Cómo mejorar la eficiencia de la transferencia de oxígeno en la fermentación aeróbica

En el cultivo profundo aeróbico, el suministro de oxígeno es a menudo uno de los factores limitantes importantes para el éxito de la fermentación. La eficiencia de ventilación mejorada reduce la cantidad de aire utilizado, lo que reduce la posibilidad de formación de espuma y contaminación bacteriana.

1. El impacto del oxígeno disuelto en la fermentación

El oxígeno disuelto es uno de los parámetros más importantes para el control de la fermentación aeróbica. Dado que la solubilidad del oxígeno en el agua es muy pequeña, también lo es la solubilidad en el caldo de fermentación. Por lo tanto, se requiere ventilación y agitación constantes para satisfacer las necesidades de oxígeno de los diferentes procesos de fermentación. El tamaño del oxígeno disuelto tendrá diferentes efectos sobre el crecimiento bacteriano y la formación y rendimiento de productos. Por ejemplo, en la fermentación del ácido glutámico, cuando el suministro de oxígeno es insuficiente, la acumulación de ácido glutámico se reducirá significativamente, produciendo grandes cantidades de ácido láctico y ácido succínico.

La fermentación aeróbica no significa que cuanto mayor sea el oxígeno disuelto, mejor. Aunque un nivel elevado de oxígeno disuelto es beneficioso para el crecimiento bacteriano y la síntesis de productos, demasiado oxígeno disuelto a veces inhibe la formación de productos. Porque, para evitar la fermentación en condiciones limitantes de oxígeno, es necesario examinar la concentración crítica de oxígeno y la concentración óptima de oxígeno de cada producto de fermentación, y mantener el proceso de fermentación en la concentración óptima. La concentración óptima de oxígeno disuelto está relacionada con las características anabólicas y metabólicas de las bacterias y productos, la cual se determina experimentalmente. Según los diferentes requisitos aeróbicos de la fermentación, se puede dividir en tres categorías: la primera categoría incluye aminoácidos del ácido glutámico como el ácido glutámico, la glutamina, la arginina y la prolina. Su rendimiento sólo se puede lograr en condiciones de suficiente respiración bacteriana. Los más grandes, si el suministro de oxígeno es insuficiente, la síntesis de aminoácidos se inhibirá fuertemente y el ácido láctico y el ácido succínico se acumularán en grandes cantidades. La segunda categoría incluye isoleucina, lisina, treonina y ácido aspártico, es decir, ácido aspártico para ácido; aminoácidos, el rendimiento más alto se puede lograr con un suministro suficiente de oxígeno, pero con un suministro limitado de oxígeno, el rendimiento no se ve afectado significativamente; la tercera categoría incluye leucina, valina y fenilalanina, que solo se pueden producir cuando el suministro de oxígeno es limitado y cuando el suministro celular es limitado; Se inhibe la respiración, se puede obtener la cantidad máxima de aminoácidos. Si el suministro de oxígeno es suficiente, se inhibe la formación de productos.

La razón de la diferencia mencionada anteriormente en el grado de síntesis aeróbica de los aminoácidos es causada por sus diferentes vías biosintéticas. Las diferentes vías metabólicas producen diferentes cantidades de NAD(P)H. la oxidación requiere La cantidad de oxígeno disuelto también es diferente. El primer tipo de aminoácido se forma a través de dos vías: el ciclo del glioxilato y el sistema de carboxilación del fosfoenolpiruvato, y produce la mayor cantidad de NADH. Por tanto, la demanda de oxígeno para la oxidación y regeneración del NADH es mayor. Cuanto más oxígeno se suministre, más fluida será la síntesis de aminoácidos. El segundo tipo de vía sintética es el ciclo del glioxilato que produce NADH o el sistema de carboxilación de fosfoenolpiruvato que consume NADH. La cantidad de NADH producida no es grande, por lo que no está obviamente relacionada con la cantidad de suministro de oxígeno. La tercera categoría, como la síntesis de fenilalanina, no pasa por el ciclo del TCA y la producción de NADH es muy pequeña. El suministro excesivo de oxígeno tiene un efecto inhibidor. Se encontraron resultados similares para la fermentación de inosina. Se puede observar que el tamaño del suministro de oxígeno está relacionado con la ruta biosintética del producto.

