发酵过程控制3.ppt

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 25 氧在发酵液中的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 发酵液中溶氧可在几秒 分 钟之内便耗竭 使溶氧成为限制因素 第六节溶氧对发酵的影响及其控制 微生物对氧的需求发酵液中氧的传递影响Kla的因素 供氧的调节 发酵过程中溶氧的控制 一 微生物对氧的需求 1 描述微生物需氧的物理量 微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示 呼吸强度 单位重量干菌体在单位时间内所吸取的氧量 以Qo2表示 单位 mmolO2 g干菌体 h 亦称氧的比消耗速率 耗氧速率 单位体积培养液在单位时间内的吸氧量 以r表示 单位为 mmolO2 L h r 微生物耗氧速率 mmolO2 L h QO2 菌体呼吸强度 mmolO2 g干菌体 h X 发酵液中菌体浓度 g L 当培养液中存在固体成分时 呼吸强度的测定有困难 这时微生物相对需氧量可用耗氧速率来表示 2 溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 C临界 QO2 CL 临界氧浓度 C临界 各种微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求 某些微生物的临界氧浓度 不同种类的微生物的需氧量不同 一般为25 100mmolO2 L h 同一种微生物的需氧量 随菌龄和培养条件不同而异 菌体生长和形成代谢产物时的耗氧量也往往不同 微生物菌体在不同时期不同阶段的耗氧速度 mmolO2 L h 在深层培养中进行通气供氧时 氧气从气泡传递至细胞内 需要克服一系列阻力 首先氧必须从气相溶解于培养基中 然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用 二 反应器中氧的传递 1 从气相主体到汽液界面的气膜传递阻力 2 气液界面的传递阻力 3 从气液界面传递到液膜的传递阻力 4 液相主体的传递阻力 5 细胞或细胞团表面液膜的传递阻力 6 固液界面的传递阻力 7 细胞团内的传递阻力 8 细胞膜的阻力 9 反应阻力 需氧方面的阻力 供氧方面的阻力 由于氧是难溶于水的气体 所以在供氧方面液膜阻力是氧溶于水时的限制因素 若使气泡和液体充分混合而产生湍动可以减少这方面的阻力 在耗氧方面 根据实验表明 液体主流和细胞壁上氧的浓度差很小 说明氧通过细胞周围液膜的阻力是很小的 所以主要阻力来自于菌丝丛内与细胞膜阻力 但搅拌可减少这方面的阻力 氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力 传递过程的总推动力就是气相与细胞内的氧分压之差或浓度差 在单位体积培养液中 氧的传递速率为 OTR 单位体积培养液的溶氧速率 mmol m3 h 比表面积 单位体积溶液中所含有的气液接触面积m2 m3 KL 液膜传递系数 m s KL 以浓度差为推动力的液相体积溶氧系数 h 1 CL 液相主体中的溶氧浓度 mmol m3 C 与气相氧分压平衡的液相溶氧饱和浓度 mmol m3 要提高供氧能力 主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积溶氧系数KL 氧传递的推动力 C C C CL 主要受氧饱和度C 的影响 而氧饱和度主要受温度 罐压及发酵液性质的影响 而这些参数在优化了的工艺条件下 已很难改变 因此需提高KL 值 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250rpm120120供氧速率7 610 720 1 不同的设备供氧能力不一样 三 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 1 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 转速250rpm 装液量 一般取1 10左右 250ml15 25ml500ml50ml750ml80ml 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 2 影响发酵罐中Kla的因素 1 搅拌搅拌可提高溶氧速率 搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡 增加了气 液接触面积和接触时间搅拌使液体作涡流运动 延长了气泡的运动路线 即增加了气液的接触时间搅拌使发酵液呈湍流运动 从而减少气泡周围液膜的厚度 减少液膜阻力 搅拌使菌体分散 有利于固液传递中的接触面积的增加 但过度强烈的搅拌使产生的剪切作用过大 对细胞的损伤增加 不同类型的搅拌桨叶 平叶 箭叶 对于气 液混合系统 以采用圆盘涡轮式搅拌器较好 右半边 不带挡板的搅拌流型 其中部液面下陷 搅拌功率大部分消耗在形成旋涡上 左半边 带挡板的搅拌流型 流体从搅拌器径向甩出去后 受挡板阻碍 形成向上 向下两部分 垂直方向流动 不发生中央下陷的旋涡 有着更高的溶氧速率 2 空气线速度 机械搅拌过程中通气效率或溶氧系数KLa随空气量增多而增大 当增加通风量时 空气线速度 Vs 相应增加 从而增大溶氧 但是 只增加风量 而转速不变时 功率会降低 又会使溶氧速率降低 同时 空气线速度过大时 会发生 过载 现象 这时浆叶不能打散空气 气流形成大气泡在轴的周围逸出 使搅拌效率和溶氧速率都大大降低 3 氧的分压 提高空气压力 提高罐压 可以增加氧的分压 因此可以增加氧的溶解度 由于一般微生物在5个大气压以下的压力下不会受到损害 因此适当提高罐压有利于通风效果的提高 但过分提高罐压 会使设备投资增加 耐压 且因提高罐压后 产生的CO2溶解量也要增加 会使培养液的pH值发生变化 影响微生物的生理代谢 4 发酵罐体积 通常大罐氧的利用率高 小罐氧的利用率差 发酵罐大小不同 所需搅拌转数与通风量不同 大罐的转速低 通风量较小 不同罐容与所需通风量的关系 5 发酵液的物理性质 发酵液的粘度 表面张力 离子浓度等会影响气泡的大小 气泡的稳定性和氧的传递效率 此外 发酵液的粘度的改变还影响液体的湍动性以及界面或液膜阻力 从而影响溶氧速率 通常当发酵液浓度增大 粘度增大时 Kla值降低 另外由于泡沫大量形成 菌体与泡沫形成稳定的乳浊液 影响了氧的传递 因而消除泡沫对溶氧有利 但消泡剂用量过多 消泡剂聚集在微生物细胞和气泡液膜表面 增加传质阻力 大大降低氧的传递速率 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 所以这些因素的存在 发酵设备的供氧是有限的 四 发酵过程中溶氧的控制 前期有利于菌体生长 中后