6.4氧供需及对发酵影响(2).ppt

JIAXING UNIVERSITY,7.4,氧的供需及对发酵的影响,,,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,％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分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素7.4.1,微生物对氧的需求,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（,Q,O,2,）：,单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，,mmol,O,2,·g,菌,-1,·h,-1,,摄氧率,(OUR,，,r),：,单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量mmol,O,2,·L,-1,·h,-1,X :,菌体密度,, g,菌,/L,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,c,Cr,,Q,O2,c,L,c,Cr,:,,临界溶氧浓度,,,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度,,,,,一般用空气氧饱和度表示一般对于微生物：,C,Cr,:,,＝,1,～,15%,饱和浓度,例：,酵母,4.6*10,-3,mmol.L,-1,, 1.8%,,,产,黄青,霉,2.2*10,-2,mmol.L,-1,, 8.8%,定义：,临界溶氧浓度＝临界时发酵液中氧的浓度,/,氧饱和度,所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度,,不低于临界氧浓度即可,微生物,温度,临界氧值,/(,mmol,O,2,/L),,温度,/C,临界氧值,/(mgO,2,/L),大肠杆菌,37.6,0.0082,0.0031,15.0,0.26,酵母,34.8,0.0046,0.0037,20.0,0.60,产黄青霉,30.0,0.0090,0.0220,24.0,0.40,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,O,2,·L,-1,·S,-1,,计，,,,,0.25/0.052=4.8,秒,( 0.25,为溶解氧浓度,),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,,生长阶段,5-7% (,相对于饱和浓度）,13-23%,,产物合成,10-20% 8%,在菌体生长和产物合成阶段,,,并非溶解氧浓度越高越好,卷须霉素发酵时,,,在,40-140 h,维持氧在,10%,比在,0,或,45%,时的产量都要高,过高的溶氧对菌体生长有害,,,主要原因可能是新生,O,,超氧化物基 和过氧化物基,,,或羟基自由基 对菌体组分的破坏,三、影响需氧的因素,菌体浓度,Q,O,2,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,7.4.2,反应器中氧的传递,一、发酵液中氧的传递方程,(,氧的溶解情况,),C,L,C,i,P,P,i,气膜,液膜,N,：单位接触面积传氧速率,kmol/m,2,.h,,,k,g,:,气膜传质系数,;kmol/m,2,.h.atm,,,K,L,:,液膜传质系数,m/h,气液界面,:,,氧从气膜到液膜,C* :,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度,K,L,:,以氧浓度为推动力的总传递系数,(,m/h,),,c* :,氧在水中的饱和浓度,mmol,/ L,,所有能增加以上两指标的因素都能改善供氧,再令：单位体积的液体中所具有的氧传递面积为,a (m,2,/m,3,),N,v,：,体积传氧速率,kmol/m,3,.h,,,K,L,a,:,以,(c*-c),为推动力的体积溶氧系数,h,-1,二、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,消耗：,OUR= Q,O,2,.X,氧的,平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面,三、供,氧的,调节,c,L,有一定的工艺要求，所以可以通过,K,L,a,,和,c*,来调节,,,其中,c*,＝,P/H,,P :,氧分压,,H :,亨利常数,,,与温度及液体中固形物质的浓度有关,Nv,H,P,K,L,a,调节,K,L,a,是最,常用的方法，,K,L,a,反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。