En el proceso de fermentación antibiótica, existe una concentración crítica de oxígeno en la etapa de crecimiento de las bacterias y la síntesis del producto. etapa, que son Clin′ y C Pro〞. La relación entre los dos es: ① aproximadamente la misma; ②C Pro′﹥C Pro〞③C Pro′﹤C Pro〞.

2. oxígeno

Los microorganismos aeróbicos requieren oxígeno para su crecimiento y metabolismo, por lo que el suministro de oxígeno debe satisfacer las necesidades de los microorganismos en diferentes etapas. En diferentes condiciones ambientales, la absorción de oxígeno o la intensidad de la respiración de varios microorganismos es diferente. p>

El consumo de oxígeno de los microorganismos se expresa comúnmente mediante dos métodos: intensidad respiratoria y tasa de consumo de oxígeno. La intensidad respiratoria se refiere a la cantidad de oxígeno absorbida por una unidad de masa de bacterias secas en una unidad de tiempo, expresada en QO2, y la unidad es mmolO2/(g de células bacterianas secas?h) Cuando el oxígeno se convierte en la condición limitante, la tasa de consumo de oxígeno específico es:

QO2=(QO2)mCL/(KCL)

(QO2 )m --------Tasa máxima de consumo específico de oxígeno, mol /(kg.s)

K0 --------Constante de Michaelis de oxígeno, mol /m3

CL----------Concentración de oxígeno disuelto, mol/m3

La tasa de absorción de oxígeno se refiere al consumo de oxígeno por unidad de volumen de solución de cultivo por La unidad de tiempo, expresada en r, es mmolO2/(L·h). La intensidad de la respiración puede indicar la absorción relativa de oxígeno de los microorganismos. Sin embargo, cuando hay componentes sólidos en el medio de cultivo, es difícil de medir. En este caso, se puede expresar la tasa de consumo de oxígeno.

La tasa de absorción de oxígeno de los microorganismos durante el proceso de fermentación depende de la intensidad de la respiración de los microorganismos y de la concentración de células por unidad de volumen.

La tasa de consumo específico de oxígeno de los microorganismos se ve afectada por muchos factores. Cuando no hay otros sustratos limitantes en el medio de cultivo, la tasa de consumo específico de oxígeno aumenta con el aumento de la concentración de oxígeno disuelto hasta cierto punto. La tasa de consumo de oxígeno ya no aumenta con el aumento de la concentración de oxígeno disuelto. La concentración de oxígeno disuelto en este momento se denomina concentración crítica de oxígeno en la respiración, expresada como Ccr. La concentración respiratoria crítica de oxígeno disuelto generalmente se refiere a la concentración de oxígeno más baja permitida sin afectar la respiración bacteriana. Por ejemplo, para la formación de productos, se denomina concentración respiratoria crítica de oxígeno para la síntesis del producto.

Cuando no existen otros sustratos limitantes, la concentración de oxígeno disuelto es superior al valor crítico, y la tasa de consumo específico de oxígeno de las células se mantiene constante por debajo de la concentración crítica de oxígeno, la tasa de respiración de los microorganismos disminuye; significativamente a medida que disminuye la concentración de oxígeno disuelto, las células se encuentran en un estado semianaeróbico y se dificultan las actividades metabólicas. El oxígeno necesario para mantener la respiración y el metabolismo microbiano en el fluido de cultivo debe mantener un equilibrio entre el suministro y el consumo de oxígeno para satisfacer la utilización microbiana del oxígeno.

