第五章好氧发酵工艺及设备

第五章好氧发酵工艺及设备第一节好氧发酵产物的生物合成机制一、谷氨酸发酵机制二、柠檬酸发酵机制三、其他好氧发酵产物的合成（一）溶解氧的基本概念1、溶解氧（DO;DissolvedOxygen)作为环境因素对微生物反应有直接影响；被好氧性微生物吸收消耗，并直接参与生长代谢过程，可视为一种营养性底物。一、微生物的需氧及溶氧难溶：25℃、一个大气压，空气中的O2在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分，其溶解度更低。对于菌体浓度为1015个/m3的发酵液，假定每个菌体的体积为10-16m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3molO2/(kg)，菌体密度为1000kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的需氧量为：10-16×1015×1000×0.2×2.6×10-3=0.052molO2/(m3·s)0.25÷0.052=4.8(s)培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比。这就是亨利定律，物理化学的基本定律之一．2.亨利定律(Henry'slaw)P=HcH=p/c拉乌尔定律（Raoult'slaw）：物理化学的基本定律之一，是法国物理学家F.-M.拉乌尔在1887年研究含有非挥发性溶质的稀溶液的行为时发现的，可表述为：“在某一温度下，稀溶液某溶剂的蒸气压等于该溶剂纯溶液的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。氧是细胞的组成成分和各种产物的构成元素，又是生物能量代谢的必需元素。氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生物体生命活动过程中所需要的能量。（二）微生物的耗氧------供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系Q--形成1g细胞耗掉的氧量，g(O2)／g(干细胞)；C、H、O--每g碳源含有C、H、O的原子数；Y--碳源得率系数(每g碳源获得的细胞数量)g(drycell)/g(C)；M--碳源分子量，g如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时，Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：34116832.MYOHCQ-·++=YO/P－生产1g青霉素G钠盐消耗的氧量，g(O2)/g(Pc-G)YP/G－消耗1g葡萄糖所产生的青霉素G钠盐的克数，g(Pc-G)/g(葡萄糖)X-菌丝量（干细胞），gP－生产青霉素G钠盐的克数，g如果发酵的最终产物不是菌体细胞，而是某些代谢产物，Cooney提出青霉素G发酵需氧计算公式：43060061.PX.Y.YG/PP/O--=氧的饱和浓度单位：mmolO2/L,mgO2/L,ppm或大气压气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相中的浓度，就会达到动态平衡，此时溶解到溶液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条件不变，气体在溶液中的浓度就不再随时间而变化，此浓度为饱和浓度或平衡浓度饱和浓度(Saturationconcentration)摄氧率（OUR;OxygenUtilizationRatio)------单位时间内单位体积培养液中微生物摄取氧的量。记作rO2(mmol/L·h)rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度、培养液成分及浓度的不同而异。rO2值的范围一般在25～100mmol/L·h(耗氧速率)比耗氧速率-----相对于单位质量的干菌体在单位时间内所消耗的氧量。也称呼吸强度(respiratoryintensity)；用QO2表示(mmolO2/g·h)dtDOdXXrQOO][122因菌种和反应条件而异，一般在1.5～15mmol/g·hX—每升培养液中菌体量(干重)，g。二者关系CCrCCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。QO2CL临界氧浓度（C临界orCCr）：在溶氧浓度低时，呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加，当溶氧浓度达到某一值后，呼吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度。临界氧浓度与培养液的理化性质，发酵罐的结构有关。微生物的临界氧浓度在好氧微生物反应中，一般取CLCCr，以保证反应的正常进行。微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1%～25%微生物临界氧浓度温度（℃）固氮菌1.8-4.9×10-230大肠杆菌8.2×10-337粘质沙雷氏菌1.5×10-231假单胞菌9×10-330酵母4.6×10-334.5产黄青霉2.2×10-224米曲霉2.0×10-330一些微生物的呼吸临界氧浓度criticaldissolvedoxygenconcentration氧在液体中的溶解特性温度溶液性质氧分压影响微生物耗氧的因素1、微生物种类种类不同，其生理特性不同，代谢活动中的需氧量也不同2、培养基的组成与浓度培养基的组成对菌种的需氧量有显著的影响，碳源的种类和浓度影响尤为显著。一般而说，碳源浓度在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。3、菌龄不同菌种需氧量情况各异；同一菌种不同菌龄，其需氧程度也不同；一般菌龄低者，呼吸强度高。例如；菌龄为24小时的产黄青霉呼吸强度最高4、培养条件溶氧、pH、温度等一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高5、有毒产物的形成及积累CO2是菌体代谢产生的气态终产物，它的生成与菌体的呼吸作用密切相关。CO2在水中的溶解度是氧的30倍，因而发酵过程中不及时将培养液中的CO2排出，势必影响菌的呼吸，进而影响菌的代谢。二、氧的传质理论对于需氧的微生物反应，还存在一个氧从气相通过扩散进入液相，进而又经扩散进入絮凝体内部供给细胞进行呼吸的传递过程。在好氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。