45,升,1,吨,10,吨,,,搅拌速度,250 rpm 120 120,,供氧速率,7.6 10.7 20.1,7.4.3,影响,K,L,a,的因素,K,L,a,反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐一、影响摇瓶,K,L,a,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,,转速,250rpm,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 92,1,、理论上分析,K,L,a,n,：转速,d,：搅拌桨直径,通气量,A.,提高搅拌，调节,K,L,a,的效果显著,二、影响发酵罐中,K,L,a,的,因素,提高搅拌增强溶氧系数的原因,搅拌能把大气泡打成微小气泡,,,增加了接触面积,,,延长了接触时间,(,小气泡上升慢,),搅拌使液体作涡流运动,,,延长了气体在罐体内上升的时间,搅拌使液体呈湍流运动,,,减少了气泡周围液膜的厚度,搅拌使菌体分散,,,增加了接触面积,,,有利于氧的传递,过度剧烈搅拌产生的剪切力很大,,,要考虑到对细胞尤其是菌丝体的损伤,B.,搅拌器,类型,:,轴向式,(,桨式,,,锚式,,,框式,,,推进式,),和径向式,(,涡轮式,),,圆盘涡轮式的溶氧效果最好,,,主要产生径向液流,,,但不利于罐内液体的混合,,因此,,,下组用圆盘涡轮式搅拌打碎气泡,,,上组用平浆式搅拌混合料液,叶径,d :,相对位置,:,,下组搅拌器离罐底,0.8-1 d,较好,,,两组搅拌器之间的距离也要仔细考虑,搅拌器的组数,:,C.,空气线流速,空气线速度过大时,,,会发生,”,过载,”,现象,,,即浆叶不能打散空气,,,气流形成大气泡在浆的周围逸出,例,某一产品的发酵,,,d n c,产量,,,,,450 180 20% 4978,,450 280 40% 5564,,550 180 60% 8455,例,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,D.,空气分布器,E.,液体的粘度,空气分布器的类型,,,喷口直径,,,管口与罐底距离,影响气泡的大小,,,稳定性和氧的传递效率,F.,氧分压,增大罐压或增大通入气体中的氧分压,(,如通入纯氧,),G.,发酵罐内液柱高度,经验,: H/D,从,1,增加到,2,,K,L,a,,可增加,40%;,从,2,增加到,3 ,,K,L,a,,增加,20% .,一般以,2-3,为宜,H.,发酵罐体积,大罐氧利用率高,,相同几何形状的罐体,,,体积大的氧利用率可达,7-10%;,而体积小的只有,3-5%,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,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,0(,静止,) 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5,,,OD 0.28 0.7 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,3,、小型发酵罐和大型发酵罐调节,K,L,a,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,7.5.4 C,L,、,OUR,和,K,L,a,的测定,一、,C,L,的测定,1,、碘量法,2,、,溶氧电极,极,谱型,(,阴极,),：,O,2,+2H,+,+2e,,→H,2,O,2,原电池型,(,阴极,),：,O,2,+2H,2,O+4e,,→ 4OH,-,测定：一般是得到相对值,二、,OUR,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）,,OUR= ————————————————————————,,,发酵液体积,氧的,浓度：氧分压仪,停止供气,：,dC,L,,—— = -OUR,,,dt,,,,用溶氧电极测定,OUR,，要求电极响应时间短，能跟上摄氧率的变化,,测定前先用纯水标定电极，得到单位电流代表的溶氧浓度：,,,i,饱,——,在饱和氧浓度,C*,时的电流值,,i,残,——,氧浓度为零时电极所具有的电流,2,、溶氧电极,,,,若测定某培养时间的摄氧率，则关闭通气阀，保持搅拌，在罐顶通氮气，赶走上面的空气。

此时，由于耗氧，,C,L,下降，仪表上电流值也不断下降,,△,t——,停止供气后,C,L,下降到最低点时所需时间,,,△,i——,在△,t,时间内的电流变化,三、,K,L,a,的测定,1,、亚硫酸盐法（冷膜）,氧→ 亚硫酸钠的氧化,K,L,a,.C,* =,亚硫酸浓度的降低,Cu,2+,,,2Na,2,SO,3,+O,2,→ 2Na,2,SO,4,2,、平衡法,,OUR,,K,L,a,= ————,,C*-C,L,,例,：一个装料为,7L,的实验室小罐，通气量为,1VVM,（标,态），发酵液的,C,L,＝,25%,、,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,K,L,a,式中,C*,可以查得，,C,L,可以用溶氧电极测得，,OUR,也可算出，因此可求得,K,L,a,值,待溶氧到最低点后再恢复通气这样可以得到溶氧随时间变化的曲线,用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧达到平衡，溶氧是一条水平线,这时停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉氧气由于微生物对氧的利用，溶氧迅速下降，过一段时间溶氧下降缓慢,3,、动态法,,△,C,L,/△t=,K,L,a(C,*-C,L,)-OUR,,C,L,=-1/K,L,a(△C,L,/△t+OUR)+C*,,将,C,L,对△,C,L,/△,t+OUR,作图，得到一条直线，斜率为,-1/K,L,a,因此可求得,K,La,，延长直线与纵坐标相交点为,C*,溶解氧浓度随通气变化的情况,K,L,a,的求取,OUR,OUR,7.4.5,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,K,L,a,下）：,OUR,X,Q,C,L,一般有一个低谷，在对数生长的末期,二、发酵过程中溶氧的控制,1,、溶氧控制的策略,微生物反应,:,,,X,,S → P+ X,π=a+bμ,菌体生长期：,酶系统,,Ⅰ,酶系统,Ⅱ,关键因子,开始的细胞,长好以后的细胞,产物合成,产物形成期：,底物,产物,酶系统,Ⅱ,,,反应动力学问题,,发酵过程的控制一般策略：,,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,。

2,、溶氧控制的实例,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,,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/ml,,24,小时增加,22.55 mg/ml,,30,小时增加,18.25 mg/ml,,36,小时增加,12.34 mg/ml,例,:,溶氧在青霉素发酵控制中的应用,控制的原则,:,加糖速率正好使培养处于半饥饿状态,,,即仅能维持菌的正常生理代谢,,,而把更多的糖用于产物的合成,.,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,染菌后可能出现异常,”,跌零,”,;,也可能出现溶氧升高,搅拌停止,,,溶氧降低,;,加油过量,,,溶氧降低,;,作为质量控制的指标,:,如天冬氨酸发酵,,,酵母发酵中好气转为厌气培养的时机是关键,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,K,L,a,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,。