发酵——氧的供需及对发酵的影响课件

,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分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。,第六章 氧的供需及对发酵的影响,氧浓度对不同微生物生长的影响,Mateles,对许多菌体,利用各种基质所需的氧进行了计算,基 质,微生物,g,氧,/g,干菌体,葡萄糖,大肠杆菌,0.4,甲 醇,假单孢菌,C,1.2,辛 烷,假单孢菌,1.7,生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求,某些微生物的临界氧浓度,微 生 物,温度（,C,）,临界氧浓度,（,mmol,/L,）,固 氮 菌,30,0.018,大肠杆菌,37,0.008,酵 母,30,0.004,产黄青霉,24,0.022,第一节 微生物对氧的需求,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（,Q,O,2,）：,单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，,mmol,O,2,g,菌,-1,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,O,2,L,-1,h,-1,。,r= Q,O,2,.X,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,C,Cr,:,临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度,。,C,Cr,Q,O,2,C,L,发酵过程的溶氧变化,发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降,发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等,发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升,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,：,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，只要控制发酵过程中氧饱和度,1.,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,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%,根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：,a.,供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；,如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等,b.,供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；,如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等,c.,若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；,如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等,实例一,对黄色短杆菌生物合成氨基酸时发现：菌体的临界溶氧浓度为,0.01mg/L,当溶氧浓度低于,1.0,时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为,0.55,、,0.60,和,0.85,。,从合成途径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环,(TCA),的中间体，而苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。,Feren,和,Squires(1969),对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明，头孢菌素产生菌的临界氧浓度在,07,的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为,1323,。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于,10-20,；而对卷曲霉素则为,8,。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。,实例二,三、影响需氧的因素,r= Q,O,2,.X,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,第二节 反应器中氧的传递,一、发酵液中氧的传递方程,C,C,i,P,P,i,气膜,液膜,N,：,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,C*,P/H,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),再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为,a (m,2,/m,3,),N,v,：,体积传氧速率,kmol/m,3,.h,K,la,:,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,传递：,消耗：,r= 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,有一定的工艺要求，所以可以通过,Kla,和,C*,来调节,其中,C*,P/H,Nv,H,P,Kla,调节,Kla,是最,常用的方法，,kla,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,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与发酵罐。,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,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 92,二、影响发酵罐中,Kla,的,因素,已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：,1,、理论上分析,KLa,n,d,通气量,提高搅拌，调节,kla,的效果显著,例,某一产品的发酵,d n p,0,/v c,产量,450 180 1.62 20% 4978,450 280 2.12 40% 5564,550 180 2.61 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,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 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，发酵设备的供养是有限的,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,4,、影响,Kla,的其它因素,空气分布器,液体的粘度,第四节,C,L,、,r,和,Kla,的测定,一、,C,L,的测定,1,、化学法,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,-,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,5,30A(,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,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,2,、溶氧电极,停止供气,：,dC,L, = -r,dt,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,Cu,2+,2Na,2,SO,3,+O,2, 2Na,2,SO,4,2,、平衡法,r,Kla,=,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,Kla,3,、动态法,不同的测定方法得出的,kla,是不一样的,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,Kla,下）：,r,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,=a+b,菌体生长期：,开始的细胞,生长好后的细胞,酶系统,酶系统,关键因子,产物合成,产物形成期：,底物,产物,酶系统,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,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,GA,X,DO,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,：某厂青霉素发酵的工艺研究,*,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,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,