发酵过程控制(溶氧

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,长江大学生科院生物工程系,*,发酵工程,课件,Fermentation Engineering,第五章 发酵过程控制（3),主讲人：夏帆,欢迎,光临,10/7/2024,1,长江大学生科院生物工程系,教学目的,:,了解,描述微生物需氧的物理量、影响需氧的因素；,掌握,溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响、发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；,理解,溶解氧和pH综合控制系统。,教学重点、难点,：,临界溶解氧浓度、溶解氧浓度对产物形成的影响、发酵过程中溶解氧的变化、提高K,L,a的途径、溶解氧的控制、,溶解氧和pH综合控制系统,第3节,溶解氧的供需及控制,(2学时),10/7/2024,2,长江大学生科院生物工程系,溶解氧,Dissolve Oxygen,(DO),需氧微生物生长所必需。,纯氧在水、盐或酸中的溶解,1.26mmol/L,在,28,氧在发酵液中,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,1530s,便耗竭。,生物氧化氧吸收率,13%8%,（即低于13%时产物的形成会受到抑制）,一般对于微生物：,C,Cr:,125%饱和浓度,表7-5 P107,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%,10/7/2024,12,长江大学生科院生物工程系,溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不同的影响。,对菌体生长的影响显而易见。,谷氨酸,、,精氨酸,和,脯氨酸,发酵时，若供氧不足，其积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。,对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如,金霉素,发酵，在生长期短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由HMP途径转向EMP途径，使金霉素产量减少。,10/7/2024,13,长江大学生科院生物工程系,在培养过程中并不是维持溶氧越高越好,。即使是专性好氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O,2,-,和过氧化物基O,2,2-,等破坏细胞体现的。另外，,次级代谢产物的生产,，控制生长不使过量是必须的，否则产量会减少。,如，,亮氨酸,、,缬氨酸,和,苯丙氨酸,，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。,10/7/2024,14,长江大学生科院生物工程系,在,天冬酰胺酶,发酵中，,前期是好氧培养,，,后期转为厌氧培养,，酶活可大大提高。所以掌握由好氧转为厌氧的时机颇为关键。据实验研究，当溶氧下降到45%空气饱和度时由好氧切换到厌氧培养，并适当补充营养可提高酶活6倍。,而,异亮氨酸,、,赖氨酸,、,苏氨酸,和,天冬氨酸,，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显。,10/7/2024,15,长江大学生科院生物工程系,氧的满足程度,氨基酸的相对产量,返回,16,四、发酵过程中溶解氧的变化,在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自己的规律。,10/7/2024,17,在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁殖，需氧量不断增加。此时的需氧量超过供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰，发酵液中的菌浓同时出现一个高峰。过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。,谷氨酸发酵的溶氧低峰约在620h，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力不同而异。,10/7/2024,18,长江大学生科院生物工程系,引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因：,污染好气性杂菌,，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近；,菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加,，使溶氧下降；,某些设备或工艺控制发生故障或变化,，,搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。,消泡剂因自动加油器失灵或人为加量太多，也会引起溶氧迅速下降。,在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，,常见的是溶氧下降,。,10/7/2024,19,长江大学生科院生物工程系,在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是,耗氧出现改变,，如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是,污染烈性噬菌体,，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。,由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。