资源描述
,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,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,Q,O,2,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,。,一般对于微生物：,C,Cr,:,115%,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%,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,第六章 氧的供需及对发酵的影响,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,8,cm,旋转，偏心距,25、12,转述,250,rpm,装液量，一般取,1/10,左右：,250,ml 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,530,A(,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,7,L,的实验室小罐，通气量为,1,VVM（,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：,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,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,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,：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,
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