第六章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,溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵,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,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,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,。,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCC,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.,一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度例：酵母 4,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%,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,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,三、影响需氧的因素r=QO2.X 菌体浓度 QO2,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,第二节 反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程CCiPPi,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,C*P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:,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,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,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,三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和C*,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,调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来,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,第三节 影响Kla的因素 Kla反映了设备的供氧能,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,装液量，一般取1/10左右：例：500 ml 摇瓶中生产蛋,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：,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,1、理论上分析KLand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,例 某一产品的发酵例 黑曲霉生产糖化酶提高d、n显著提高C,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,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,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,例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培通气,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,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,4、影响Kla的其它因素,空气分布器,液体的粘度,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,第四节 CL、r和Kla的测定一、CL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,-,2、溶氧电极 极谱型(阴极)：O2+2H+2e 原电池型(,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530A(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,极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应,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,二、r的测定1、物料衡算 流量（进口空气中氧的氧含量,2、溶氧电极,停止供气,：,dC,L,=-r,dt,2、溶氧电极停止供气：dCL,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,4,三、Kla的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）氧 亚硫酸钠的氧化K,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,2、平衡法 r例：一个装料为7L的实验室,3、动态法,不同的测定方法得出的kla是不一样的,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,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,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,二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反应:,第六章氧的供需及对发酵的影响课件,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,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,产物形成期：,底物,产物,酶系统,反应动力学问题,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,。,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,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,12,2、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵：要求：氧饱和度1控,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,一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪,例,：某厂青霉素发酵的工艺研究,*,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,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,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,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,