发酵——氧的供需及对发酵的影响PPT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0.25mmol.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,氧浓度对不同微生物生长的影响,Mateles对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算,生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求,某些微生物的临界氧浓度,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）：单位时间内单位体积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,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。,发酵过程的溶氧变化,发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升,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.,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%,根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：a.供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等,实例一,对黄色短杆菌生物合成氨基酸时发现：菌体的临界溶氧浓度为0.01mg/L,当溶氧浓度低于1.0时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0.55、0.60和0.85。,从合成途径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环(TCA)的中间体，而苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。,Feren和Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明，头孢菌素产生菌的临界氧浓度在07的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为1323。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于10-20；而对卷曲霉素则为8。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。,实例二,三、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,一、发酵液中氧的传递方程,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,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-1,二、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，一般来讲大罐比小罐要好。,45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1,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,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71373425392,二、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,提高搅拌，调节kla的效果显著,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,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：,所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的,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、影响Kla的其它因素,空气分布器,液体的粘度,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+2eH2O2,原电池型(阴极)：,O2+2H2O+4e4OH-,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=-rdt,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+O22Na2SO4,2、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,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）：,一般有一个低谷，在对数生长的末期,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,菌体生长期：,开始的细胞,生长好后的细胞,产物形成期：,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,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,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17.15mg/ml24小时增加22.55mg/ml30小时增加18.25mg/ml36小时增加12.34mg/ml,例：某厂