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大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程是好氧的,因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量,則葡萄糖的氧化可由下式表示:
C6H12O6
十6O2=6H2O十6CO2
只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后,才對(duì)菌體有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約6000倍左右(氧在水中的飽和度約為l0mg/L)
。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制,因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。五、氧對(duì)發(fā)酵的影響1、發(fā)酵過(guò)程中氧的需求盡管考慮了呼吸的化學(xué)計(jì)量而使供氧問(wèn)題得以正確評(píng)價(jià),但由于未曾將轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的碳加以考慮而使菌體的真實(shí)需氧情況難以表明。許多研究工作者已經(jīng)考慮到氧、碳源、氮源轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的總化學(xué)計(jì)量關(guān)系,并利用這樣的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)酵的需氧情況。從這些測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌體的需氧似乎完全取決于培養(yǎng)基中的碳源。
描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度(QO2):?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量的細(xì)胞所消耗的氧氣,mmolO2·g菌-1·h-1
攝氧率(r):?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.XCCrQO2CL臨界氧濃度(C臨):指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度,或微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。一般對(duì)于微生物:CCr:=1~25%飽和濃度■某些微生物的臨界氧濃度微生物溫度(?C)臨界氧濃度(mmol/L)固氮菌300.018大腸桿菌370.008酵母300.004產(chǎn)黃青霉240.0222、溶氧對(duì)發(fā)酵的影響由此可知,只有使溶氧濃度高于其臨界值,才能維持菌體的最大比攝氧率,得到最大的菌體合成量。如果溶氧濃度低于臨界值,則菌體代謝受到干擾。但是,發(fā)酵工業(yè)的目標(biāo)是要得到菌體發(fā)酵的產(chǎn)物而不是菌體本身。因此,由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾,可能對(duì)形成某些產(chǎn)物是有利的;同理,當(dāng)提供的氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值時(shí),雖對(duì)菌體形成無(wú)妨,但也許能刺激產(chǎn)物的形成;所以,某種產(chǎn)物形成的最佳條件可能不同于菌體生長(zhǎng)的最佳通氣條件。
根據(jù)需氧不同,可將初級(jí)代謝發(fā)酵分為:
a.供氧充足條件下,產(chǎn)量最大;若供氧不足,合成受強(qiáng)烈抑制;如:谷氨酸,精氨酸,脯氨酸等
b.供氧充足條件下,可得最高產(chǎn)量;若供氧受限,產(chǎn)量受影響不明顯;如:異亮氨酸,賴氨酸,蘇氨酸等
c.若供氧受限,細(xì)胞呼吸受抑制時(shí),才獲得最大量產(chǎn)物;若供氧充足,產(chǎn)物形成反而受抑制;如:亮氨酸,纈氨酸,苯丙氨酸等但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需注意:溶解氧濃度過(guò)低(代謝異常,產(chǎn)量降低)溶解氧濃度過(guò)高(代謝異常,菌體提前自溶)3、發(fā)酵過(guò)程的溶氧變化紅霉素發(fā)酵過(guò)程中溶氧和粘度的變化發(fā)酵前期:由于微生物大量繁殖,需氧量不斷大幅度增加,此時(shí)需氧超過(guò)供氧,溶氧明顯下降發(fā)酵中后期:溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響,如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等發(fā)酵后期:由于菌體衰老,呼吸減弱,溶氧濃度也會(huì)逐步上升,一旦菌體自溶,溶氧就會(huì)明顯地上升4、溶氧的控制調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度,使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平;并以補(bǔ)料方式供給某些營(yíng)養(yǎng)成分而控制菌體生長(zhǎng)率和呼吸率。
發(fā)酵過(guò)程的控制一般策略:前期有利于菌體生長(zhǎng),中后期有利用產(chǎn)物的合成。溶氧控制的一般策略:前期大于臨溶氧濃度,中后期滿足產(chǎn)物的形成。六、CO2對(duì)發(fā)酵的影響及控制CO2是微生物的代謝產(chǎn)物,同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過(guò)程中,CO2有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用,也有可能有抑制作用。1、CO2對(duì)發(fā)酵的影響CO2對(duì)菌體有影響。對(duì)菌體刺激。例如:環(huán)狀芽孢桿菌等的發(fā)芽孢子在開(kāi)始生長(zhǎng)時(shí),就需要CO2,并將此現(xiàn)象稱為CO2現(xiàn)象。對(duì)菌體抑制,當(dāng)排氣中CO2的濃度高于4%時(shí),微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如:發(fā)酵液中CO2的濃度達(dá)到1.6×10-2mol,就會(huì)嚴(yán)重抑制酵母的生長(zhǎng);當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的80%時(shí),酵母活力與對(duì)照相比降低20%。CO2對(duì)發(fā)酵也有影響對(duì)發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖,最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2。對(duì)發(fā)酵抑制。如對(duì)肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制。影響發(fā)酵液的酸堿平衡
CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變,影響到細(xì)胞膜的輸送效率,導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位;HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。2、CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理3、CO
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