【文章內(nèi)容簡介】 菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量；低于臨界值，菌體代謝受到干擾。 ? 但溶氧濃度高于或低于臨界氧值都有可能刺激發(fā)酵產(chǎn)物的形成，這取決于發(fā)酵產(chǎn)物形成的過程。 ? 根據(jù)需氧不同，可將初級代謝發(fā)酵分為以下三類： ①供氧充足條件下，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成受強烈抑制：如，谷氨酸、精氨酸、脯氨酸等； ②供氧充足條件下，可得最高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯：如，異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸等； ③若供氧受限，細胞呼吸受抑制時，才獲得最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制：如，亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸等。 黃色短桿菌（ Brevibacterium flavum）生物合成氨基酸的過程中溶解氧的影響研究 但在實際過程中應該注意： ?控制溶氧濃度 ： – 溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶）； – 溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低） ?引起溶氧異常下降的可能原因 ： – 污染了好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗，可能在短時間內(nèi)（一般 2～ 5h內(nèi)）使溶氧接近到零，并長時間不回升； – 菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧量增加，使溶氧下降； – 某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。 發(fā)酵過程溶氧的變化 （ 1）發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時需氧超過供氧，溶氧明顯下降； （ 2）發(fā)酵中后期：溶氧濃度明顯受工藝控制手段的影響，如補料的數(shù)量、時機和方式等； （ 3）發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯上升。 影響氧溶解及傳遞的因素 If only suspended cells are involved and if the level of mixing in the bulk liquid is sufficiently high, then the rate limiting step in the oxygen transfer process is the movement of the oxygen molecules through the bubble boundary layer. ?氧傳遞速率 oxygen transfer rate OTR=dC/dt=KLa(C*CL) 式中， dC/dt——單位時間內(nèi)發(fā)酵液溶氧濃度的變化， mmolO2/(Lh) KL——氧傳質(zhì)系數(shù)， m/h； a——比表面積， m2/m3。 C*——氧在水中的飽和濃度， mmol/L。 CL——發(fā)酵液中氧濃度， mmol/L。 因 a所代表的單位體積的溶氧面面積無法估算，因此，將 KLa合為一體來考量，代表的是單位體積中氧的傳遞速率。 （ 1）影響體積氧傳遞系數(shù) KLa的因素 ① 攪拌： ?形成小氣泡，增大比表面積 ?液體渦流運動，增加氣液接觸時間 ?料液湍流運動，促進傳質(zhì) ?使菌體分散，避免結(jié)團 ② 空氣流速（線速度）： ?空氣線速度較小時， KLa隨線速度增加而增加； ?空氣線速度增加至一定程度后，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，使 KLa降低，甚至發(fā)生“過載”現(xiàn)象 ③ 空氣分布管 ：改變氣泡大小，從而改變氣泡的比表面積。 ④ 發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)： H/D從 1增加到 2， KLa增加 40%； H/D從 2增加到 3， KLa增加 20%； ⑤ 發(fā)酵液的性質(zhì) 發(fā)酵液粘度影響液體湍動性及液膜的阻力。 ⑥消泡劑 消泡劑：降低氧的傳遞速率。 消泡劑對氧傳遞的抑制作用 （ 2）影響傳質(zhì)推動力 (C*CL)的因素 ① 溫度和氧分壓 根據(jù)亨利定律： C*=PO2/HO2 式中， PO2——氧分壓； HO2——亨利常數(shù)，取決于溫度和溶質(zhì)濃度 ② 溶液性質(zhì) 鹽和糖的存在降低了氧的溶解度 ③ 發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度 ? 提高氧分壓的一個方法就是提高氣泡總壓力。如：將氣泡的壓力提高到 10atm，則氧分壓就可達 。 ? 直接提高罐壓，會存在工程上的問題，因此可以通過提高液柱高度來解決。 Pbase=ρgh+1atmosphere 式中， Pbase：罐底部壓力（ Pa） ρ：發(fā)酵液密度 g：重力加速度（ ） h：液柱高度（ m） ?發(fā)酵液中氧的供需平衡 ? 耗氧速率： γ(OUR)=QO2X 式中， γ——攝氧率， mmol/L； QO2 ——呼吸強度， mmolO2/(gh)； X——菌濃度， g/L。 ? 溶氧 DO平衡， OTR=OUR， 即 KLa (C*CL) =QO2X 原則上發(fā)酵罐的供氧能力無論提得多高，若 工藝條件 不配合，仍然會出現(xiàn)供氧不足的現(xiàn)象。