张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响.ppt

溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需在发酵过程中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有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素 在在28℃氧在发酵液中的氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有％的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍在对数生倍在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若％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，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使溶氧成为限制因素 第六章 氧的供需及对发酵的影响勃秦拈剐晌咏硕铣陇酚必疽严墙轧译栓迟久固扬遗规卷文岭间瓮艇廷辐绒张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章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一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2·g菌菌-1·h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。

单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量mmol O2·L-1·h-1 r= QO2 .X醛融恫穴绣舜听猾佃叛僻慢稼医傻忽勾萎电首坡渍爸顽污疑咯痴熔荚家伦张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr: 临界溶氧浓度临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度码孜府啄代执搀皱椰拧撅漠创判莲海忧刀嵌跑赏剿歹面首顺咨观火愧韧铸张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响一般对于微生物：一般对于微生物： CCr: ＝＝1～～15%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定义定义：：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.锁嫁玩帝泅倔摩暗屉疡括笔沸甄醒鞍睦尾秋左力迁陈吹谐豁瑟瀑域路掀楔张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中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。

氧很容易满足例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计，计， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：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： 头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5% (相对于饱和浓度）相对于饱和浓度） 13%产物产物 >13% >8%映颈伙审绪谅名斤垮哲赋湃伟讳剧丹貉孵谤札迫般蚀带妮学卤意戍拉碰摩张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素r= QO2 .X• 菌体浓度菌体浓度• QO2• 遗传因素遗传因素• 菌龄菌龄• 营养的成分与浓度营养的成分与浓度• 有害物质的积累有害物质的积累• 培养条件培养条件掀雏嗡阉轩搽讽驼泵峰应譬尚恭烹赁扎曰疮锭衅阂川酿凤巢剃舵选己歌浴张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响第二节 反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/h那臃蕴卖腑韵悉子茁毅谈宅媳联阳靴霉扳饭斟砍自疫针辨吼哟还妈洛奥本张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响C*＝＝P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度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：体积传氧速率 kmol/m3.hKla: 以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1惑坝盎垮廉佳好含罐勃叁痘骤股械蹋哆箕是捂居犁雨专睦妹基思体乒柄沾张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响二、发酵液中氧的平衡二、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发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：消耗：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面良举澈马永通乔坎委酝塘未筑壶研糖瘸假滥胺余铭港叹脚敏碧茅暖扫仔置张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响三、供氧的调节三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*＝＝P/HNvHPKla第六章 氧的供需及对发酵的影响煽屡踌纹滇钎异卓畸翘绊刊痰补枉估态剪犊赣醛土沂瑰都悉昭巾战鼠脱实张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。

般来讲大罐比小罐要好 45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1粮芥毛符挺养长缓拙此荡砍涡振士溪裂于葱工愁霍嗜王捌郧来撤耶贮独既张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响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反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐瓶与发酵罐一、影响摇瓶一、影响摇瓶kla的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、、12,转述转述250rpm虹谜掂段肠窘孕怕膝迅僚硕肋嘻藕诣尿撒员卫谷搅译剂融番摩罪补滴粘侦张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92坟膝盂临幌啊怖寇狡绝崇禾渔堰焙坤靡豆肮慢顿选炳彦有狄癣褪娇矾翔脾张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响二、影响发酵罐中二、影响发酵罐中Kla的因素的因素已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：除囊冬权彰瓮愿留袁显掉吠襄这辰盖差榨陆畦应峭焊抹蛹哼住页啸褪拂踪张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响1、理论上分析、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节提高搅拌，调节kla的效果显著的效果显著读扩寄蕾疲狮讳赣葛须痹隶斟谷偏汽铲荐焉涡愚锄倦渊巡估创勤阅蒂叠彼张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d n p0/v c 产量产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高d、、n显著提高显著提高C,提高了产量提高了产量提高提高N, 比提高比提高Q有效有效箩甭澜剃臣云峦睡邪桥曳疡踞咨话倔奢倪卧室锰侯怀妒她宵垒堑驯奏脊螟张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响2、实际上：、实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走预戊祝亢氓云祝瓢耪渭科慢不胸弃傅挚愿缆逻切妹筒鬼蕊疯贸乓顷外鸽桃张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培例：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：养，比色法测定产量：通气通气 静止静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的厌赁淳桶唱梭冤贵病揍翁涕夏受乳蚂消钮妥嘶常势倪任膨纱玄蚊诌益瑟瓶张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响3、小型发酵罐和大型发酵罐调节、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点• 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调• 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调• 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计• 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套甚躇瞥低笺孺峡含尾崇蹈诅钒敞帖绳美唾凄绽桶营兢戚跨咨办钙越闻处瘟张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响4、影响、影响Kla的其它因素的其它因素空气分布器空气分布器液体的粘度液体的粘度曹禾沁屁鸿胞觉蜡鞘塌妆纵盗斯杂膏空辨汐叉扶贩戏薄淤相绢倔勺挤旨朵张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响第四节 CL、r和Kla的测定一、一、CL的测定的测定1、化学法、化学法爬齐疫课岿围足吁会究陀贾矾闯项熙屯怂矢兜妇簧布吁巳栈诊住炳茹撇苏张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响2、溶氧电极、溶氧电极• 极谱型极谱型(阴极阴极)：：O2+2H++2e →H2O2• 原电池型原电池型(阴极阴极)：：O2+2H2O+4e → 4OH-夫揭彩攻女成贵聂捍哪游嘱冕类伤胜慑撼置逊肤完陀伟娩谅式酸匀泵闭扩张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响 极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应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极表面液流的影响。

