6第六章氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響515

1、 溶氧溶氧(do)是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。素。 在在28氧在發(fā)酵液中的氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只有的空氣飽和濃度只有0.25 mmol.l-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生倍。在對(duì)數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100空氣飽和度，若空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。使溶氧成為限制因素。 第六

2、章 氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響第一節(jié) 微生物對(duì)氧的需求一、描述微生物需氧的物理量一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（qo2）：單位時(shí)間內(nèi)單位體積）：單位時(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmol o2g菌菌-1h-1 攝氧率攝氧率(r)：單位時(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。：單位時(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmol o2l-1h-1 。r= qo2 .x二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響ccrqo2clccr: 臨界溶氧濃度臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度指不影響

3、呼吸所允許的最低溶氧濃度。一般對(duì)于微生物：一般對(duì)于微生物： ccr: 115%飽和濃度飽和濃度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.l-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.2*10-2 mmol.l-1, 8.8%定義定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度臨界溶氧溶度所以對(duì)于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度所以對(duì)于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度1.問題：問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足。氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率例：以微生物的攝氧率0.052 mmol o

4、2l-1s-1 計(jì)，計(jì)， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣： 頭孢菌素頭孢菌素 卷須霉素卷須霉素生長生長 5% (相對(duì)于飽和濃度）相對(duì)于飽和濃度） 13%產(chǎn)物產(chǎn)物 13% 8%三、影響需氧的因素三、影響需氧的因素r= qo2 .x 菌體濃度菌體濃度 qo2 遺傳因素遺傳因素 菌齡菌齡 營養(yǎng)的成分與濃度營養(yǎng)的成分與濃度 有害物質(zhì)的積累有害物質(zhì)的積累 培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件第二節(jié) 反應(yīng)器中氧的傳遞一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程()()gilinkppk ccccippi氣膜氣膜液膜液

5、膜n：傳氧速率：傳氧速率 kmol/m2.hkg: 氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atmkl: 液膜傳質(zhì)系數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù) m/hc*p/h, 與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度( *)lnk cckl: 以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù) (m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為 a (m2/m3)( *)lnvk a ccnv：體積傳氧速率：體積傳氧速率 kmol/m3.hkla: 以以(c*-c)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù) h-1二、發(fā)酵液

6、中氧的平衡二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中傳遞：傳遞：)*(ccaknvl消耗：消耗：r= qo2 .x氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面三、供氧的調(diào)節(jié)三、供氧的調(diào)節(jié)( *)lnvk a ccc有一定的工藝要求，所以可以通過有一定的工藝要求，所以可以通過kla 和和c*來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)其中其中c*p/hnvhpkla第六章 氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力，反映了設(shè)備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。一般來講大罐比小罐要好

7、。 45升升 1噸噸 10噸噸攪拌速度攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1第三節(jié) 影響kla的因素 kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。瓶與發(fā)酵罐。一、影響搖瓶一、影響搖瓶kla的因素的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類為裝液量和搖瓶機(jī)的種類搖瓶機(jī)搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率往復(fù)，頻率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述轉(zhuǎn)述250rpm裝液量，一般取裝液量，一般取1/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例

8、：例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響 裝液量裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92二、影響發(fā)酵罐中二、影響發(fā)酵罐中kla的因素的因素已知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：已知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：(/) ()gsklak p vv230.4500.56()ggp ndpcq350pkn d()klandq1、理論上分析、理論上分析kland通氣量提高攪拌，調(diào)節(jié)提高攪拌，調(diào)節(jié)kla的效果顯著的效果顯著例例 某一產(chǎn)品的發(fā)酵某一產(chǎn)品的發(fā)酵 d n p0/v c 產(chǎn)量產(chǎn)量 45

