5发酵过程控制(溶氧)

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2023最新整理收集do

something18十二月2023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)18十二月2023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15~30s便耗竭。生物氧化氧吸收率<1%,浪费、产泡沫、染菌。在发酵过程中有效而经济地供氧极为重要。

18十二月2023长江大学生科院生物工程系4

内容速览一、描述微生物需氧的物理量

二、影响需氧的因素三、溶氧浓度对菌体生长和产物形成的影响四、发酵过程中溶解氧的变化五、反应器中氧的传递六、发酵过程中溶解氧的控制溶氧控制18十二月2023长江大学生科院生物工程系5一、描述微生物需氧的物理量

比耗氧速率或呼吸强度（QO2

）：单位重量的细胞(干重)在单位时间内所消耗的氧气，mmolO2/(g菌·h)

摄氧率(r)：单位体积的发酵液在单位时间内所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.XX——细胞浓度（g/L)

返回18十二月2023长江大学生科院生物工程系6二、影响需氧的因素

菌体浓度X：直接影响培养液的摄氧率。QO2：呼吸强度又受到很多因素影响r=QO2.X18十二月2023长江大学生科院生物工程系7二、影响需氧的因素呼吸强度QO2的影响因素（五点）

遗传因素菌龄代谢类型培养基的成分与浓度发酵条件18十二月2023长江大学生科院生物工程系8二、影响需氧的因素呼吸强度QO2的影响因素（五点）

遗传因素：不同的微生物呼吸强度是不同的。一般为25～100mmolO2/(L·h)。菌龄：一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长慢，呼吸强度小。代谢类型：若产物是通过三羧酸循环(TCA)获取，则呼吸强度高，如Glu、天冬氨酸的生产；若糖酵解途径(EMP)，则呼吸强度低，如苯丙氨酸、亮氨酸的生产。18十二月2023长江大学生科院生物工程系9

培养基的成分与浓度

培养基成分尤其是碳源对细胞的耗氧量有很大影响。培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。营养丰富，菌体生长快，耗氧量大.

此外，若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也回受到限制。不同碳源对青霉素摄氧率的影响内源呼吸？外源呼吸？如果外界没有供给能源，而是利用自身内部储存的能源物质进行呼吸

在正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸

18十二月2023长江大学生科院生物工程系10

发酵条件

温度、pH通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗氧温度还影响发酵液中的溶氧浓度有些有害物质的积累，如NH3、CO2会抑制微生物的呼吸

返回18十二月2023长江大学生科院生物工程系11三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrCCr：呼吸临界氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如果对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。QO2CL（溶解氧浓度）

当溶解氧浓度高于临界值时，微生物的呼吸强度保持恒定，与培养液中的氧浓度无关；当低于这个临界值时，微生物的呼吸强度受到溶解氧浓度的影响，这时细胞的代谢活动会因溶解氧浓度的限制受到影响。p107Criticalcontentration18十二月2023长江大学生科院生物工程系12注意：有时产物合成临界氧浓度和菌体生长所需的呼吸临界氧浓度会不一样：

头孢菌素卷须霉素生长CCr

为5%(相对于饱和浓度）

CCr

为13%产物>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:

＝1～25%饱和浓度表7-5P107例：酵母4.6×10-3mmol.L-1,1.8%

产黄青霉2.2×10-2mmol.L-1,8.8%18十二月2023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。

18十二月2023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。18十二月2023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氧的满足程度氨基酸的相对产量

返回18十二月202317四、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。

18十二月2023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6～20h，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。

18十二月2023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：

①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；

②菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降；

③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。18十二月2023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。

返回引起溶氧异常升高的原因18十二月2023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CCiPPi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/h18十二月2023长江大学生科院生物工程系22C*＝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)：体积传氧速率kmol/m3.h:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-118十二月2023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。

45升1吨10吨搅拌速度250r/min120120供氧速率7.610.720.1发酵常用的设备为：摇瓶、发酵罐18十二月2023长江大学生科院生物工程系241、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250r/min18十二月2023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7137342539218十二月2023长江大学生科院生物工程系262、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18十二月2023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18十二月2023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。18十二月2023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3118十二月2023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○正十二烷□豆油△对照18十二月2023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。

返回18十二月2023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18十二月2023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/ml18十二月202337例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影响杜文双，中国抗生素杂志，200218十二月202338杜文双，中国抗生素杂志，2002例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影响18十二月2023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