氧的供需及对发酵的影响课件

JIAXING UNIVERSITY,*,*,7.4,氧的供需及对发酵的影响,1,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,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。,2024/11/11,2,7.4.1,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,）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，,mmol O,2,g,菌,-1,h,-1,摄氧率,(OUR,，,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,X:,菌体密度,g,菌,/L,2024/11/11,3,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,c,Cr,Q,O2,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,一般用空气氧饱和度表示。,2024/11/11,4,一般对于微生物：,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：,临界溶氧浓度临界时发酵液中氧的浓度,/,氧饱和度,所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度,不低于临界氧浓度即可,微生物,温度,临界氧值,/(mmol O,2,/L),温度,/C,临界氧值,/(mgO,2,/L),大肠杆菌,37.6,0.0082,0.0031,15.0,0.26,酵母,34.8,0.0046,0.0037,20.0,0.60,产黄青霉,30.0,0.0090,0.0220,24.0,0.40,2024/11/11,5,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,(0.25,为溶解氧浓度,),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,生长阶段,5-7%(,相对于饱和浓度）,13-23%,产物合成,10-20%8%,2024/11/11,6,在菌体生长和产物合成阶段,并非溶解氧浓度越高越好,卷须霉素发酵时,在,40-140 h,维持氧在,10%,比在,0,或,45%,时的产量都要高,过高的溶氧对菌体生长有害,主要原因可能是新生,O,超氧化物基 和过氧化物基,或羟基自由基 对菌体组分的破坏,2024/11/11,7,三、影响需氧的因素,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,2024/11/11,8,7.4.2,反应器中氧的传递,一、发酵液中氧的传递方程,(,氧的溶解情况,),C,L,C,i,P,P,i,气膜,液膜,N,：单位接触面积传氧速率,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,气液界面,:,氧从气膜到液膜,2024/11/11,9,C*:,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),c*:,氧在水中的饱和浓度,mmol/L,所有能增加以上两指标的因素都能改善供氧,再令：单位体积的液体中所具有的氧传递面积为,a(m,2,/m,3,),N,v,：体积传氧速率,kmol/m,3,.h,K,L,a:,以,(c*-c),为推动力的体积溶氧系数,h,-1,2024/11/11,10,二、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,消耗：,OUR=Q,O,2,.X,氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面,2024/11/11,11,三、供氧的调节,c,L,有一定的工艺要求，所以可以通过,K,L,a,和,c*,来调节,其中,c*,P/H,P:,氧分压,H:,亨利常数,与温度及液体中固形物质的浓度有关,Nv,H,P,K,L,a,2024/11/11,12,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，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 20.1,2024/11/11,13,7.4.3,影响,K,L,a,的因素,K,L,a,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,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,250rpm,2024/11/11,14,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 92,2024/11/11,15,1,、理论上分析,K,L,a,n,：转速,d,：搅拌桨直径,通气量,A.,提高搅拌，调节,K,L,a,的效果显著,二、影响发酵罐中,K,L,a,的因素,2024/11/11,16,提高搅拌增强溶氧系数的原因,搅拌能把大气泡打成微小气泡,增加了接触面积,延长了接触时间,(,小气泡上升慢,),搅拌使液体作涡流运动,延长了气体在罐体内上升的时间,搅拌使液体呈湍流运动,减少了气泡周围液膜的厚度,搅拌使菌体分散,增加了接触面积,有利于氧的传递,过度剧烈搅拌产生的剪切力很大,要考虑到对细胞尤其是菌丝体的损伤,2024/11/11,17,B.,搅拌器,类型,:,轴向式,(,桨式,锚式,框式,推进式,),和径向式,(,涡轮式,),圆盘涡轮式的溶氧效果最好,主要产生径向液流,但不利于罐内液体的混合,因此,下组用圆盘涡轮式搅拌打碎气泡,上组用平浆式搅拌混合料液,叶径,d:,相对位置,:,下组搅拌器离罐底,0.8-1 