階段的耗氧速度[mmolO2/（L·h）]生長(zhǎng)產(chǎn)α-淀粉酶種子培養(yǎng)7h發(fā)酵13h黑曲霉50～55201350谷氨酸生產(chǎn)菌當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，溶解氧濃度高于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶解氧濃度低于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率就會(huì)大大下降，或者是微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降，細(xì)胞處于半?yún)挌鉅顟B(tài)，代謝活動(dòng)受到阻礙。呼吸臨界氧值可用尾氣O2含量變化和通氣量測(cè)定，也可用溶氧電極測(cè)定。方法：通氣攪拌，溶氧升到最高；中止通氣，繼續(xù)攪拌，頂部充氮?dú)猓苎跹杆傧陆?。各種微生物的呼吸臨界氧值：

細(xì)菌和酵母：3~10%放線菌：5~30%霉菌：10~15%合成的臨界氧值：考察不同溶氧濃度對(duì)生產(chǎn)的影響，便可求得合成的臨界氧值。注意：●實(shí)際上，呼吸臨界氧值不一定與產(chǎn)物合成臨界氧值相同?！裆锖铣膳R界氧濃度并不等于其最適氧濃度?！裨谂囵B(yǎng)過(guò)程中并不是維持溶氧越高越好。過(guò)高的溶氧對(duì)生長(zhǎng)可能不利。二發(fā)酵過(guò)程中的溶氧變化（一）、發(fā)酵過(guò)程中溶氧濃度變化的一般規(guī)律發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)供氧，溶氧明顯下降發(fā)酵中期：溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升

（二）、溶氧異常的原因1、引起溶氧異常下降的可能原因（1）污染好氣性雜菌，消耗大量溶氧，使溶氧在短時(shí)間內(nèi)下降到零附近（2）菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降（3）某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌轉(zhuǎn)速變慢、消沫油因自動(dòng)加油器失靈或人為加量過(guò)多、停止攪拌、悶罐（關(guān)閉排氣閥）等。2、引起溶氧異常上升的可能原因：（1）污染烈性噬菌體（2）菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降（3）補(bǔ)料時(shí)間和間隔不當(dāng)：赤霉素發(fā)酵發(fā)酸現(xiàn)象根據(jù)發(fā)酵液中的溶解氧濃度的變化來(lái)判斷微生物生長(zhǎng)代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足等問(wèn)題，有助于查找發(fā)酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。（三）溶氧濃度的控制

發(fā)酵液中的溶氧濃度取決于氧的傳遞（即供氧方面）和被微生物利用（即耗氧方面）兩個(gè)方面。氧的傳遞方程

NV

＝KLa(c*－cL)式中：NV——單位體積液體的傳氧速率；

KLa——以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)；

cL——溶液中氧的實(shí)際濃度；

c*——氧在水中的飽和濃度。1、影響氧傳遞的因素（1）影響推動(dòng)力(c*－cL)的因素①溫度：溫度升高，氧的溶解度降低

可在不影響菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成情況下，采取降低溫度的措施。②pH：氧在酸性溶液中的溶解度一般表現(xiàn)為酸的強(qiáng)度大、濃度高，則氧溶解度低。③電解質(zhì)濃度：電解質(zhì)濃度大，氧的溶解度低④溶劑：氧在有機(jī)溶劑中的溶解度比水中大。實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中也可通過(guò)合理添加有機(jī)溶劑來(lái)降低水的極性從而增加氧的溶解度。⑤氧分壓：增加分壓可提高氧的溶解度。方法一是提高空氣總壓，方法二是提高氧分壓。

Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類(lèi)搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述250rpm裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392（2）發(fā)酵罐中影響KLa的因素①攪拌作用：打散氣泡，增大氣液接觸面；

形成渦流，延長(zhǎng)氣泡在液體中停留時(shí)間；

形成湍流，減小氣泡外的液膜阻力；

避免菌絲結(jié)團(tuán)，減少菌絲團(tuán)阻力；使培養(yǎng)液中的成分分布均勻，細(xì)胞均勻懸浮，有利于營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝物的分散。

但是攪拌轉(zhuǎn)速并非越大越好，過(guò)度強(qiáng)烈的攪拌會(huì)有很多不利作用。②空氣線速度

KLa隨空氣流速的增加而增大，但空氣速度過(guò)大，則可使葉輪發(fā)生過(guò)載，即葉輪不能分散空氣，氣體不經(jīng)分散而沿?cái)嚢杵骶徛\(yùn)動(dòng)的中心迅速上升而逸出?？諝夥植计靼l(fā)酵罐中裝有多孔分布器和單孔分布器，在氣流速度很低時(shí)，多孔分布器有較高的通氣效率。但兩者的區(qū)別隨著氣流速度的增加而逐漸減少?？赡苁堑蜌饬鲿r(shí)多孔分布器可形成更大的傳遞面積，而當(dāng)通氣量增大時(shí)，單孔分布器能更大的增加發(fā)酵液的湍動(dòng)程度。④發(fā)酵液的性質(zhì)