Se puede observar que sólo cuando la concentración de oxígeno disuelto es mayor que su concentración crítica de oxígeno, se puede mantener la tasa máxima de consumo de oxígeno específico de las células bacterianas, de modo que las células bacterianas puedan obtener la máxima síntesis. cantidad. Sin embargo, dado que el propósito de la fermentación es obtener productos de fermentación, la interferencia con el metabolismo celular causada por la falta de oxígeno puede ser beneficiosa para la formación de ciertos productos. Por tanto, la fermentación aeróbica no significa que cuanto mayor sea el oxígeno disuelto, mejor. Incluso para algunas bacterias aeróbicas obligadas, el exceso de oxígeno disuelto puede ser perjudicial para el crecimiento. Los efectos nocivos del oxígeno se manifiestan mediante la formación de O naciente, radical superóxido O2- y radical peróxido O22- o radical hidroxilo OH-, destruyendo muchos componentes celulares. Algunas enzimas con grupos sulfhidrilo son sensibles a altas concentraciones de oxígeno. Los microorganismos aeróbicos han desarrollado mecanismos, como la formación de catalasa, peroxidasa y superóxido dismutasa, para protegerlos de la destrucción por el oxígeno. Aunque un nivel elevado de oxígeno disuelto es beneficioso para el crecimiento bacteriano y la síntesis de productos, demasiado oxígeno disuelto a veces inhibe la formación de productos. Para evitar la fermentación en condiciones limitantes de oxígeno, es necesario examinar la concentración crítica de oxígeno y la concentración óptima de oxígeno de cada producto de fermentación, y mantener el proceso de fermentación en la concentración óptima. La concentración óptima está relacionada con las características anabólicas de las bacterias y del producto, la cual se determina experimentalmente. En la producción de fermentación, la cantidad de suministro de oxígeno debe determinarse de acuerdo con condiciones específicas, como diferentes cepas de bacterias, condiciones de fermentación y etapas de fermentación.

Por ejemplo, durante la fermentación del ácido glutámico, durante la fase de crecimiento celular, se espera que el consumo de azúcar se aproveche al máximo para la síntesis de las células bacterianas, mientras que durante la fase de producción de glutamato, Se espera que el consumo de azúcar se aproveche al máximo para la síntesis de las bacterias. Por lo tanto, durante el período de crecimiento de las células bacterianas, el suministro de oxígeno debe satisfacer la demanda de oxígeno de las células bacterianas para la respiración, es decir, r = Qo2c (X) si no se puede satisfacer la demanda de oxígeno de las células bacterianas, las bacterias. Se inhibirá la respiración y se inhibirá el crecimiento, provocando la acumulación de subproductos como el ácido láctico y reduciendo la producción de células bacterianas. Sin embargo, cuanto mayor sea el suministro de oxígeno, mejor. Cuando el suministro de oxígeno satisface las necesidades de las bacterias, la tasa de crecimiento de las bacterias alcanza el máximo. Si se aumenta el suministro de oxígeno, no solo dejará de promover el crecimiento y provocará desechos. , pero también inhibe el crecimiento debido a los altos niveles de oxígeno. Al mismo tiempo, las bacterias que crecen en niveles elevados de oxígeno no pueden producir glutamato de forma eficaz.

3. Factores que afectan la demanda microbiana de oxígeno

Hay muchos factores que afectan la demanda microbiana de oxígeno durante la fermentación microbiana aeróbica, además de estar relacionados con las características genéticas de las propias bacterias. y también relacionado con los siguientes factores:

1. Medio de cultivo

La composición y concentración del medio de cultivo tienen un impacto significativo en la demanda de oxígeno de las bacterias productoras. El tipo y la concentración de las fuentes de carbono en el medio de cultivo tienen un impacto particularmente significativo en la demanda de oxígeno de los microorganismos. En términos generales, dentro de un cierto rango de fuentes de carbono, la demanda de oxígeno aumenta a medida que aumenta la concentración de las fuentes de carbono. Durante el proceso de fermentación por lotes alimentados, la demanda de oxígeno de las bacterias cambia con la concentración de la fuente de carbono agregada. Generalmente, después de la alimentación, la tasa de absorción de oxígeno aumenta en diversos grados.

