第六章氧的供需及对发酵的影响

溶氧溶氧(dissolved oxygen，DO)是需氧微生物生长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氧往往是最易成为控制控制因素。因素。在在28氧在发酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只的空气饱和浓度只有有0.25 mmol/L左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之几秒（分）钟之内内便耗竭，使溶氧成为限制因素。便耗竭，使溶氧成为限制因素。第六章 氧的供需及对发酵的影响第一节第一节 微生物对氧的需求微生物对氧的需求第二节第二节 发酵液中氧的供给发酵液中氧的供给第三节第三节 影响影响K Kl la a的因素（供氧的调节）的因素（供氧的调节）第四节第四节 与溶氧相关的参数测定与溶氧相关的参数测定第五节第五节 发酵过程中溶氧监控的意义发酵过程中溶氧监控的意义第一节 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 比耗氧速度比耗氧速度(呼吸强度呼吸强度)（QoQo2 2）：）：单位时间内单单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，位重量的细胞所消耗的氧气，mmol Ommol O2 2g g-1-1 cell cellh h-1-1 摄氧率摄氧率(r)(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。要的氧量。mmol Ommol O2 2L L-1-1h h-1-1 。r=Qor=Qo2 2.X.X几种微生物的呼吸临界氧值几种微生物的呼吸临界氧值二、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指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度溶氧浓度。一般对于微生物：一般对于微生物：CCr:115%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/临界溶氧浓度临界溶氧浓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.问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中过程中 氧很容易满足。氧很容易满足。例：例：以微生物的摄氧率以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-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，常注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样常不一样：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%氧对鱼类的影响氧对鱼类的影响胡隐昌，水产养殖,2003三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素r =QO2 Xq 菌体浓度菌体浓度q 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 培养条件培养条件第二节第二节 反应器中氧的传递反应器中氧的传递CP气膜气膜液膜液膜只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微生物所利用生物所利用双膜理论前提：双膜理论前提：1.气泡与包围着气泡的液体间存在气泡与包围着气泡的液体间存在接触面；气泡侧为气膜，液泡侧接触面；气泡侧为气膜，液泡侧为液膜。为液膜。O2以扩散方式，借浓度以扩散方式，借浓度差由气液双膜进入液相。差由气液双膜进入液相。2.双膜之间两相界面上，氧分压强双膜之间两相界面上，氧分压强与溶于界面液膜中的氧浓度处于与溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系；平衡关系；3.传质过程处于稳定态，传质途径传质过程处于稳定态，传质途径个各点氧浓度不随时间变化。个各点氧浓度不随时间变化。双膜理论双膜理论PiCi传氧方向传氧方向界面界面第二节第二节 反应器中氧的传递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()()giliNkPPk ccCP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/hP:气相中氧的分压强气相中氧的分压强C：液相溶解氧浓度：液相溶解氧浓度双膜理论双膜理论PiCi传氧方向传氧方向界面界面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(*)lNK ccKl: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：再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3)(*)lNvK a ccNv：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：(*)lNvK a cc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三、供氧的调节三、供氧的调节(*)lNvK a ccC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K KL La a 和和C*来调节来调节其中其中C*P/HNvHPK KL La a调节调节K KL La a是最常用的方法，是最常用的方法，K KL La a反映了设备的供氧能力反映了设备的供氧能力。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不同的设备供氧能力不一样不同的设备供氧能力不一样第三节第三节 影响影响K KL La a的因素的因素K KL La a反映了设备的供氧能力。反映了设备的供氧能力。发酵常用的设备为：摇瓶发酵常用的设备为：摇瓶 发酵罐发酵罐 一、影响摇瓶一、影响摇瓶K KL La a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装液量装液量，一般取，一般取1/10左右：左右：250ml 15-25 ml 500ml 50 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搅拌发酵罐中，全挡板条件下：已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：(/)()gsKlaK P VV230.4500.56()ggP ndPCQ350PKn d()KlandQ1、理论上分析、理论上分析K KL La and通气量通气量提高搅拌转速，调节提高搅拌转速，调节K KL La a的效果显著的效果显著例例 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例：例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改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：为通气培养，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，发酵设备的供氧是有限的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、小型发酵罐和大型发酵罐调节K KL La a的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 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4 4、生物反应器放大的基本思想、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、供氧箭叶箭叶平叶平叶不同搅拌浆对菌体浓度的影响不同搅拌浆对菌体浓度的影响发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化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。