發(fā)酵液的性質(zhì)特別是黏度、pH、極性、表面張力、離子濃度、菌體濃度等，都會(huì)影響氣泡的大小、穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。黏度增大，KLa下降；泡沫過(guò)多，黏度增加，KLa下降；表面活性劑（如消泡劑）使KLa下降；離子強(qiáng)度大使KLa增加；菌體濃度增加使KLa下降。發(fā)酵過(guò)程中添加糖、花生餅粉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、前體或無(wú)菌水、消泡劑等均可改變培養(yǎng)液的理化性質(zhì)。項(xiàng)目設(shè)備條件項(xiàng)目設(shè)備條件攪拌器空氣流量類(lèi)型；封閉或開(kāi)放式葉片形狀；彎葉、平葉或箭葉攪拌器直徑/罐直徑擋板數(shù)和擋板寬度攪拌器檔數(shù)和位置每分鐘體積比[(V/V)/min]空氣分布器的類(lèi)型和位置攪拌轉(zhuǎn)速罐壓雷諾準(zhǔn)數(shù)“K”因子功率準(zhǔn)數(shù)弗羅德準(zhǔn)數(shù)Pa與氧傳質(zhì)有關(guān)的工程參數(shù)2、影響微生物耗氧的因素

微生物的“需氧”可用耗氧速率或呼吸強(qiáng)度來(lái)表示：

耗氧速率（oxygenuptakerate)：指單位體積的培養(yǎng)液在單位時(shí)間的耗氧量。單位為mmolO2/(L·

h)，用r表示或OUR

呼吸強(qiáng)度（respiratorystrength)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間的耗氧量。單位為mmolO2/(g·干細(xì)胞

·h)，用Ｑo2表示兩者的關(guān)系：P188①微生物本身遺傳特征：不同種類(lèi)耗氧量不同②培養(yǎng)基的成分和濃度：

培養(yǎng)基成分尤其是碳源對(duì)細(xì)胞耗氧影響大，耗氧由大到小：油質(zhì)或烴類(lèi)>G>蔗糖>乳糖培養(yǎng)基濃度大，耗氧增加培養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)豐富，菌體生長(zhǎng)快，耗氧量大；發(fā)酵濃度高，耗氧量大；發(fā)酵過(guò)程補(bǔ)料或補(bǔ)糖，微生物對(duì)氧的攝取量隨著增大。

③菌齡：幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，耗氧大④發(fā)酵條件：pH、溫度⑤代謝類(lèi)型：若產(chǎn)物通過(guò)TCA循環(huán)獲取，則耗氧大；若產(chǎn)物通過(guò)EMP途徑獲取，則耗氧量小

項(xiàng)目工藝條件項(xiàng)目工藝條件菌種特性培養(yǎng)基的性能好氣程度菌齡、數(shù)量菌的聚集狀態(tài)，絮狀或小球狀基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成、配比物理性質(zhì)；粘度、表面張力等補(bǔ)料或加糖溫度溶氧與尾氣O2及CO2水平消泡劑或油表面活性劑配方、方式、次數(shù)和時(shí)機(jī)恒溫或階段變溫控制按生長(zhǎng)或產(chǎn)物合成的臨界值控制種類(lèi)、數(shù)量、次數(shù)和時(shí)機(jī)種類(lèi)、數(shù)量、次數(shù)和時(shí)機(jī)影響需氧的工藝條件3控制溶氧的工藝手段（1）改變通氣速率（增大通風(fēng)量）：增大KLa值。注意，過(guò)分增大通氣速率會(huì)產(chǎn)生副作用，如泡沫生成、罐溫增高等。（2）改變攪拌速度：轉(zhuǎn)速較低時(shí)，增大攪拌速度對(duì)提高溶氧濃度有明顯作用；當(dāng)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，再增大攪拌速度起不到調(diào)節(jié)作用，反而打碎菌絲體，使菌體自溶并減少產(chǎn)量。（3）改變氣體組成中的氧分壓（4）改變罐壓：提高C*。不是十分有效（5）改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)：如加消沫劑、補(bǔ)加無(wú)菌水、改變培養(yǎng)基的成分等（6）加入傳氧中間介質(zhì)：一般是不溶于培養(yǎng)液的液體，呈乳化狀態(tài)來(lái)提高氣液相之間的傳遞。傳氧中間介質(zhì)有：血紅蛋白、烴類(lèi)碳?xì)浠衔铮河?、石蠟等）、?/p>