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1、氧的供需及对发酵的影响,第八章 发酵过程（2）,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。,在28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。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。,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求发酵液中氧的供给影响KLa的因素（供氧的调节）与溶氧相关的参数测定发酵过程中溶氧监控的意义,氧的供需及对发酵的影响,第一节 微生物对氧的需求,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速
2、度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g-1(干菌体)h-1,摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。,r=QO2.X,微生物对氧的需求,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr,QO2,CL,CCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。,微生物对氧的需求,某些微生物的临界氧浓度,一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度,例：酵母 4.610-3 mmol.L-1,1.8%产黄青霉 2.210-2 mmol.L-1,8.8%,定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度,所以对于微生物生长，只要
3、控制发酵过程中氧饱和度1.,微生物对氧的需求,问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中 氧很容易满足。,例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，0.25/0.052=4.8秒,注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：,头孢菌素 卷须霉素生长 5%(相对于饱和浓度）13%产物 13%8%,微生物对氧的需求,氧对鱼类的影响,胡隐昌，水产养殖,2003,微生物对氧的需求,三、影响需氧的因素,r=QO2*X,菌体浓度,QO2,遗传因素,菌龄,营养的成分与浓度,有害物质的积累,培养条件,微生物对氧的需求,第二节 反应器中氧的传递,一、发酵液中氧的传递方程
4、,C,Ci,P,Pi,气膜,液膜,N：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数 m/h,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),再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3),Nv：体积传氧速率 kmol/m3.hKLa:以(C*-C)为推动力的溶氧传递系数 h-1,反应器中氧的传递,二、发酵液中氧的平衡,发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中,传递：,消耗：,r=QO2.X,氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面,反应器中氧的传递,三、供氧的调节,C有一定的工艺要求
5、，所以可以通过KLa 和C*来调节其中 C*P*H,Nv,H,P,Kla,反应器中氧的传递,亨利常数，表示气体溶解于液体中难易程度,氧的分压,溶氧传递系数,调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力。,45升 1吨 10吨搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1,不同的设备供氧能力不一样,反应器中氧的传递,第三节 影响Kla的因素,Kla反映了设备的供氧能力。发酵常用的设备为：摇瓶 发酵罐,影响Kla的因素,一、影响摇瓶kla的因素,为装液量和摇瓶机的种类,摇瓶机,往复，频率80-120分/次，振幅8cm,旋转，偏心距25、12,转述250rpm,
6、影响Kla的因素,装液量，一般取1/10左右：250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml,例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92 U/mL,影响Kla的因素,二、影响发酵罐中Kla的因素,影响Kla的因素,影响Kla的因素,影响Kla的因素,已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：,影响Kla的因素,Pg搅拌器的轴功率,1、理论上分析,KLa,n,d,通气量,提高搅拌，调节kla的效果显著,影响Kla的因素,例1 某一产品的发酵 d n p0/v c 产
7、量 450 180 1.62 20%4978 450 280 2.12 40%5564 550 180 2.61 60%8455,例2 黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量 1812 2416 2846,提高d、n显著提高C,提高了产量,提高N,比提高Q有效,影响Kla的因素,2、实际上：,对于转速的调节有时是有限度的,通风的增加也是有限的,蒸发量大,中间挥发性代谢产物带走,影响Kla的因素,例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培 养，比色法测定产量：,通气 静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0
