氧的供需及对发酵的影响PPT课件

,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。,第六章氧的供需及对发酵的影响,氧的供需及对发酵的影响,2,微生物对氧的需求发酵液中氧的供给影响Kla的因素（供氧的调节）与溶氧相关的参数测定发酵过程中溶氧监控的意义,氧的供需及对发酵的影响,3,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（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2g菌-1h-1,摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2L-1h-1。,r=QO2.X,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求,4,二、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。,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求,5,一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度,例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%产黄青霉2.2*10-2mmol.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.,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求,6,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0.052mmolO2L-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%,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求,7,氧对鱼类的影响,胡隐昌，水产养殖,2003,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求,8,三、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,氧的供需及对发酵的影响,微生物对氧的需求,9,第二节反应器中氧的传递,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,氧的供需及对发酵的影响,反应器中氧的传递,10,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.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1,氧的供需及对发酵的影响,反应器中氧的传递,11,二、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,氧的供需及对发酵的影响,反应器中氧的传递,12,三、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,氧的供需及对发酵的影响,反应器中氧的传递,13,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,氧的供需及对发酵的影响,反应器中氧的传递,14,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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,15,一、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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,16,装液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml,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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,17,二、影响发酵罐中Kla的因素,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,18,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,19,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,20,已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,21,1、理论上分析,KLa,n,d,通气量,提高搅拌，调节kla的效果显著,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,22,例某一产品的发酵dnp0/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,提高了产量,提高N,比提高Q有效,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,23,2、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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,24,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1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2,提高,下降,所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,25,3、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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,26,4、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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,27,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,28,箭叶,平叶,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,29,不同搅拌浆对菌体浓度的影响,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,30,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。,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,31,平叶,箭叶,庆大霉素的生产水平提高了40%以上,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,32,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,33,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,34,计算流体力学,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,35,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）。,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,36,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动平衡，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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,37,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,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,38,5、影响Kla的其它因素,空气分布器,液体的粘度,氧载体,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,39,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,40,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(Mengeetal.,2001;Loweetal.,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。,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,41,溶氧水平提高，虾青素合成增加,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,42,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（04年以后）,氧的供需及对发酵的影响,影响Kla的因素,43,第四节CL、r和Kla的测定,一、CL的测定,1、化学法,I2+2,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,44,2、溶氧电极,极谱型(阴极)：,O2+2H+2eH2O2,原电池型(阴极)：,O2+2H2O+4e4OH-,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,45,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,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,46,二、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,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,47,2、溶氧电极,停止供气：,dCL=-rdt,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,48,三、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+O22Na2SO4,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,49,2、平衡法,rKla=C*-CL,例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为1VVM（标态），发酵液的CL25%、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,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,50,3、动态法,不同的测定方法得出的kla是不一样的,氧的供需及对发酵的影响,CL、r和Kla的测定,51,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,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,52,华东理工大学学报，2000,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,53,OUR=r：摄氧率TEMP：温度AGIT：搅拌转速DO：溶氧浓度,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,54,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。,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,55,二、发酵过程中溶氧的控制,1、溶氧控制的策略,微生物反应:,XSP+X,=a+b,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,56,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,57,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,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,58,产物形成期：,底物,产物,酶系统,反应动力学问题,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,59,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。,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,60,2、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,氧的供需及对发酵的影响,溶氧浓度的变化及其控制,6