第四章 微生物工程的发酵技术 2

( 三 ) 溶解氧对发酵的影响

溶氧 (DO) 是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。 氧是一种难溶于水的的气体 , 在标准大气压 (25, 1*105Pa) 条件下 , 氧在纯水中的溶解度仅为 1.26mmol/L ；空气中的氧在纯水中的溶解度更低，只有 0.25mmol/L 。因培养基内含有大量的有机和无机物质，致使氧的溶解度比在水中还要低。

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。

1. 溶解氧对发酵的影响

好氧微生物：供氧不足，代谢受到抑制。

厌氧微生物：氧是一种有害物质。

2. 影响供氧的因素

发酵液中氧的传递方程

( * )lNv K a c c

Nv ：体积传氧速率 kmol/m3.h

Kla: 以 (C*-C) 为推动力的体积溶氧系数 h-1

所以发酵过程中的供氧主要受到推动力、发酵比表面积和传递系数 Kla 等因素的影响。

（ 1 ）影响 Kla 的因素Kla 反映了设备的供氧能力。

搅拌可以从多方面改善通气效率，并影响物质传递 。搅拌罐的形状和结构以及搅拌器的形式和管内有无档板对供氧有直接的影响。对于没有搅拌器的通气发酵罐，则是利用空气带动液体运动，产生搅拌作用。

一般情况下，空气流量增大， Kla 增大。但有一定限度，当超过时搅拌器就不能有效的将空气泡分散到液体中，气流沿轴的周围逸出。 Kla 不会在提高。

发酵液密度、黏度、表面张力、扩散系数等都会影响 Kla 。

发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化

平叶：在 8h 左右才下降到 23.43%; 中后期 DO 水平则 一直在 40% 以上。箭叶：在 4h 左右溶氧就从 90 下降到 14.8% ，通过不 断提高转数， DO 水平始终维持在 20% 左右。

（ 2 ）提高推动力的因素

降低发酵液温度 提高发酵罐罐压 提高空气中氧分压

提高推动力

（ 3 ）其他因素

发酵罐中液体的体积与高度、发酵液的物理性质。

3. 溶解氧的控制

表 8-4 溶解氧控制措施的比较（转引自 俞俊棠 2003） 措施 投资 运转成本 效果 对生产作用 备注 搅拌转速 高 低 高 好 一定限度内，避免过度剪切 挡板 中 低 高 好 设备上需改装 空气流量 低 低 低 可能引起泡沫

气体成分 不高 低 高 好 高氧可能引起爆炸，适合小

型 罐压 中 低 中 好 罐强度、密封要求高 养分浓度 中 低 高 不肯定 相应较慢，需及早行动 表面活性剂 低 低 变化 不肯定 需试验确定 温度 低 低 变化 不肯定 不是常有用

发酵过程的控制一般策略：

前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成。

溶氧控制的一般策略：

前期大于临界溶氧浓度，中后期满足产物的形成。

2 、溶氧控制的实例GA

X

DO

控制： 0-12 小时 小通风 12 小时后 增加通风

原因： 0-12 小时菌体量较小，采用小通风

一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。

例： 生产肌苷酸：通气量不变 17.15 mg/ml24 小时增加 22.55 mg/ml30 小时增加 18.25 mg/ml36 小时增加 12.34 mg/ml

初期 与 前期

3. 溶解氧参数在发酵过程控制中的应用 掌握发酵过程中溶氧和其他参数间的关系后，如发酵溶氧变化异常，便可及时预告生产可能出现问题，以便及时采取措施补救。

加糖阀由一种控制器操纵，当培养液的溶氧高于控制点时，糖阀开大，糖的利用需要消耗更多的氧，导致溶氧读数的下跌；反之，当读数下降到控制点以下，加糖速率便自动减小，摄氧率也会随之降低，引起溶氧读数逐渐上升 。

（四）二氧化碳对发酵的影响及控制 1.二氧化碳的来源及对发酵的影响

CO2 影响细胞膜的结构，还影响发酵液的酸碱平衡，或与其他化学物质发生化学反应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀，造成间接作用而影响菌体生长和产物合成。

