发酵过程控制(溶氧.ppt

发酵工程课件FermentationEngineering,第五章发酵过程控制（3),主讲人：夏帆,欢迎,光临,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,2,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KLa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),2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,3,溶解氧DissolveOxygen(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0.25mmol.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：CCr:125%饱和浓度表7-5P107,例：酵母4.610-3mmol.L-1,1.8%产黄青霉2.210-2mmol.L-1,8.8%,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,13,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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,14,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O2-和过氧化物基O22-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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,15,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。,16,2019年11月26日星期二,17,四、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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,18,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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,19,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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,20,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。,引起溶氧异常升高的原因,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,21,五、反应器中氧的传递,（一）发酵液中氧的传递方程,C,Ci,P,Pi,气膜,液膜,N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmkL:液膜传质系数m/h,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,22,C*PH，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),：体积传氧速率kmol/m3.h:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,23,（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kLa是最常用的方法，kLa反映了设备的供氧能力。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,24,1、影响摇瓶kLa的因素,为装液量和摇瓶机的种类,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,25,装液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30-50ml750ml80ml,例：500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml酶活力71373425392,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,26,2、影响发酵罐中kLa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PG、罐压、发酵液体积V、液柱高度HL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,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,27,例某一产品的发酵dNPG/VC产量4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455,例黑曲霉生产糖化酶N230230270通气比1:0.81:1.21:0.8产量181224162846,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,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,28,氧载体提高KLa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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,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,31,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,32,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PO2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。,长江大学生科院生物工程系,33,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,34,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。,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,35,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,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,36,一般认为，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17.15mg/ml24小时增加22.55mg/ml30小时增加18.25mg/ml36小时增加12.34mg/ml,2019年11月26日星期二,37,杜文双，中国抗生素杂志，2002,2019年11月26日星期二,38,杜文双，中国抗生素杂志，2002,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,39,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KLa，如下图。,2019年11月26日星期二,40,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,KLa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,2019年11月26日星期二,长江大学生科院生物工程系,41,氧控制点,补糖速率,图溶氧和pH综合控制系统,pH,读数,KLa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、KLa因子和菌的需氧之间的变化来决定补糖速率的增减。而KLa是按pH的趋势来调节的。,