氧的供需及对发酵的影响.ppt

溶氧(dissolved oxygen，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秒（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 第二节 发酵液中氧的供给 第三节 影响Kla的因素（供氧的调节） 第四节 与溶氧相关的参数测定 第五节 发酵过程中溶氧监控的意义,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(呼吸强度)（Qo2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g-1 cellh-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 O2L-1h-1 。,r = Qo2 .X,几种微生物的呼吸临界氧值,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr,QO2,CL,CCr: 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： CCr: 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/临界溶氧浓度,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 O2L-1S-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%,氧对鱼类的影响,胡隐昌，水产养殖,2003,三、影响需氧的因素,r = QO2 X,菌体浓度,QO2,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,C,P,气膜,液膜,只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微生物所利用 双膜理论前提： 气泡与包围着气泡的液体间存在接触面；气泡侧为气膜，液泡侧为液膜。O2以扩散方式，借浓度差由气液双膜进入液相。 双膜之间两相界面上，氧分压强与溶于界面液膜中的氧浓度处于平衡关系； 传质过程处于稳定态，传质途径个各点氧浓度不随时间变化。,双膜理论,Pi,Ci,传氧方向,界面,第二节 反应器中氧的传递,一、发酵液中氧的传递方程,C,P,气膜,液膜,N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h P: 气相中氧的分压强 C：液相溶解氧浓度,双膜理论,Pi,Ci,传氧方向,界面,C*P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度,Kl: 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 (m2/m3),Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h Kla: 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 = QO2 .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。,45升 1吨 10吨 搅拌速度 250 rpm 120 120 供氧速率 7.6 10.7 20.1,不同的设备供氧能力不一样,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 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 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 92,二、影响发酵罐中KLa的因素,已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：,1、理论上分析,KLa,n,d,通气量,提高搅拌转速，调节KLa的效果显著,例 某一产品的发酵 d n p0/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，发酵设备的供氧是有限的,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、生物反应器放大的基本思想,小型反应器和大型反应器的差异： 传动 传热 传递,生物反应过程,剪切、混合、供氧,箭叶,平叶,不同搅拌浆对菌体浓度的影响,发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化,平叶,箭叶,箭叶：在4h左右溶氧就从90的下降到14.8%，通过不断提高转数DO水平始终维持在20%左右。 平叶：在8h左右才下降到23.43%; 中后期DO水平则一直在40%以上。,平叶,箭叶,庆大霉素的生产水平提高了40%以上,计算流体力学,发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败(供氧、混合、剪切）。,根据r,KLa、搅拌桨特性搅拌功率 根据r、菌体细胞剪切搅拌器形式、转速等; 搅拌器的混和计算流体力学的应用研究; 大型发酵罐高功率搅拌器的加工与平衡， 传动装置技术和整体罐结构设计研究; 。,张嗣良，中国生物工程杂志，2005,根据r,KLa、搅拌桨特性 搅拌功率,KLa,N,D(搅拌功率）,Q（通气量）,大 小,小 大,5、影响KLa的其它因素,空气分布器,液体的粘度,氧载体,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(Menge et al., 2001; Lowe et al., 1998)。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oxygen-vector)。通常使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。,溶氧水平提高，虾青素合成增加,读书报告： 溶氧对发酵的影响及其控制 要求： 字数不限 要有参考文献（06年以后）,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)：,O2+2H+2e H2O2,原电池型(阴极)：,O2+2H2O+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,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：,dCL = -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,Cu2+ 2Na2SO3+O2 2Na2SO4,2、平衡法,r KLa = C*-CL,例：一装料为7L的发酵罐，通气量1vvm，操作压力为0.3 Kg/cm2，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的25%，空气进入时的氧含量为21%，废气排出时的氧含量为19.8%。（1 atm时氧饱和浓度C*=0.2mmol/L，氧气密度1.429 g/L）求此时菌的摄氧率和KLa,r=Q*(Y进口-Y出口)/V KLa=r/(C*-CL) 发酵罐中实际氧饱和浓度：C*=0.2(1+P) KLar/0.206(0.21 - 0.198),r =,1760,(0.21 - 0.198),1.429,/32,103,/7,3、动态法,不同的测定方法得出的kLa是不一样的,第五节 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,CL,一般有一个低谷，在对数生长的末期,华东理工大学学报，2000,OUR = r：摄氧率 TEMP：温度 AGIT：搅拌转速 DO：溶氧浓度,结论： 当OUR(r)与DO反向变化时,表明其限制因素为细胞水平的菌体代谢问题,当OUR(r)与DO同向变化时,表明其限制因素为工程水平的氧传递问题。此时溶氧处于临界氧以下(这一结论)可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。,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,溶氧浓度的变化及其控制,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/m