2.二氧化碳浓度的控制

通过提高通气量和搅拌速率，在调节溶解氧的同时，还可以调节CO2 的浓度，通气使溶解氧保持在临界值以上，CO2又可随着废气排出，使其维持在引起抑制作用的浓度之下。降低通气量和搅拌速率，有利于提高 CO2 在发酵液中的浓度。 另外在青霉素发酵中，补糖可增加排气中 CO2 的浓度。

（五）泡沫对发酵的影响和控制

1. 发酵过程泡沫产生的原因（ 1 ）通气搅拌的强烈程度

通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。

（ 2 ）培养基配比与原料组成

培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。

例：在 50L 罐中投料 10L ，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌 900 rpm ，通气，泡沫生成量为培养基的 2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。

（ 3 ）菌种、种子质量和接种量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量。

（ 4 ）灭菌质量

培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。

2. 泡沫对发酵的影响

①降低了发酵罐的装料系数。②增加了菌群的非均一性。③增加了污染杂菌的机会。④大量起泡，控制不及时，会引起逃液，招致产物

的流失。 ⑤消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦。

3. 泡沫的消长规律 发酵过程中泡沫的多少与通气搅拌的剧烈程度

和培养基的成分关系最密切。

4. 泡沫的控制 泡沫的控制，主要有两种途径：

1. 是调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原材料）、改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制；

2. 对已经形成的泡沫采用包括机械消泡和消泡剂消泡的方式来消除。

5 、常用消泡剂的种类和性能（ 1 ）天然油脂

天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等。油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，还有高级醇、高级烃等。但油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。此外，有些油是发酵产物的前体，如豆油是红霉素的前体，鱼油是螺旋霉素的前体。近年来出于对环境保护的重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂 。

a酒糟榨出液 罗伯茨（ Roberts R.T. ）在英国酿造业研究基金会资助的试验啤酒厂发现：全麦芽浸出浆桶中最后倒出的沉积物能破灭泡沫。于是联想到，是否可以由制作全麦芽浸出浆以后的酒糟压榨出有效的消泡剂？经过试验，由酒糟中压榨出大约 40% 液体，在 500C真空蒸馏，浓缩19倍，果然得到可用于麦芽汁发酵过程的消泡剂。效果很好，没有副作用。经分析证明，酒糟榨出液中存在 C8~C18的全部脂肪酸，存在极性类脂物，尤其是卵磷脂等物，这些物质的协同作用下的消泡作用比这些物质单独消泡作用强得多。

b啤酒花油 研究年发现向啤酒添加 1~5ppm啤酒花油是减轻气泡溢出损失的有效措施。紧分析啤酒花油具含有消泡活性的物质有：石竹烯、荷兰芹萜烯、香叶烯和蒎烯等。

（ 2 ）聚醚类消泡剂

聚醚类消泡剂种类很多我国常用的主要是甘油三羟基聚醚。定名为 GP型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，加入基础料，效果很好。六十年代发明此类消泡剂，美国道康宁化学公司首先投产。在 GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫 GPE型消泡剂（泡敌）。按照环氧乙烷加成量为 10% ， 20% ，…… 50% 分别称为 GPE10 ，GPE20 ，…… GPE50 。这类消泡剂称为“泡敌”。用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的 10~20倍。

（ 3 ）高碳醇

（ 4 ）硅酮类值得注意的是：消泡剂有选择性。消泡剂

用多了有毒性，而且还影响通气和气体分散，因此要少量地加。

三、发酵终点的判断 要确定一个合理的放罐时间，需要考虑下列

几个因素： （一）经济因素 要以最低的成本来获得最大生产能力的时间为

最适发酵时间。在实际生产中，需要综合考虑单位体积的产物产量、设备利用率、发酵周期、动力消耗、管理费用等因素评定产品的成本，从经济学观点确定一个合理的放罐时间。

（二）产品质量因素 发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响。

发酵时间太短时，有过多的尚未代谢的营养物质

（如可溶性蛋白、脂肪等）残留在发酵液中，这些物质对下游操作提取、分离等工序都不利。发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白或体内的酶，又会显著改变发酵液的性质，增加过滤工序的难度，甚至使一些不稳定的产物遭到破坏。

（三）特殊因素

如在发酵异常情况下，如染菌、代谢异常（糖耗缓慢等），就应根据不同情况，进行适当处理。

合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出的发酵罐的生产能力和产品成本，采用生产力高而成本又低的时间，作为放罐时间。