,返回,引起溶氧异常升高的原因,10/7/2024,20,长江大学生科院生物工程系,五、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,10/7/2024,21,长江大学生科院生物工程系,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,),：体积传氧速率 kmol/m,3,.h,:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h,-1,10/7/2024,22,长江大学生科院生物工程系,（二）供氧的调节,C有一定的工艺要求，所以可以通过 和C*来调节,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,。,45升 1吨 10吨,搅拌速度 250 r/min 120 120,供氧速率 7.6 10.7 20.1,发酵常用的设备为：摇瓶、发酵罐,10/7/2024,23,长江大学生科院生物工程系,1、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250r/min,10/7/2024,24,长江大学生科院生物工程系,装液量，一般取1/10左右：,250ml 15-25 ml,500ml 30-50 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 92,10/7/2024,25,长江大学生科院生物工程系,2、影响发酵罐中k,L,a的因素,（1）设备参数,：发酵罐的形状结构、搅拌器（直径d）、挡板、空气分布器等。,（2）操作条件,：通气量Q、搅拌转速N、搅拌功率P,G,、罐压、发酵液体积V、液柱高度H,L,等。,（3）发酵液的性质,：密度、黏度、表面张力和扩散系数等。,（4）氧载体,10/7/2024,26,长江大学生科院生物工程系,例,某一产品的发酵,d N P,G,/,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（溶氧浓度），提高了产量,提高N，比提高Q有效,10/7/2024,27,长江大学生科院生物工程系,氧载体提高K,L,a,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。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,。,通常使用的氧载体主要有,:,液态烷烃、油酸、甲苯、豆油等。,10/7/2024,28,长江大学生科院生物工程系,10/7/2024,29,长江大学生科院生物工程系,30,长江大学生科院生物工程系,31,长江大学生科院生物工程系,对照,豆油,正十二烷,溶解氧变化趋势是一致的，表现为先下降后上升。但溶解氧的最低点不同。对照组PO,2,下降的最低点28%，而添加豆油的试验组为36.5%，添加正十二烷的为38.9%。因此添加氧载体，对于溶解氧的改善，尤其是在细胞耗氧旺盛的时期是极为有利的。,10/7/2024,32,长江大学生科院生物工程系,正十二烷,豆油,对照,33,长江大学生科院生物工程系,氧载体的添加，能促进法夫酵母虾青素的合成。与对照组相比，添加3%豆油和1%正十二烷的试验组虾青素产率分别由对照组的2.78mg/L增加至3.69mg/L和3.76mg/L，提高32.73%和35.26%。,还可看出，虾青素合成的差异主要集中在第24小时至第72小时之间。不添加氧载体的对照组，虾青素合成集中在前48小时，72小时后少有虾青素的合成。而添加氧载体的试验组，虾青素的合成可持续至96小时，尤其是在第48小时后仍有较大的合成速率。,返回,10/7/2024,34,长江大学生科院生物工程系,溶氧控制的一般策略：,前期,大于临界呼吸溶氧浓度有利于菌体生长，,中后期,满足产物的形成。,发酵液的溶氧浓度，是由,供氧,和,需氧,两方面所决定的。因此要控制好发酵液中的溶氧，需从这两方面着手。,六、发酵过程中溶解氧的控制,10/7/2024,35,长江大学生科院生物工程系,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,增大通气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,10/7/2024,36,长江大学生科院生物工程系,例,：搅拌与通气量对青霉素发酵的影响,杜文双，中国抗生素杂志，2002,10/7/2024,37,杜文双，中国抗生素杂志，2002,例,：搅拌与通气量对青霉素发酵的影响,10/7/2024,38,溶氧控制在发酵过程控制中的应用,国内外都有将溶氧、,pH,和补糖综合控制用于青霉素发酵的成功例子。控制的原则是,加糖速率,应正好使培养物处于半饥饿状态，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，并且其,摄氧率,不至于超过设备的供氧能力,K,L,a,，如下图。,10/7/2024,39,长江大学生科院生物工程系,氧控制点,其加糖阀由控制器操纵。当培养液的溶氧高于控制点时，加糖阀开大，糖的利用需要消耗更多的氧，导致溶氧读数下跌；反之，加糖速率便自动减小，摄氧率也会随之降低，引起溶氧读数逐渐上升。,图 溶氧在加糖控制中的应用,K,L,a因子推,动溶氧上升,总摄氧率驱,动溶氧下降,加糖阀,+,5%补糖阀开大,5%补糖阀关小,氧浓度,100%,饱和,10/7/2024,40,氧控,制点,补糖,速率,图 溶氧和pH综合控制系统,pH,读数,K,L,a,控制系统：,1、搅拌转速,2、通气速率,3、罐压,氧浓度,100%,饱和,减,增,增,减,6.6,5.8,这种控制系统是按溶氧、,K,L,a,因子和菌的需氧之间的变化来决定补糖速率的增减。而,K,L,a,是按pH的趋势来调节的。,读数,要降低pH就需加更多的糖，这样又会使溶氧下降到低于控制点。要维持原来的氧控制点又要加强通气搅拌或增加罐压。,要升高pH恰好相反。,10/7/2024,41,长江大学生科院生物工程系,思 考 题 或 作 业,1、比耗氧速度、呼吸强度、临界溶氧浓度、氧饱和度的概念？2、影响微生物需氧的因素有哪些？3、发酵液中的体积氧传递方程？,4、如何调节摇瓶发酵的供氧水平？5、如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平？6、如何测定发酵液中的溶氧浓度，以及发酵罐的Kla?,10/7/2024,42,长江大学生科院生物工程系,