溶氧在發(fā)酵工程中的重要性

發(fā)酵液中的溶氧濃度（Dissolved Oxygen ，簡稱DO）對(duì)微生物的生長和產(chǎn)物形成有著重要的影響。在發(fā)酵過程中，必須供給適量的無菌空氣，菌體才能繁殖和積累所需代謝產(chǎn)物。發(fā)酵過程中，氧的傳質(zhì)速率主要受發(fā)酵液中溶解氧的濃度和傳遞阻力 影響。清洗啤酒發(fā)酵罐的必要性啤酒出產(chǎn)進(jìn)程中，物料經(jīng)過的容器多、管路長，加之所運(yùn)用的質(zhì)料富含豐厚的營養(yǎng)物質(zhì)，致使啤酒出產(chǎn)進(jìn)程對(duì)啤酒發(fā)酵罐、管路等需求清潔頻次高、難度大。研究溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及控制對(duì)提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量等都有重要意義。

一、溶氧對(duì)發(fā)酵影響

溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響分為兩方面：一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關(guān)的能量代謝，從而影響微生物生長；另一是氧直接參與產(chǎn)物合成。

（一）溶氧對(duì)微生物自身生長的影響

專性好氧微生物把氧作為終電子受體，通過有氧呼吸獲取能量，如霉菌；進(jìn)行 此類微生物發(fā)酵時(shí)一般應(yīng)盡可能的提高溶解氧(DO)，以促進(jìn)微生物生長，增大菌體量。兼性好氧微生物的生長不一定需要氧，但如果在培養(yǎng)中供給氧，則菌體生 長更好，如酵母菌；典型如乙醇發(fā)酵，對(duì)溶DO的控制分兩個(gè)階段，初始提供高DO值進(jìn)行菌體擴(kuò)大培養(yǎng)，后期嚴(yán)格控制DO進(jìn)行厭氧發(fā)酵。厭氧和微好氧微生物能 耐受壞境中的氧，但它們的生長并不需要氧，這些微生物在發(fā)酵生產(chǎn)中應(yīng)用較少。過量的氧形成新生O，超氧化物O2-和過氧化物基O22-，破壞許多細(xì)胞組分，進(jìn)而破壞微生物生長。

因?yàn)檠鯕?的存在會(huì)促使酵母采取有氧呼吸的代謝途徑,從而破壞乙醇發(fā)酵的厭氧代謝過程。但是,研究表明無氧條件下發(fā)酵生成的乙醇低于溶氧控制在1%-4%條件下生成 的乙醇。(2)由一根直徑為25-SOmm的管子制成，下部曲折成環(huán)狀或長方形，在底面的曲折部分則鉆有c}3}8rnm的小孔，即鼓泡器，抗1生1素發(fā)酵罐的進(jìn)氣比約為1:0。這主要是由于無氧條件下的菌體量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有氧條件下菌體量,而乙醇的生成與菌體量有很大的聯(lián)系。

類似微生物發(fā)酵的活性污泥法處理污水的過 程中，DO的影響及控制也十分重要。曝氣池中氧氣不足和過量都會(huì)對(duì)微生物生存環(huán)境帶來不利影響.當(dāng)氧氣不足時(shí),一方面由于曝氣池中絲狀菌會(huì)大量繁殖,終 產(chǎn)生污泥膨脹;另一方面會(huì)降低細(xì)1菌分解的效果,延長處理時(shí)間,甚至導(dǎo)致生物處理失效.而氧氣過量(即過量曝氣)則會(huì)由于絮凝劑遭到破壞而導(dǎo)致懸浮固體沉降 性變差,同時(shí)使能耗過高。在好氣深層發(fā)酵罐中，來自無菌空氣系統(tǒng)的壓縮空氣通過空氣分布器射入發(fā)酵罐內(nèi)，分布器有單孔管式和多孔管式。