8、.7 8.3 15.6 14.3 6.2,提高,下降,所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的,影响Kla的因素,3、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点,小型发酵罐，转速可调,大型发酵罐，转速往往不可调,大型反应器的合理设计,对现有设备一定要注意工艺配套,影响Kla的因素,4、生物反应器放大的基本思想,小型反应器和大型反应器的差异：传动 传热 传递,生物反应过程,剪切、混合、供氧,影响Kla的因素,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,箭叶,平叶,影响Kla的因素,不同搅拌浆对菌体浓度的影响,影响Kla的因素,发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化,平叶,箭叶,箭叶：在4h左右溶氧就从90的
9、下降到14.8%，通过不 断提高转数DO水平始终维持在20%左右。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。,影响Kla的因素,平叶,箭叶,庆大霉素的生产水平提高了40%以上,影响Kla的因素,影响Kla的因素,影响Kla的因素,计算流体力学,影响Kla的因素,发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败(供氧、混合、剪切）。,影响Kla的因素,根据r,Kla、搅拌桨特性搅拌功率 根据r、菌体细胞剪
10、切搅拌器形式、转速等;搅拌器的混和计算流体力学的应用研究;大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡，传动装置技术和整体罐结构设计研究;。,影响Kla的因素,根据r,Kla、搅拌桨特性搅拌功率,Kla,N,D(搅拌功率）,Q（通气量）,大 小,小 大,影响Kla的因素,5、影响Kla的其它因素,空气分布器,液体的粘度,氧载体,影响Kla的因素,影响Kla的因素,通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻力，从而提高传氧效率(Menge et al.,2001;Lowe et al.,1998)。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体oxygen-vector)。通常
11、使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。,影响Kla的因素,溶氧水平提高，虾青素合成增加,影响Kla的因素,读书报告：溶氧对发酵的影响及其控制要求：字数不限 要有参考文献（04年以后）,影响Kla的因素,第四节 CL、r和Kla的测定,一、CL的测定,1、化学法,I2+2,CL、r和Kla的测定,2、溶氧电极,极谱型(阴极)：,O2+2H+2e H2O2,原电池型(阴极)：,O2+2H2O+4e 4OH-,CL、r和Kla的测定,极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电
12、极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约530A(主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。,膜：耐温、透气、不通水,测定：一般是得到相对值,CL、r和Kla的测定,二、r的测定,1、物料衡算,流量（进口空气中氧的氧含量出口空气中的氧含量）r=发酵液体积,氧的浓度：氧分压仪,CL、r和Kla的测定,2、溶氧电极,停止供气：,dCL=-r dt,CL、r和Kla的测定,三、Kla的测定,1、亚硫酸盐法（冷膜）,氧 亚硫酸钠的氧化,Kla.C*=亚硫酸浓度的降低,Cu2+2Na2SO3+O2 2N
13、a2SO4,CL、r和Kla的测定,2、平衡法,rKla=C*-CL,例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为1VVM（标态），发酵液的CL25%、空气进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的Kla.,CL、r和Kla的测定,3、动态法,不同的测定方法得出的kla是不一样的,CL、r和Kla的测定,第五节 溶氧浓度的变化及其控制,一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）：,r,X,Q,CL,一般有一个低谷，在对数生长的末期,溶氧浓度的变化及其控制,溶氧浓度的变化及其控制,OUR=r：摄氧率 TEMP：温度AGIT：搅拌转速 DO：溶氧浓度,
14、溶氧浓度的变化及其控制,结论：当OUR(r)与DO反向变化时,表明其限制因素为细胞水平的菌体代谢问题,当OUR(r)与DO同向变化时,表明其限制因素为工程水平的氧传递问题。此时溶氧处于临界氧以下(这一结论)可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。,溶氧浓度的变化及其控制,二、发酵过程中溶氧的控制,1、溶氧控制的策略,微生物反应:,XS P+X,=a+b,溶氧浓度的变化及其控制,溶氧浓度的变化及其控制,菌体生长期：,酶系统,酶系统,关键因子,开始的细胞,生长好后的细胞,产物合成,溶氧浓度的变化及其控制,产物形成期：,底物,产物,酶系统,反应动力学问题,溶氧浓度的变化及其控制,发酵过程的
15、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：,前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。,溶氧浓度的变化及其控制,GA,X,DO,谷氨酸发酵：,要求：氧饱和度1,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,12,溶氧浓度的变化及其控制,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,溶氧浓度的变化及其控制,例：哈药青霉素发酵的工艺研究,*,溶氧浓度的变化及其控制,三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义,1、考察工艺控制是否满足要求,2、其它异常情况的表征 染菌、噬菌体、设备和操作故障,3、间接控制的措施,溶氧浓度的变化及其控制,本章小节：,了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念,掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定,深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念,掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控 溶氧浓度的意义,小结,Thank You!,