2. Edad bacteriana y concentración celular

Las diferentes cepas de producción tienen diferentes requerimientos de oxígeno. Las diferentes etapas de crecimiento de la misma cepa de bacterias tienen diferentes necesidades de oxígeno. En términos generales, la intensidad respiratoria de las bacterias en la etapa de crecimiento logarítmico es mayor y la tasa de absorción de oxígeno en la etapa de crecimiento es mayor que la tasa de absorción de oxígeno en la etapa de síntesis del producto. Durante la fermentación discontinua, la tasa de consumo de oxígeno alcanza un máximo en la fase logarítmica tardía. Por lo tanto, se cree que cuando la tasa de absorción de oxígeno del medio de cultivo alcanza el nivel más alto, indica que la concentración bacteriana en el medio de cultivo ha alcanzado el valor máximo.

3. La influencia de la concentración de oxígeno disuelto en el medio de cultivo

Durante el proceso de fermentación, la concentración de oxígeno disuelto (CL) en el medio de cultivo es superior a la concentración crítica de oxígeno ( C) para el crecimiento bacteriano (durante mucho tiempo), la respiración de las bacterias no se verá afectada y las diversas actividades metabólicas de las bacterias no se verán alteradas si la CL en el medio de cultivo es inferior a C durante un tiempo prolongado. Con el tiempo, los diversos metabolismos bioquímicos de las bacterias se verán afectados, lo que provocará una inhibición irreversible del crecimiento bacteriano y la síntesis de productos.

4. Condiciones de cultivo

Varios experimentos han demostrado que el valor crítico de la intensidad de la respiración microbiana no solo se ve afectado por la composición del medio de cultivo, sino también relacionado con las condiciones de cultivo, como pH y temperatura de la solución de cultivo. En general, cuanto más alta es la temperatura, más ricos son los nutrientes y, en consecuencia, también aumenta el valor crítico de la intensidad respiratoria.

5. Formación y acumulación de productos tóxicos

Durante el proceso de fermentación, en ocasiones se producen algunos metabolitos como el CO2 que son tóxicos para el crecimiento bacteriano. La exclusión del medio ambiente afectará inevitablemente al organismo. respiración de las bacterias, afectando así las actividades metabólicas de las bacterias.

6. Pérdida de intermediarios volátiles

Durante el proceso de metabolismo del azúcar, en ocasiones se producen algunos ácidos orgánicos volátiles, que se pierden con grandes cantidades de ventilación, afectando así a las bacterias. metabolismo.

4. Transferencia de oxígeno en caldo de fermentación

1. Resistencia a la transferencia de oxígeno

En el proceso de fermentación aeróbica, primero se debe disolver el oxígeno gaseoso en el medio de cultivo. la base, luego puede transferirse a la superficie celular y luego ingresar a la posición de las enzimas respiratorias en la célula mediante difusión simple y usarse para participar en la oxidación y otras reacciones bioquímicas en las bacterias. Esta serie de procesos de transferencia de oxígeno debe superar varias resistencias en el suministro y la demanda de oxígeno para completarse.

2. Ecuación de transferencia de oxígeno

(1) Teoría de la doble membrana

Durante la fermentación microbiana, el oxígeno contenido en el aire que fluye hacia el tanque de fermentación se disuelve continuamente. En medio de cultivo satisface las necesidades metabólicas de las células bacterianas. La transferencia de oxígeno de la fase gaseosa a la fase líquida es el proceso de transferencia de oxígeno entre las fases gaseosa y líquida. En este proceso de transferencia, se puede ignorar la resistencia 1/KI en la interfaz gas-líquido y la resistencia de transferencia 1. /KLB en la corriente principal de líquido puede ser muy pequeño. La principal resistencia de transmisión en este momento existe en la película de gas y la película de líquido. Para describir este proceso de transferencia, la teoría más utilizada es la teoría de la doble membrana.

