【正文】 謝產(chǎn)物培養(yǎng)加有利于菌體的生長和產(chǎn)物合成，但溶氧太大有時反而抑制產(chǎn)物的形成。 ? 需考查每一種發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度和最適氧濃度。 ? 最適溶氧濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān) 。 供氧與微生物呼吸代謝的關(guān)系 ? 好氧微生物所含的氧化酶系：過氧化氫酶，細(xì)胞色素氧化酶，黃素脫氫酶，多酰氧化酶等。 ? 不同好氧微生物所含的氧化酶系的種類和數(shù)量不面，在不同環(huán)境條件下，各種微生物的吸氧量或呼吸強(qiáng)度不同。 對微生物供氧的傳遞過程 ? 空氣中的氧 (氧溶入液體的傳遞速度 )—— 液體中的溶氧 (氧由液體至微生物的傳遞速度 )——微生物體內(nèi)的氧 (氧的利用速度 )—— 產(chǎn)物 ? 在氧的傳遞過程中液膜阻力是控制因素 。 ? 為了供給微生物必需的氧量 ， 必須注意發(fā)酵罐的類型及運(yùn)轉(zhuǎn)以維持所要求的 Kla。 一 雙膜理論的基本前提 ? （ 1）在氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜中的液體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)，分子間無對流運(yùn)動，因此氧的分子只能以擴(kuò)散方式，即籍濃度差而透過雙膜。 ? 另外，氣泡內(nèi)除開氣膜以外的氣體分子，處于對流狀態(tài)，稱為氣體主流，在空氣主流空間的任一點(diǎn)，氧分子的濃度相同，液體主流中也是如此。 ? （ 2）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度 ? （ 3）傳質(zhì)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧的濃度不隨時間而變。 氧傳遞的動力和阻力 ? 在氧從氣泡傳遞到細(xì)胞內(nèi)要克服一系列的阻力，相對大小取決于流體力學(xué)特性、溫度、細(xì)胞活性和濃度、液體的組成、界面特性以及其他因素。 ? 傳遞過程的總推動力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓之差。 ? 氣液相間的氧傳遞阻力：氣膜和液膜中。 ? 液固相間的氧傳遞：細(xì)胞或細(xì)胞周圍的液膜阻力可忽略。 ? 在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上如何保證發(fā)酵中氧的供給 ， 以滿足生產(chǎn)菌對氧的需求 ， 是穩(wěn)定和提高生產(chǎn) 、 降低成本的關(guān)鍵之一 。 ? 在發(fā)酵中氧究竟夠不夠 ， 即產(chǎn)量是否受到氧的限制 ， 單憑通氣量大小是難于確定的 。 ? 了解通氣攪拌對發(fā)酵的影響 ， 最簡便有效的辦法便是就地測量發(fā)酵液中氧的濃度 。 從氧濃度變化曲線可以看出氧供需的規(guī)律及對生產(chǎn)的影響 。 ? 溶氧可作為發(fā)酵中氧是否足夠的度量 ， 發(fā)酵異常情況的指示 ， 發(fā)酵中間控制的手段之一和考查設(shè)備及工藝條件對氧供需與產(chǎn)物形成影響的指標(biāo)之一 。 氧在水中的溶解度 ? 培養(yǎng)液中氧的溶解比水中還小，因為氧的溶解度隨著溫度的升高而下降，隨著培養(yǎng)液固形物的增多，或粘度的增加而下降。 ? 長期以來深層通風(fēng)培養(yǎng)普遍使用機(jī)械攪拌罐，由于罐的直徑與通風(fēng)管徑相差懸殊，故通入氣體的細(xì)碎與醪液的混合完全依靠機(jī)械攪拌作用。 影響氧溶解效果的因素 ? 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如高徑比 ? 擋板安置情況 ? 罐內(nèi)壓與發(fā)酵液深度 ? 攪拌器型式 ? 攪拌轉(zhuǎn)速 ? 通風(fēng)量 ? 培養(yǎng)基組成。 ? 主要是攪拌轉(zhuǎn)速與通風(fēng)量。 機(jī)械攪拌可以提高通風(fēng)效果 的原因 ? 攪拌將通入的空氣打碎成細(xì)泡，增加了氣液接觸面積 ? 小氣泡從罐底上升到液面的速度要比大氣泡慢，這又使氣液接觸的時間增加 ? 由于攪拌使液體形成湍流，使氣泡不是直線上升而是成螺旋線上升，延長了氣泡在液體中運(yùn)動的時間與路程 ? 由于液體呈湍流運(yùn)動因而減少了氣泡周圍的液膜厚度，增加了氧擴(kuò)散到液體中的速度。 發(fā)酵過程中溶解氧的變化 ? 每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化都有自己的規(guī)律。 ? 明顯下降：需氧量超過供氧量，使溶氧濃度明顯下降，出現(xiàn)一個低峰，產(chǎn)生菌的攝氧率同時出現(xiàn)高峰。發(fā)酵液中的菌濃也不斷上升。粘度一般在這個時期也會出現(xiàn)一高峰階段。這都說明產(chǎn)物物菌正處在對數(shù)生長期。 ? 過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧濃度以過一段時間的平衡階段或上隨之上升后，就開始形成產(chǎn)物，溶氧濃度也不斷上升。低峰出現(xiàn)的時間和低峰溶氧濃度隨菌種、工藝和設(shè)備供氧能力不同而異。 ? 發(fā)酵中后期，對于分批發(fā)酵，溶氧濃度變化比較小。菌體已進(jìn)入靜止期，呼吸強(qiáng)度變化不大。 ? 外界補(bǔ)料，溶氧的變化隨補(bǔ)料時的菌齡、補(bǔ)入物質(zhì)的種類和劑量不同而不同。如補(bǔ)糖，則攝氧率增加，溶氧濃度下降。 ? 在生產(chǎn)后期，菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，溶氧濃度逐步上升，菌全自溶，溶氧濃度會明顯上升。 發(fā)酵過程中比耗氧速率的變化 ? 對數(shù)生長初期，比耗氧速率達(dá)到最大值，但此時細(xì)胞濃度低，攝氧率并不高。隨著細(xì)胞濃度的迅速增高，培養(yǎng)液的攝氧率增高，在對數(shù)生長后期達(dá)到峰值。 ? 對數(shù)生長階段結(jié)束，比耗氧速率下降，攝氧率下降。 ? 基質(zhì)耗盡，細(xì)胞自溶，攝氧率使迅速下降。 發(fā)酵過程中溶氧變化異常原因 ? 耗氧或供氧出現(xiàn)了異常因素或發(fā)生了障礙 ? 引起溶氧異常下降的原因： ? （ 1）污染好氣性雜菌，大量溶氧被消耗 ? （ 2）菌體代謝發(fā)生異常，需氧要求增加 ? （ 3）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；消泡劑加入過多 ? （ 4）影響供氧的工藝操作如停止攪拌、悶罐等。 引起溶氧異常升高的原因 ? 主要是耗氧出現(xiàn)改變，如菌體代謝異常，耗氧能力下降， ? 污染烈性噬菌體 ? 溶氧監(jiān)測的作用 ? （ 1）從發(fā)酵液中的溶解氧濃度變化，可以了解微生物生長代謝是否異常 ? （ 2）工藝控制是否合理 ? （ 3）設(shè)備供氧能力是否充足。 溶解氧濃度的控制 ? 溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。當(dāng)發(fā)酵的供氧量大于需氧量，溶氧濃度就上升，直到飽和。 ? 供氧控制：設(shè)法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數(shù) Kla值。 ? 需氧控制：需氧量受菌體濃度、基質(zhì)種類、和濃度及培養(yǎng)條件等因素影響，以菌濃影響最明顯。 ? 發(fā)酵液攝氧率隨菌濃增加而按比例增加 ? 氧的傳遞速率隨菌濃的對數(shù)關(guān)系減少。 ? 控制菌的比生長速率比臨界值略高一點(diǎn)的水平，達(dá)到最適濃度，是控制最適溶氧的重要方法。 ? 最適菌濃度的控制方法：通過控制基質(zhì)濃度。如利用溶氧的變化自動控制補(bǔ)糖速率，間接控制供氧速率和 pH值，實現(xiàn)菌體生長、溶氧和 pH值三位一體的控制體系。 三 測量體積溶氧系數(shù)的方法 ? （一）亞硫酸鹽氧化法 ? 用銅離子作為催化劑，溶解在水中的氧能立即氧化其中的亞硫酸根離子，使之成為硫酸根離子，其氧化反應(yīng)的速度在較大的范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無關(guān)。實際上是氧分子一經(jīng)溶入液相，立即就被還原掉。剩余的 Na2SO3與過量的碘作用 ,再用標(biāo)定的 Na2S2O3滴定剩余的碘 : （二） 溶氧電極法 ? 溶氧電極可以看作是一種電解電池，它有兩只具有不同正電性能電極，一只是銀絲做成的陰極，另一只是鉛皮卷成的陽極，這對電極裝置在兩端開口的細(xì)的玻璃套管內(nèi)，在靠近的陰極的一端用一種耐用熱的，只允許氣體透過而不透過水及離子的半滲透塑料膜覆蓋。形成 一個有一定容積的電池，在電池中加入數(shù)毫升電解質(zhì)溶液。 ? 在兩極之間產(chǎn)生一個電位，使陽極鉛變成鉛離子進(jìn)入電解質(zhì)溶液，同時放出的電子在陰極上把透過半透膜 進(jìn)入電池 的氧立即還原成氫陽根離子。 ? 用溶陽電極與氧氣分析儀相配合，可直接測量實際發(fā)酵液中的容積傳氧系數(shù) Kla ? 式中Ｃ進(jìn)，Ｃ＊為常量：Ｃ出可用氧氣分析儀自排出氣體測得，Ｃ為培養(yǎng)液中的溶氧濃度用溶氧電極測得。