溶氧对发酵的影响及控制读书报告

溶氧对发酵的影响极其控制的读书报告摘要：发酵液中的溶氧浓度（DissolvedOxygen，简称DO）是影响发酵的关键因素，对微生物的生长和产物形成有重要的影响。在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需代谢产物，因此，了解溶氧对发酵的影响极其控制对微生物发酵有重要意义。关键字：溶氧、发酵、溶氧控制Abstract:Thedissolvedoxygenconcentrationinthefermentationbroth(DissolvedOxygen,referredtoasDO)isthekeyfactortoinfluencethefermentation,hasanimportantinfluenceonmicrobialgrowthandproductformation.Duringfermentation,itisnecessarytosupplytherightamountofasepticair,bacteriacanmultiplyandaccumulatethemetabolites,therefore,tounderstandtheeffectsofdissolvedoxygenonfermentationextremelycontrolmicrobialfermentationhasimportantsignificance.Keywords:dissolvedoxygen,fermentation,dissolvedoxygencontrol一、微生物对氧的需求好氧微生物的的生长发育和合成代谢产物都需要消耗氧气，它们只有在氧分子的存在下才能完成生物氧化作用，因此，供氧对微生生物必不可少。微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中的溶氧浓度有一个最低要求，这一溶氧浓度叫做临界氧浓度。当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降，细胞处于半厌气状态，代谢活动受到阻碍。培养液中维持微生物呼吸和代谢所需的氧保持供氧与耗氧的平衡，才能满足微生物对氧的利用。只有使溶氧浓度大于其临界氧浓度时，才能维持菌体的最大的比耗氧速率，以使菌体得到最大的合成量。但由于发酵的目的是为了得到发酵的产物，因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的。所以，需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。（1）不同种类的微生物的需氧量不同，一般为25~100mmol/(L•h)。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件的不同而异。菌体生长和形成代谢产物的耗氧量也往往不同，一般幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培养阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低；晚龄菌的呼吸强度弱，但在发酵阶段，由于菌体浓度高，耗氧量大。需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性,溶解氧对微生物自身生长的影响体现在多个方面，其中对微生物酶的影响是不可忽略的重要因素。XiaoJ等研究了不同溶氧对谷氨酸发酵中2个关键酶（谷氨酸脱氢酶GDH）和乳酸脱酶（LDH）对代谢流的影响，研究表明，在过低溶氧条件下，TCA循环代谢流量减小，不足以平衡葡萄糖酵解速率，从而刺激了LDH的酶活，使代谢流向乳酸生成，造成乳酸积累；而过高溶氧时，GDH酶活明显降低，且TCA循环流量加大，生成大量CO2，造成碳源损失，2种情况均不利于谷氨酸生成。（2）微生物发酵的活性污泥法处理污水的过程中，DO的影响及控制也十分重要。曝气池中氧气不足和过量都会对微生物生存环境带来不利影响.当氧气不足时,一方面由于曝气池中丝状菌会大量繁殖,最终产生污泥膨胀;另一方面会降低细菌分解的效果,延长处理时间,甚至导致生物处理失效.而氧气过量(即过量曝气)则会由于絮凝剂遭到破坏而导致悬浮固体沉降性变差,同时使能耗过高。（3）二、溶氧量的控制对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约，对ＤＯ值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。1、控制溶氧量在发酵过程中，微生物只能利用溶解状态下的氧。而氧是很难溶的气体，在25℃、100MPa下，空气在水中的溶解氧为0.25mmol/L。由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低，故必须采取强化供氧。（C*-CL）是氧溶解的推动力，控制溶氧量首要因素是控制氧分压（C*）。高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。如啤酒发酵中麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8mg/L~10mg/L；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2mg/L。其次可通过提高罐压来加大氧的溶解度。（4）（2）控制氧传递速率发酵液中供氧能力的基本限制因素是氧的传递速率。氧由空气溶解到水中，再传递到菌体细胞表面，最终进入细胞内被利用。在此过程中，氧的传递阻力主要有气膜阻力、液膜阻力、细胞膜传质阻力等。氧传递速率主要考虑ＫＬａ的影响因素。从一定意义上讲，ＫＬａ愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。控制ＫＬａ的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构３个部分。操作变量包括温度、压力、通风量和转速（搅拌功率）等；发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。好氧性发酵罐通常设有通风搅拌装置。通风是为了供给需氧或兼性需氧微生物适量的空气，以满足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要。搅拌的作用是把气泡打碎，强化流体的湍流程度，使空气与发酵液充分混合，一方面增加了溶氧速率，另一方面使微生物悬浮混合一致，促进产物代谢。当发酵液浓度增大、粘度增大时，ＫＬａ值降低，发酵过程中形成大量泡沫，菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响了氧的传递。三、溶氧监控的意义在发酵过程中，微生物不断地消耗氧，同时通入的空气又不断地给予补充，使整个过程达到平衡。对于不同微生物的不同生长发酵阶段，对氧的需求是不同的。通过对氧的监控，可以考察发酵工艺是否满足要求，观察菌体、设备有无异常情况，间接控制微生物的发酵。参考文献：（1）郜培,陆静波等.溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响[J].食品与发酵工食品与发酵工业,2005(31):72-75（2）]XiaoJ,ShiZHP,GaoP,etal.On-lineoptimizationofglutamateproductionbasedonbalancedmetaboliccontrol[J].RQ.BioproceandBiosystemsEngineering,2006,29:109-117（3）ZhangPing,YuanMingzhe,WangHong.StudyonDiolvedOxygenControlMethodBasedonInternationalEvaluationBenchmark.InformationandControl,2007,36(2):199-203