Esta teoría supone que existe una interfaz entre la burbuja y el líquido que rodea la burbuja. Hay una película de gas en el lado de la burbuja de la interfaz y una película de líquido en el lado del líquido de la interfaz. Las moléculas de gas en la membrana y las moléculas de líquido en la película líquida están en un estado de flujo laminar. No hay movimiento de convección entre las moléculas. Por lo tanto, las moléculas de oxígeno solo pueden atravesar la doble membrana mediante difusión. con la ayuda de la diferencia de concentración, además, las moléculas de gas en las burbujas se eliminan. Las moléculas de gas fuera de la película de aire están en estado de convección y se denominan cuerpo principal del flujo de aire. El espacio de la corriente principal de aire es el mismo y lo mismo ocurre con el cuerpo principal del flujo de líquido.

(1) Factores que afectan la fuerza impulsora de la transferencia de masa de oxígeno

Si desea aumentar la fuerza impulsora de la transferencia de oxígeno (C*-CL), debe intentar aumentar C * o reducir CL.

1. Métodos para aumentar la concentración de oxígeno disuelto saturado C*

A. Temperatura: bajar la temperatura

B. caldo de fermentación Cuanto mayor sea el contenido de soluto, menor será la solubilidad del oxígeno.

C. Presión parcial de oxígeno: cuando la presión total del sistema es inferior a 0,5 MPa, la solubilidad del oxígeno en la solución está solo en una relación lineal con la presión parcial de oxígeno. A medida que aumenta la concentración de oxígeno en la fase gaseosa, también aumenta la concentración de oxígeno en la solución.

Si desea aumentar la C*, debe bajar la temperatura del cultivo o reducir el contenido de nutrientes en el medio de cultivo, o aumentar la presión parcial de oxígeno en el tanque de fermentación (es decir, aumentar la presión del tanque ). La implementación de estos métodos tiene todas limitaciones importantes. Se sabe que la composición y concentración de cultivo del medio de fermentación se determinan en función de las características fisiológicas de la cepa de producción y las necesidades de biosíntesis de metabolitos, y no se pueden cambiar arbitrariamente. Sin embargo, a veces en las etapas media y tardía de la fermentación por lotes, debido a que la viscosidad del líquido de fermentación es demasiado alta, se agrega un poco de agua esterilizada para reducir la viscosidad aparente del líquido de fermentación y mejorar el efecto de ventilación. El método para aumentar la presión parcial de oxígeno consiste en aumentar la presión del tanque de fermentación e introducir oxígeno puro en el líquido de fermentación. Aumentar la presión del tanque reducirá el volumen de las burbujas, reducirá el área de contacto gas-líquido, afectará la tasa de transferencia de oxígeno y reducirá la solubilidad del oxígeno. Afecta la intensidad respiratoria de las bacterias y aumenta la carga sobre el equipo. La administración de oxígeno puro puede aumentar significativamente la CL, pero este método no es económico ni seguro y es propenso a la intoxicación microbiana por oxígeno.

(2).Reducir el CL en el caldo de fermentación

Para reducir el CL en el caldo de fermentación, se puede reducir el KLa reduciendo la ventilación o reduciendo la velocidad de agitación, de modo que el El CL en el caldo de fermentación se puede reducir. El CL disminuye. Sin embargo, la CL en el caldo de fermentación no puede ser inferior a la C crítica durante el proceso de fermentación, de lo contrario afectará la respiración de los microorganismos. La capacidad de suministro de oxígeno de los equipos utilizados actualmente para la fermentación se ha convertido en uno de los principales factores que limitan la síntesis de muchos productos, por lo que este método no es el ideal.