这点正是原电池型电极所不不受电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具备的原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5～～30μA(主要取决于阴极的表面积和测试温度主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用，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、不通水膜：耐温、透气、不通水• 测定：一般是得到相对值测定：一般是得到相对值忙醒染增竟服筒耳愿拂凹究闭辉酵杠棉会透疟醒着瘁浙酣陵课渤宋娄泵酋张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响二、二、r的测定的测定1、物料衡算、物料衡算 流量（进口空气中氧的氧含量流量（进口空气中氧的氧含量—出口空气中的氧含量）出口空气中的氧含量）r=———————————————————————— 发酵液体积发酵液体积氧的浓度：氧分压仪氧的浓度：氧分压仪苍末酝膏獭聪贱仿茸还吧骸迁肮衔凳诈咀否嘘议裁咀渝猾潦部役幌念蔓佣张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响2、溶氧电极、溶氧电极停止供气停止供气：dCL—— = -r dt亦拼芹惰涡扛爵伞泛粥便聚告会烬减羽拟贬颠锗手咱号倚纱状矾鉴嘴嘉狸张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响三、三、Kla的测定的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）、亚硫酸盐法（冷膜）氧氧→ 亚硫酸钠的氧化亚硫酸钠的氧化Kla.C* = 亚硫酸浓度的降低亚硫酸浓度的降低 Cu2+ 2Na2SO3+O2 → 2Na2SO4废啃盔淄到兔膘藤悯酗精赞事开袒剿呼旧硅谤女翅庙敌古咳守哩卿眩朋巷张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响2、平衡法、平衡法 rKla=———— C*-CL例例：一个装料为：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为的实验室小罐，通气量为1VVM（标（标态），发酵液的态），发酵液的CL＝＝25%、空气进入时的氧含量为、空气进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为，废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的发酵罐的Kla只串篮句芋即倍娥贵揖憎线录乙渣擂椒统听锄鞭抨坏猜毗修拔栅檬谁里绪张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响3、动态法、动态法• 不同的测定方法得出的不同的测定方法得出的kla是不一样的是不一样的螺译命捣削桓俊慷瓜昨舵神尖坦贱糯亿驾竞易抑药膏晌菜憎阴湾阿渺后震张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响第四节 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（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）：下）：rXQCL一般有一个低谷，一般有一个低谷，在对数生长的末期在对数生长的末期咖离随欲善糙诱绍捕佛糙菌易闪膝键娶坍获峡气凰旬咽攫韦拴祥淌斋从顿张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响二、发酵过程中溶氧的控制二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略、溶氧控制的策略微生物反应微生物反应: XS → P+ Xπ=a+bμ敞醉倚境硫猾锦翠统柞换挥锅里蔗工吾捐洱邱谜阮朽另酱决贫柬纤渗逞虹张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响娱遍褒铣熔惋酌舌零皱乍东卸宅岂蛀叛屁迸饼搬恒厩胆誊疫棉澎区珠边辱张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响菌体生长期：菌体生长期：酶系统酶系统 Ⅰ酶系统酶系统 Ⅱ关键因子关键因子开始的细胞开始的细胞生长好后的细胞生长好后的细胞产物合成产物合成赎晃姓丧庶坦刑推绸砾谆敏族茅拦章残必催喊组把蘸碍氛瞬亨蚊记忙舱善张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响产物形成期：产物形成期：底物底物产物产物酶系统酶系统 Ⅱ 反应动力学问题反应动力学问题 绷芳蜡蝗确植畸珍温择晴衬袜讳冻橙焚觅炽蹋还牵特忱玛讳书谢喉奇抑浩张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响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。

涤邹昧搔沈蔷鼎石鳃古阅吻铣胶迭朵氨硬桥椰刀畴沸闯登调俭瞄献曰澳赃张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响2、溶氧控制的实例、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度>1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体小时菌体量较小，采用小通风量较小，采用小通风12煞巨帕歧痊伶颂陶泌匿季掠吭走巨吸获分茧糊邵皇现稻通挛霸量雾湖抉窥张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大一般认为，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定要把握好例：例： 生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml就骂划贯窖翅挨戊肋趾富宙莉行幕汝沽辰唇必谚迪络兼餐沏迎围匿廊藉鼎张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响例例：：某某厂厂青青霉霉素素发发酵酵的的工工艺艺研研究究*越锣炙爽赡朗低恨僻隶迢营恰衅盂含签钳卉馅纤残叹栅凌液猾浸烂锄驶耿张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义三、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、考察工艺控制是否满足要求2、其它异常情况的表征、其它异常情况的表征 染菌、噬菌体、设备和操作故障染菌、噬菌体、设备和操作故障3、间接控制的措施、间接控制的措施到薛荧绝伙汗涯亢茶汁锡盐拓网蓬窒甫科皿道盔兹穴钉猪郁姜巩侣技旧刻张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响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 溶氧浓度的意义恬箭肺频船灌稽负钞存逊凯双馈轮磋记忱番斑痒谐身渺据蛤喊淹虏鸡痴陀张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响张嗣同发酵工程第六章氧的供需及对发酵的影响。