平叶箭叶庆大霉素的生产水平提高了40%以上计算流体力学计算流体力学 发酵过程放大困难的原因就在放大时不可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发酵过程的失败(供氧、混合、剪切）供氧、混合、剪切）。l 根据r,KLa、搅拌桨特性搅拌功率l 根据r、菌体细胞剪切搅拌器形式、转速等;l 搅拌器的混和计算流体力学的应用研究;l 大型发酵罐高功率搅拌器的加工与平衡，l 传动装置技术和整体罐结构设计研究;l。张嗣良，中国生物工程杂志，2005q根据根据r,Kr,KL La a、搅拌桨特性、搅拌桨特性 搅拌功率搅拌功率KLaN,D(搅拌功率）Q（通气量）大 小小 大5、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氧载体氧载体 通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻力，从而提高传氧效率传氧阻力，从而提高传氧效率(Menge et al.,2001;(Menge et al.,2001;Lowe et al.,1998)Lowe et al.,1998)。这种液相一般具有比水更高的。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，称为氧载体溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体oxygen-oxygen-vector)vector)。通常使用的氧载体主要有。通常使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油甲苯、全氟化碳、豆油等。等。溶氧水平提高，虾青素合成增加读书报告：溶氧对发酵的影响及其控制要求：字数不限 要有参考文献（06年以后）第四节第四节 C CL L、r r和和K KL La a的测定的测定一、一、CL的测定的测定1、化学法、化学法2、溶氧电极、溶氧电极q 极谱型极谱型(阴极阴极)：O2+2H+2e H2O2q 原电池型原电池型(阴极阴极)：O2+2H2O+4e 4OH-极谱型电极由于其极谱型电极由于其阴极面积阴极面积很很小小，电流输出也相，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极表面液流的影响。这点正是原电池型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具备的。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主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不，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。接使用。q 膜：耐温、透气、不通水膜：耐温、透气、不通水q 测定：一般是得到相对值测定：一般是得到相对值二、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2、溶氧电极、溶氧电极停止供气停止供气：dCL=-r dt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 2Na2SO42、平衡法、平衡法 rKLa=C*-CL例：例：一装料为一装料为7L的发酵罐，通气量的发酵罐，通气量1vvm，操作压力，操作压力为为0.3 Kg/cm2，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的饱和氧浓度的25%，空气进入时的氧含量为，空气进入时的氧含量为21%，废，废气排出时的氧含量为气排出时的氧含量为19.8%。（。（1 atm时氧饱和浓度时氧饱和浓度C*=0.2mmol/L，氧气密度，氧气密度1.429 g/L）求此时菌的摄）求此时菌的摄氧率和氧率和KLar=Q*(Y进口进口-Y出口出口)/VKLa=r/(C*-CL)发酵罐中实际氧饱和浓度：发酵罐中实际氧饱和浓度：C*=0.2(1+P)KLar/0.206(0.21-0.198)r=1760(0.21-0.198)1.429/32103/73、动态法、动态法q 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第五节第五节 溶氧浓度的变化及其控制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华东理工大学学报，2000OUR=r：摄氧率：摄氧率 TEMP：温度：温度AGIT：搅拌转速：搅拌转速 DO：溶氧浓度：溶氧浓度结论：当当OUR(r)OUR(r)与与DODO反向变化时反向变化时,表明其限制因素表明其限制因素为细胞水平的菌体代谢问题为细胞水平的菌体代谢问题,当当OUR(r)OUR(r)与与DODO同向变同向变化时化时,表明其限制因素为工程水平的氧传递问题。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此时溶氧处于临界氧以下(这一结论这一结论)可客观地、动可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。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+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：菌体生长期：酶系统酶系统 酶系统酶系统 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产物形成期：产物形成期：底物底物产物产物酶系统酶系统 反应动力学问题反应动力学问题 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。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、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小时菌小时菌体量较小，采用小体量较小，采用小通风通风12 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，所的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时以有时发酵初期采用发酵初期采用小通风小通风，停搅拌停搅拌，不但有利于降，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。时间一定要把握好。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初期初期 与与 前期前期例：例：哈药青霉素发酵的工艺研究哈药青霉素发酵的工艺研究*杜文双，中国抗生素杂志，2002三、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、间接控制的措施本章小结：本章小结：了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念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，及其参数的测定掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定 深入理解深入理解K KL La a的意义，了解反应器放大的基本概念的意义，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氧浓度的意义