(2) Factores que afectan el coeficiente de transferencia de oxígeno del volumen de la fase líquida KLa

Después de investigaciones y prácticas de producción a largo plazo, se ha confirmado que los principales factores que afectan el KLa del equipo de fermentación incluyen la eficiencia de agitación, el caudal de aire, las propiedades físicas y químicas del caldo de fermentación, el estado de la espuma, la forma del distribuidor de aire y la estructura del tanque de fermentación, etc. La relación entre el KLa medido experimentalmente y la eficiencia de agitación, la tasa de aireación, las propiedades físicas y químicas del caldo de fermentación, etc. se puede expresar mediante la siguiente fórmula empírica:

KLa=K〔 (P/V)α〕 . (VS)β(ηapp)-ω)

Donde P/V——consumo de energía real por unidad de volumen de caldo de fermentación (refiriéndose a las condiciones de aireación, kW/m3);

VS——velocidad lineal del aire, m/h;

ηapp——viscosidad aparente del líquido de fermentación, (kg·s)/m';

α, β, ω— — Índice, relacionado con la forma del agitador y distribuidor de aire, etc.

K——constante empírica.

1. Efecto de la eficiencia de agitación en KLa

Las funciones de instalar un agitador en el tanque de fermentación son: ① Uniformar la temperatura y la concentración de nutrientes en el tanque de fermentación, de modo que la el líquido de fermentación se compone de El sistema trifásico está completamente mezclado; ② El aire introducido en el caldo de fermentación se dispersa en pequeñas burbujas, aumentando el área de contacto aire-líquido y aumentando el valor de KLa ⑧ Fortaleciendo la turbulencia del caldo de fermentación, reducir el espesor de la película líquida alrededor de las burbujas y la turbulencia en la turbulencia Resistencia al fluido, aumentando así la tasa de transferencia de oxígeno ④ Reducir la aglomeración de hifas y reducir la resistencia de la película líquida alrededor de la pared celular, lo que es beneficioso para la absorción de oxígeno por Las bacterias y, al mismo tiempo, los "gases de escape" y los "desechos" producidos por el metabolismo celular se pueden eliminar lo más rápido posible, lo que es beneficioso para las actividades metabólicas de las células. Cabe señalar que si la velocidad de agitación es rápida, el micelio se dañará debido al aumento de la velocidad de corte, lo que afectará el metabolismo normal del micelio y desperdiciará energía.

2. Caudal de aire

KLa aumenta con el aumento del caudal de aire y el índice β es de aproximadamente 0,4 a 0,72, que varía según el tipo de agitador. Pero cuando el caudal de aire es demasiado alto, el agitador aparecerá como "inundación de gas" y KLa ya no aumentará. El fenómeno de "inundación de gas" se refiere al fenómeno de que, bajo ciertas condiciones, cuando el caudal de aire en el tanque de fermentación alcanza un cierto valor, la potencia de agitación disminuirá.

Cuando el caudal de aire aumenta nuevamente, la potencia de agitación ya no aumentará. El caudal de aire en este momento se denomina "punto de inundación". El punto de inundación de un tanque de fermentación con agitador está relacionado principalmente con la forma de la paleta agitadora, el diámetro y la velocidad de rotación del agitador, la velocidad lineal del aire, etc.

Para ciertos equipos, existe una correlación positiva entre el caudal de aire y el flujo de aire. Los cambios en el flujo de aire inevitablemente causarán cambios en la velocidad del flujo de aire. Se sabe que los cambios en el caudal de aire provocarán cambios en el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno KLa. Cuando el caudal de aire alcanza el punto de inundación, KLa ya no aumentará. De esta manera, los cambios en el flujo de aire también cambiarán KLa. Cuando el flujo de aire alcanza un cierto valor, KLa ya no aumentará, como se muestra en la Figura 7-5. Por lo tanto, el caudal de aire (o caudal) debe controlarse durante el proceso de fermentación para que no se escapen burbujas grandes de la superficie del líquido cerca del eje de agitación.