發(fā)酵罐的重要系數(shù)的分析

　　一般發(fā)酵罐的高徑比為1.7-2.5之間，高徑比大有利于傳熱和溶氧，攪拌剪切力大。發(fā)酵罐的攪拌裝置包括機(jī)械攪拌和非機(jī)械攪拌。通風(fēng)發(fā)酵的攪拌裝置包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、攪拌軸、軸密封裝置和攪拌槳。機(jī)械攪拌的目的是迅速分散氣泡和混合加入物料。一個(gè)攪拌槳要同時(shí)達(dá)到這兩個(gè)目的，有時(shí)是矛盾的。例如，達(dá)到混合功能需要大直徑的攪拌器和采用低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而提高分散氣泡效果則需要多葉片、小直徑和大的轉(zhuǎn)速。發(fā)酵罐廣泛應(yīng)用于飲料、化工、食品、乳品、佐料、釀酒、制藥等行業(yè)，起發(fā)酵作用。電動(dòng)機(jī)輸入功率決定于攪拌槳形式和其他發(fā)酵罐部件。發(fā)酵罐內(nèi)常安裝4塊擋板以增加混合、傳熱和傳質(zhì)效率。擋板之寬度為發(fā)酵罐直徑的10%~12%，擋板越寬則混合效果越好。在好氣深層發(fā)酵罐中，來自無菌空氣系統(tǒng)的壓縮空氣通過空氣分布器射入發(fā)酵罐內(nèi)，分布器有單孔管式和多孔管式。

　　微生物在繁殖和耗氧發(fā)酵過程中都需要氧氣，通常以空氣作為氧源?？諝庵泻懈魇礁鳂拥奈⑸?，這些微生物隨著空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會(huì)大量繁殖，消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)，以及產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)品的效價(jià)降低，產(chǎn)量下降，甚至造成發(fā)酵徹底失敗等嚴(yán)重事故。6在空消、實(shí)消結(jié)束后冷卻過程中，嚴(yán)禁發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，以免造成污染，甚至損壞設(shè)備。

　　發(fā)酵設(shè)備是廣泛用于微生物生長的一種反應(yīng)設(shè)備。在發(fā)酵罐中各種微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中生長、新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵設(shè)備目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于制藥、味精、酶制劑、食品等行業(yè)。

　　發(fā)酵設(shè)備罐型可分為兩大類：一類是嫌氣發(fā)酵的錐型（如酒精發(fā)酵），另一類是為氣發(fā)酵的罐型（如標(biāo)準(zhǔn)式、伍式、自吸式等）。這類設(shè)備尤以標(biāo)準(zhǔn)式罐型使用為普遍。我廠設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐系列圖紙資料屬于標(biāo)準(zhǔn)式罐型。在設(shè)計(jì)各種規(guī)格的發(fā)酵設(shè)備時(shí)，做到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，有足夠的強(qiáng)度和使用壽命，力求設(shè)備內(nèi)部附件少，表面光滑，注意到要有良好的氣棗汽接觸和汽刺固混和性能，使物質(zhì)傳遞，氣體交換有效地進(jìn)行。滅菌時(shí)間到后，依次關(guān)閉已開的各進(jìn)汽閥門，關(guān)閉蒸汽總閥門，完全放開罐內(nèi)尾氣排氣閥放掉罐內(nèi)壓力，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器電源。有足夠的熱交換面積，以保證發(fā)酵能在適宜的溫度下進(jìn)行。重視設(shè)備的密封性能以保證滅菌操作。

　　我廠設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐為標(biāo)準(zhǔn)式罐型，這種罐型當(dāng)公稱容積在6M3以下時(shí)罐采用夾套式。發(fā)酵氣的冷卻或加熱，均由夾套來完成。公稱容積為6M3以上時(shí)，發(fā)酵氣的冷卻由立式排管來擔(dān)負(fù)，在罐內(nèi)排管的連接方面我們作了改進(jìn)。研究了不同溶氧對(duì)谷氨酸發(fā)酵中兩個(gè)關(guān)鍵酶(谷氨酸脫氫酶GDH和乳酸脫氫酶LDH)和代謝流的影響,研究表明,在過低溶氧條件下,TCA循環(huán)代謝流量減小,不足以平衡葡萄糖酵解速率,從而刺激了LDH的酶活,使代謝流轉(zhuǎn)向乳酸生成,造成乳酸積累。這主要避免在罐體上多開孔，開成死角。這種連續(xù)方式在實(shí)際使用中得到滿意的效果。

　　罐內(nèi)設(shè)置的擋板，用于提高攪拌效率，罐內(nèi)有無擋板直接影響發(fā)酵汽翻動(dòng)的狀況，所以罐內(nèi)按裝擋板顯得十分重要，根據(jù)有關(guān)資料對(duì)設(shè)置的擋板數(shù)量的增減及葉寬尺寸的變化測(cè)得的數(shù)據(jù)來看，罐內(nèi)采用4塊或6塊擋板，板寬度在1/12~1/10塊，對(duì)提高攪拌效率為理想。因此，發(fā)酵罐材質(zhì)的選擇以及合理設(shè)計(jì)，對(duì)葡萄酒的浸漬起到了關(guān)鍵性的作用。