（一）氧传递的阻力21345678气液界面气泡液膜液相主体固液界面细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图供氧方面包括通过气膜、气-液界面、液膜及液体主流的扩散耗氧方面包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细胞内的扩散。氧传递可分供氧和耗氧两个方面：氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分压或浓度差）来克服各自的阻力。1、供氧方面的阻力1）气膜阻力（1/k1;1/KG）：为气体主流及气-液界面的气膜阻力，与空气情况有关。2）气液界面阻力（1/k2；1/KI）：与空气情况有关，只有具备高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的则返回气相。3）液膜阻力（1/k3;1/KL）：为从气-液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关。4）液流阻力（1/k4;1/KLB）：液体主流中传递的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。2、耗氧方面的阻力1）细胞周围液膜阻力（1/k5;1/KLC）与发酵液的成分和浓度有关。2）菌丝丛或团内的扩散阻力（1/k6;1/KA）与微生物的种类、生理特性状态有关，单细胞的细菌和酵母菌不存在这种阻力；对于菌丝，这种阻力最为突出。3）细胞膜的阻力（1/k7;1/KW）：与微生物的生理特性有关。4）细胞内反应阻力（1/k8;1/KR）氧分子与细胞内呼吸酶系反应时的阻力；与微生物的种类、生理特性有关。1/k1、1/k2与空气情况有关1/k3、1/k4、1/k5与发酵液成分、浓度有关1/k6、1/k7、1/k8与微生物的种类、特性、生理状态有关氧在传递过程中，需损失推动力以克服上述阻力，过程中需克服的总阻力等于供氧阻力和耗氧阻力之和，即：R=1/k1+1/k2+1/k3+----+1/k81/Kt=1/KG+1/KI+1/KL+1/KLB+1/KLC+1/KIS+1/KA+1/KW+1/KR当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时通过单位体积的传递速率为：NO2==推动力阻力Pi1/KiNO2—氧的传递通量(传递速率)，mol/(m3·s)Pi—各阶段的推动力（分压差），Pa1/Ki—各阶段的传递阻力，N·s/molNO2====……=CC1C2C8K1/k11/k21/k8（二）气液相间的氧传递和氧传质方程式氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中供氧方面◇由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/k3or1/kL）是氧溶于水时的限制因素。耗氧方面◇实验和计算证实，细胞壁上与液体主流中氧的浓度差很小，即1/k5很小；而或菌丝团的阻力(1/k6)对菌丝体的摄氧能力影响显著。◇在耗氧方面的主要阻力是1/k6、1/k7、1/k8。◇在搅拌和合理的工艺条件下，结团现象减少，因而能降低1/k6。◇1/k8与微生物生长及代谢的条件有关，若生长条件合适，代谢产物能及时移去，则1/k8就会减少，否则就会增大。气体吸收气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶解的物质传递过程。物质传递速度的机理，主要模型有根据Whiteman建议的稳定模型(1923年提出)与Higbie提供的不稳定模型(1935年提出)，前者以双膜学说(two-filmtheory)。()()giliNkPPkccCCiPPi气膜液膜N:传氧速率kmol/m2.hP:氧分压atmkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmC:溶氧浓度mmol/Lkl:液膜传质系数m/h气膜气液界面液膜通过气膜的传氧推动力为，继续通过液膜时推动力为：在稳定传质过程中，通过两膜的传氧速率应相等.此Pi式中和Ci均无法测量，故此式无实用价值。为了实用，应将不可测量的参数改写成与之有函数关系并且可以测量的其它参数。1、气体溶解过程的双膜理论NppNppii*根据亨利定律：iilHcpHcpHcpNppKG*1则N的表达式可以写为：NcckNppkLiLiG11，LGGkHkK11LGLkkHK111or()()giliNkPPkccNccHNppKLiiG1GGkKLGLkkHK111LLkK对易溶气体来讲：对难溶气体来讲：同样的方法可得出KL的表达式：LGLkkHK111氧气：769.2L-atm/mol；二氧化碳：29.4L-atm/mol；氢气：1282.1L-atm/mol；用总传质系数代替分传质系数，用总的传质推动力代替分推动力，把上式改写为：C*＝P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)(*)lNKccKl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a(m2/m3)(*)lNvKaccNv：体积传氧速率mol/m3.hKla(Volumetricmasstransfercoefficient):以(C*-C)为推动力的体积溶氧传递系数h-1氧传质方程内界面面积：a；单位：m2/m31LLGLdCNKaccKappKappdtHKla：体积溶氧系数，溶氧速率方程为：N：氧的传递速率[kmol/（m3·h）]；KLa：以浓度差为动力的体积溶氧系数（h-1）；KGa：以分压差为动力的体积溶氧系数[kmol/（m3·h·Mpa）]；cL：发酵液中氧浓度（kmol/m3）；c*：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）；p：气相中氧分压（MPa）；p*：与液相中氧浓度c平衡的氧分压（MPa）；H：亨利常数（m3·MPa/kmol）LOLccXQaK2XQccaKdtdcOLLL2XQccaKNOLL2aKXQccdtdcLOLL20在恒定状态下，供氧与耗氧至少必须平衡若供氧速率大于需氧速率，即KLa(C*-CL)＞r，此时发酵液中溶解氧浓度CL会不断增加，趋近于C*。若需氧速率大于供氧速率，则CL逐渐下降而趋向于零(尽管此时通气和搅拌可能仍在进行)XrQO2由上式可看出，当微生物的摄氧率不变时(假定C*在一定条件下也不变)，KLa越大，发酵液中溶解氧浓度CL也越大；所以可用KLa的大小来衡量发酵设备的通气效率。KLa=rC*-CLCL=rC*-KLa调节