氧的供需及对发酵绪论.pptx

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第7章  发酵工业中氧的供需 主要内容 第1节 细胞对氧的需求(为什么要供氧?为什么要 控制溶氧?) 第2节 发酵过程中氧的传递(如何实现供氧?如何控制溶氧?)、影响氧传递的因素 第3节 氧对发酵的影响及控制 第一节 细胞对氧的需求 一、氧在微生物发酵中的作用 二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 三、影响耗氧的因素 四、溶解氧控制的意义 一、氧在微生物发酵中的作用 (对于好气性微生物而言) 呼吸作用 直接参与一些生物合成反应 只有溶解状态的氧才能被微生物利用。 只考虑呼吸作用,则 C6H12O6→H2O+CO2 +能量 上式可知,180g葡萄糖完全氧化需要192g O2, 在常压下(25℃),氧的溶解度仅为6.4 mg /L,比糖的溶解度小7000倍。只能保证氧化8.3mg葡萄糖,仅相当于常用培养基葡萄糖浓度的1‰。 在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100%空气饱和度,若此时中止供氧,发酵液中溶氧可在几秒(分)钟之内便耗竭,使溶氧成为限制因素。 微生物需氧量的表示方式 (1)呼吸强度(比耗氧速率) QO2 :单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。单位:mmolO2/(kg干菌体·h)。 呼吸强度表示微生物的绝对吸氧量,但当培养液中有固体成分存在时,测定困难。用耗氧速率(摄氧率)表示. (2) 摄氧率r(耗氧速率):单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。 r=QO2·x x——细胞浓度,kg(干重)/m3 溶氧浓度表示方法 氧分压或张力,以大气压或毫米汞柱表示,多在医疗单位中使用。 绝对浓度,以mgO2/L纯水或ppm表示,电极法测定不出来绝对浓度,主要用在环保单位 空气饱和度百分数 在一定温度、罐压和通气搅拌下以消后培养基被空气百分之一百饱和为基准 二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 QO2 CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度; 好氧微生物临界氧浓度大约是饱和浓度的1-25%。 如对产物,则是不影响产物合成所允许的最低浓度。 一般对于微生物: CCr: =1~15%饱和浓度 例:酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8% 定义:氧饱和度=发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度 对于微生物生长,只要控制发酵过程中氧饱和度1 问题: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? 例:以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计,在28℃氧在发酵液中的100%的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右 0.25/0.052=4.8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 头孢菌素 卷须霉素 生长 5% (相对于饱和浓度) 13% 产物 13% 8% 三、影响耗氧的因素 r = QO2 .X r——微生物摄氧率 mmol(O2)/L·h QO2——呼吸强度 mmol(O2)/g (干菌体) ·h X ——菌体量 g (干菌体) /L 培养过程中细胞耗氧的一般规律 培养初期: QO2逐渐增高,x较小。 在对数生长初期:达到(QO2 )m,此时x较低, r并不高。 在对数生长后期:达到rm, 此时 QO2 (QO2 )m , xxm D. 对数生长期末:S↓, QO2 ↓ 而r∝(QO2 , x ), 虽然x=xm,但 QO2占主导地位,所以 r↓ E. 培养后期:S→0,QO2 ↓↓, r↓↓ 影响微生物耗氧的因素 微生物本身遗传特征的影响,如 k0↑,QO2↓ 培养基的成分和浓度 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小 碳源种类 耗氧速率:油脂或烃类葡萄糖 蔗糖 乳糖 培养基浓度 浓度大, QO2 ↑; 浓度小, QO2↓ 影响微生物耗氧的因素(续) 发酵条件的影响 pH值→ 通过酶活来影响耗氧特征; 温度→ 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征:T↑, DO2↓? 代谢类型(发酵类型)的影响 若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小 溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的,所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。 目前,在发酵工业上氧的利用率很低,因此提高传氧效率,就能大大降低空气消耗量,从而降低设备费和动力消耗,且减少泡

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