Los efectos de la potencia de agitación y el caudal de aire en KLa Los experimentos han demostrado que el impacto de la potencia de agitación en el rendimiento de antibiótico es mucho mayor que el caudal de aire. La alta velocidad de agitación no sólo dispersa completamente el aire en el tanque y aumenta el área de contacto gas-líquido, sino que también prolonga el tiempo de residencia del aire en el tanque. Un caudal de aire excesivo no favorece la dispersión y retención de aire en el tanque. También provoca la concentración del líquido de fermentación y afecta la transferencia de oxígeno. Sin embargo, el caudal de aire es demasiado bajo y los gases residuales generados por el metabolismo no se pueden eliminar a tiempo, etc., lo que también afectará la transferencia de oxígeno. Por lo tanto, para mejorar la capacidad de suministro de oxígeno del tanque de fermentación, es un método eficaz aumentar la potencia de agitación y reducir adecuadamente el caudal de aire.

3. Influencia de las propiedades físicas y químicas del caldo de fermentación

KLa es inversamente proporcional a la viscosidad aparente etaapp del caldo de fermentación. Muestra que las propiedades reológicas del caldo de fermentación son uno de los principales factores que afectan al KLa. El caldo de fermentación está compuesto de nutrientes, células bacterianas en crecimiento y metabolitos.

Debido al crecimiento de microorganismos y diversos efectos metabólicos, la composición del caldo de fermentación cambia constantemente. El consumo de nutrientes, la concentración bacteriana, la morfología del micelio y la síntesis de ciertos metabolitos pueden provocar cambios en la viscosidad del caldo de fermentación, provocando la El proceso de fermentación cambia. El caldo de fermentación exhibe una variedad de propiedades reológicas.

El medio de cultivo que utiliza almidón como fuente de carbono es un fluido no newtoniano. Durante el proceso de fermentación, sus propiedades reológicas continúan cambiando con el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Por ejemplo, cuando se produce clortetraciclina, se utiliza almidón como fuente de carbono. Cuando se inocula, el medio tiene una propiedad fluida plástica. Después de la fermentación durante 22 horas, debido al metabolismo de los microorganismos, la viscosidad del líquido de fermentación cae a un nivel muy bajo. nivel (menos de 18 Pa·s), mostrando propiedades de fluido newtoniano. A partir de las 22 horas, a medida que la concentración de micelio continúa aumentando, la viscosidad del caldo de fermentación aumenta gradualmente hasta alcanzar los 90 Pa·s, mostrando las propiedades de un fluido plástico hinchable.

Durante el proceso de fermentación, la concentración y morfología de las bacterias muestran cierta influencia en la tasa de transferencia de oxígeno. Cuando es fermentado por muchas bacterias y levaduras, el líquido de fermentación tiene baja viscosidad y exhibe propiedades de fluido newtoniano, lo que no tiene ningún efecto sobre la transferencia de oxígeno. La mayoría de las veces, el caldo de fermentación de mohos y actinomicetos es un fluido no newtoniano de alta viscosidad, lo que tiene un gran impacto en la transferencia de oxígeno. En la fermentación de células individuales y bacterias filamentosas, la tasa de absorción de oxígeno en la fase de crecimiento logarítmico es la misma. Sin embargo, bajo la condición de que la concentración de oxígeno disuelto sea limitada, la tasa de absorción de oxígeno del caldo de fermentación de células individuales no cambia cuando. Se alcanza el período de equilibrio, sin embargo, la tasa de absorción de oxígeno del caldo de fermentación de bacterias filamentosas disminuyó significativamente. La razón es que la concentración de caldo de fermentación de bacterias filamentosas aumentó, lo que aumentó la viscosidad del caldo de fermentación, lo que resultó en una disminución en el valor de KLa. lo que a su vez condujo a una disminución en la tasa de absorción de oxígeno de las bacterias. En la fermentación de penicilina, debido al aumento continuo de la concentración de micelio, la viscosidad del caldo de fermentación continúa aumentando, pero KLa disminuye en consecuencia.