因此應適當控制菌的攝氧率。工藝方面有許多行之有效地措施，如控制加糖或補料速率、改變發(fā)酵溫度、液化培養(yǎng)基、中間補水、添加表面活性劑等。只要這些措施運用得當，便能改善溶氧狀況和維持合適的供氧水平。 表 影響需氧的工藝條件 項目 工藝條件 項目 工藝條件 好氣程度 補料或加糖 配方、方式、次數(shù)和時機 菌種特性 菌齡、數(shù)量 溫度 恒溫或階段變溫控制 菌的聚集狀態(tài)、絮狀或小球狀 溶氧與尾氣 O2及CO2水平 按生長或產(chǎn)物合成的臨界值控制 培養(yǎng)基性能 基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成、配比 消泡劑或油 種類、數(shù)量、次數(shù)和時機 物理性質(zhì)：黏度、表面張力等 表面活性劑 ?溶氧控制的方法及比較 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制 第二節(jié) 溫度的影響及其控制 第三節(jié) pH的影響及控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 第七節(jié) 發(fā)酵終點的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。 泡沫的類型 一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占的比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。 另一類泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液中，這種泡沫分散很細，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明顯的界線，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比列由下而上逐漸增加。 泡沫產(chǎn)生的原因 ? 由外界引進的氣流被機械地分散形成（通風、攪拌） ? 發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)） 泡沫對發(fā)酵的不利影響 ⑴泡沫的持久存在影響著微生物對氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進行，不利于發(fā)酵。 ⑵使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率。 ⑶大量的泡沫易造成逃液，增加污染雜菌的機會，造成巨大損失。 影響泡沫產(chǎn)生和穩(wěn)定的因素 （ 1）通氣與攪拌的強度 （ 2）培養(yǎng)基的配比及原材料的組成 （ 3）培養(yǎng)基的破壞程度 （ 4）接種量大小 （ 5）培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化（發(fā)酵過程） （ 6）培養(yǎng)基滅菌的方法和操作 （ 7）染菌 不同攪拌速度和通氣量對泡沫的影響 不同濃度蛋白質(zhì)原料的起泡作用 滅菌時間對泡沫穩(wěn)定性的影響 發(fā)酵過程泡沫的變化 泡沫的檢測和控制 （ 1）物理消泡法：依靠機械的強烈振動，壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離和回收。 ? 罐內(nèi)消泡法：借助耙式消泡槳 ? 罐外消泡法：旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡 優(yōu)點：不需引入其他物質(zhì)，減少污 染機會； 缺點：效果不夠迅速可靠，不能從 根本上消除引起泡沫穩(wěn)定的因素。 （ 2）化學消泡法： ? 機理：消泡劑為表面活性劑，造成氣泡膜局部機械強度降低，力的平衡受到破壞，在力的作用下氣泡破裂、合并，最后導致泡沫破裂。 ? 常見消泡劑： ?天然油脂類 玉米油、豆油、棉籽油、魚油等 ?高碳醇類 十八醇、乙二醇聚合物 ?聚醚類 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油 ?硅酮類 聚二甲基硅氧烷 （ 3）消泡劑具體使用過程 ? 最簡單的檢測是定時在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時，開啟消泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。 ? 也可在罐內(nèi)頂部裝液位儀與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門的開啟。當泡沫上升接觸探頭頂端時產(chǎn)生的信號，通過控制裝置，指令打開泵開關(guān)或閥門，自動加入消泡劑，泡沫消失，信號也隨之消失，閥門關(guān)閉。 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制 第二節(jié) 溫度的影響及其控制 第三節(jié) pH的影響及控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 第七節(jié) 發(fā)酵終點的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細胞代謝的重要指標。二氧化碳微生物的代謝產(chǎn)物 ,合成產(chǎn)物的一種基質(zhì)反映微生物生長和發(fā)酵狀況 ,可通過碳質(zhì)量平衡來估算菌體生長速率和細胞量。 CO2對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響 在發(fā)酵過程中， CO2有可能對發(fā)酵有促進作用，也有可能有抑制作用