d,较好,两组搅拌器之间的距离也要仔细考虑,搅拌器的组数,:,2024/11/11,18,C.,空气线流速,空气线速度过大时,会发生”过载”现象,即浆叶不能打散空气,气流形成大气泡在浆的周围逸出,2024/11/11,19,例,某一产品的发酵,d n c,产量,450 180 20%4978,450 280 40%5564,550 180 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,2024/11/11,20,D.,空气分布器,E.,液体的粘度,空气分布器的类型,喷口直径,管口与罐底距离,影响气泡的大小,稳定性和氧的传递效率,F.,氧分压,增大罐压或增大通入气体中的氧分压,(,如通入纯氧,),2024/11/11,21,G.,发酵罐内液柱高度,经验,:H/D,从,1,增加到,2,K,L,a,可增加,40%;,从,2,增加到,3,K,L,a,增加,20%.,一般以,2-3,为宜,H.,发酵罐体积,大罐氧利用率高,相同几何形状的罐体,体积大的氧利用率可达,7-10%;,而体积小的只有,3-5%,2024/11/11,22,2,、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,2024/11/11,23,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,0(,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，发酵设备的供氧是有限的,2024/11/11,24,皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：,1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。,皮肌炎图片,皮肌炎的症状表现,3,、小型发酵罐和大型发酵罐调节,K,L,a,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,2024/11/11,26,7.5.4 C,L,、,OUR,和,K,L,a,的测定,一、,C,L,的测定,1,、碘量法,2024/11/11,27,2,、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,-,测定：一般是得到相对值,2024/11/11,28,二、,OUR,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）,OUR=,发酵液体积,氧的浓度：氧分压仪,2024/11/11,29,停止供气,：,dC,L,=-OUR,dt,2024/11/11,30,用溶氧电极测定,OUR,，要求电极响应时间短，能跟上摄氧率的变化,测定前先用纯水标定电极，得到单位电流代表的溶氧浓度：,i,饱,在饱和氧浓度,C*,时的电流值,i,残,氧浓度为零时电极所具有的电流,2,、溶氧电极,2024/11/11,31,若测定某培养时间的摄氧率，则关闭通气阀，保持搅拌，在罐顶通氮气，赶走上面的空气。此时，由于耗氧，,C,L,下降，仪表上电流值也不断下降,t,停止供气后,C,L,下降到最低点时所需时间,i,在,t,时间内的电流变化,2024/11/11,32,三、,K,L,a,的测定,1,、亚硫酸盐法（冷膜）,氧 亚硫酸钠的氧化,K,L,a,.C*=,亚硫酸浓度的降低,Cu,2+,2Na,2,SO,3,+O,2,2Na,2,SO,4,2024/11/11,33,2,、平衡法,OUR,K,L,a=,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,K,L,a,式中,C*,可以查得，,C,L,可以用溶氧电极测得，,OUR,也可算出，因此可求得,K,L,a,值,2024/11/11,34,待溶氧到最低点后再恢复通气。这样可以得到溶氧随时间变化的曲线,用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧达到平衡，溶氧是一条水平线,这时停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉氧气。由于微生物对氧的利用，溶氧迅速下降，过一段时间溶氧下降缓慢,3,、动态法,2024/11/11,35,C,L,/t=K,L,a(C*-C,L,)-OUR,C,L,=-1/K,L,a(C,L,/t+OUR)+C*,将,C,L,对,C,L,/t+OUR,作图，得到一条直线，斜率为,-1/K,L,a,因此可求得,K,La,，延长直线与纵坐标相交点为,C*,溶解氧浓度随通气变化的情况,K,L,a,的求取,OUR,OUR,2024/11/11,36,7.4.5,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,K,L,a,下）：,OUR,X,Q,C,L,一般有一个低谷，在对数生长的末期,2024/11/11,37,二、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,2024/11/11,38,2024/11/11,39,菌体生长期：,酶系统,酶系统,关键因子,开始的细胞,长好以后的细胞,产物合成,2024/11/11,40,产物形成期：,底物,产物,酶系统,反应动力学问题,2024/11/11,41,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