Durante el proceso de cultivo sumergido, por efecto de la agitación, algunas bacterias (especialmente los mohos) forman esferoides discontinuos, y algunas forman filamentos alternos. En términos generales, el líquido de fermentación esferoidal tiene baja viscosidad y exhibe propiedades de fluido newtonianas, mientras que el filamento aumentará en gran medida la viscosidad del caldo de fermentación y exhibe propiedades de fluido no newtonianas. La intensidad de la agitación afecta la morfología de las células bacterianas. Las altas velocidades de cizallamiento pueden reducir la formación de grupos miceliales. Por ejemplo, en la fermentación de penicilina, las altas velocidades de agitación pueden causar fácilmente que las células bacterianas produzcan hifas ramificadas, mientras que las bajas velocidades de agitación pueden causar fácilmente la formación de hifas. células bacterianas para formar grupos miceliales o crecimientos largos.

En general, el impacto de los metabolitos biosintetizados por microorganismos sobre las propiedades reológicas del caldo de fermentación es relativamente pequeño.

4. Efecto de la espuma

Durante el proceso de fermentación se produce espuma en el líquido de fermentación debido a la ventilación y agitación. Si se forma espuma fluida en un caldo de fermentación más espeso, es difícil de eliminar y el gas que contiene será difícil de renovar con el tiempo, lo que afecta directamente la respiración de los microorganismos. Si el impulsor de agitación está rodeado de espuma, afectará la mezcla completa del gas líquido y reducirá la tasa de transferencia de oxígeno. Los agentes antiespumantes pueden eliminar la espuma, mejorar el efecto de mezcla de gas y líquido y aumentar la tasa de transferencia de oxígeno. Sin embargo, se acumulará demasiado agente antiespumante en la superficie celular, lo que dificultará la absorción de oxígeno y nutrientes por parte de las bacterias. Por lo tanto, se debe controlar la dosis de agente antiespumante.

5. La influencia de la forma del distribuidor de aire y la estructura del tanque de fermentación

En la fermentación aeróbica, además de utilizar agitación para dispersar el aire en pequeñas burbujas, también se pueden utilizar burbujeadores para dispersarlo. .aire para mejorar la eficiencia de la ventilación. Los estudios han señalado que cuando el diámetro del burbujeador anular grande es mayor que el diámetro del agitador, una gran cantidad de aire escapa de la superficie del líquido a lo largo de la pared del tanque sin ser dispersado por el agitador, y el efecto de dispersión del aire es muy pobre. Por lo tanto, el diámetro del burbujeador anular debe ser menor que el diámetro del agitador. Con respecto a los efectos de ventilación de los burbujeadores anulares de múltiples orificios y los burbujeadores de un solo orificio, algunas pruebas han demostrado que cuando el flujo de aire alcanza un cierto valor, el efecto de un burbujeador de un solo orificio no es peor que el de un burbujeador anular de múltiples orificios. . Porque en un tanque de fermentación equipado con un agitador, la dispersión del aire se basa principalmente en la agitación. Por lo tanto, cuando aumenta el caudal de aire, el burbujeador de un solo orificio puede mejorar la turbulencia del caldo de fermentación. En la práctica de producción actual, la mayoría de los distribuidores de aire en los tanques de fermentación utilizan burbujeadores anulares porosos5.

Para compensar la falta de eficiencia de ventilación de los tanques generales de mezcla de aire, algunas personas han realizado las correspondientes mejoras en el equipo, aumentando la altura del tanque de fermentación para aumentar el contacto gas-líquido. tiempo y mejorar la solubilidad del oxígeno.