9、0 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生產(chǎn)糖化酶黑曲霉生產(chǎn)糖化酶 n 230 230 270 通氣比通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產(chǎn)量產(chǎn)量 1812 2416 2846提高提高d、n顯著提高顯著提高c,提高了產(chǎn)量提高了產(chǎn)量提高提高n, 比提高比提高q有效有效2、實(shí)際上：、實(shí)際上：對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走例：紅曲霉生產(chǎn)色素用于食品工業(yè)，靜止培養(yǎng)改為通氣培

10、例：紅曲霉生產(chǎn)色素用于食品工業(yè)，靜止培養(yǎng)改為通氣培 養(yǎng)，比色法測(cè)定產(chǎn)量：養(yǎng)，比色法測(cè)定產(chǎn)量：通氣通氣 靜止靜止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 od 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供養(yǎng)是有限的所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供養(yǎng)是有限的3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點(diǎn)的特點(diǎn) 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào) 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào) 大型反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)大型反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì) 對(duì)現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套對(duì)現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套4、影響、影響k

11、la的其它因素的其它因素空氣分布器空氣分布器液體的粘度液體的粘度第四節(jié) cl、r和kla的測(cè)定一、一、cl的測(cè)定的測(cè)定1、化學(xué)法、化學(xué)法2、溶氧電極、溶氧電極 極譜型極譜型(陰極陰極)：o2+2h+2e h2o2 原電池型原電池型(陰極陰極)：o2+2h2o+4e 4oh- 極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應(yīng)極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應(yīng)小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補(bǔ)小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補(bǔ)償，整套儀器價(jià)格較高，但其最大優(yōu)點(diǎn)莫過于它的輸出償，整套儀器價(jià)格較高，但其最大優(yōu)點(diǎn)莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點(diǎn)正是原電池型電極

12、所不不受電極表面液流的影響。這點(diǎn)正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時(shí)其電流輸出約具備的。原電池型電極暴露在空氣中時(shí)其電流輸出約530a(主要取決于陰極的表面積和測(cè)試溫度主要取決于陰極的表面積和測(cè)試溫度)，可以不用，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。用。 膜：耐溫、透氣、不通水膜：耐溫、透氣、不通水 測(cè)定：一般是得到相對(duì)值測(cè)定：一般是得到相對(duì)值二、二、r的測(cè)定的測(cè)定1、物料衡算、物料衡算 流量（進(jìn)口空氣中氧的氧含量流量（進(jìn)口空氣中氧的氧含量出口空氣中的氧含量）出口空氣中的氧含量）r= 發(fā)酵液體積發(fā)酵液體積

13、氧的濃度：氧分壓儀氧的濃度：氧分壓儀2、溶氧電極、溶氧電極停止供氣停止供氣：dcl = -r dt三、三、kla的測(cè)定的測(cè)定1、亞硫酸鹽法（冷膜）、亞硫酸鹽法（冷膜）氧氧 亞硫酸鈉的氧化亞硫酸鈉的氧化kla.c* = 亞硫酸濃度的降低亞硫酸濃度的降低 cu2+ 2na2so3+o2 2na2so42、平衡法、平衡法 rkla= c*-cl例例：一個(gè)裝料為：一個(gè)裝料為7l的實(shí)驗(yàn)室小罐，通氣量為的實(shí)驗(yàn)室小罐，通氣量為1vvm（標(biāo)（標(biāo)態(tài)），發(fā)酵液的態(tài)），發(fā)酵液的cl25%、空氣進(jìn)入時(shí)的氧含量為、空氣進(jìn)入時(shí)的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時(shí)菌體的攝氧率和發(fā)，求此時(shí)

14、菌體的攝氧率和發(fā)酵罐的酵罐的kla3、動(dòng)態(tài)法、動(dòng)態(tài)法 不同的測(cè)定方法得出的不同的測(cè)定方法得出的kla是不一樣的是不一樣的第四節(jié) 溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定一、典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定kla下）：下）：rxqcl一般有一個(gè)低谷，一般有一個(gè)低谷，在對(duì)數(shù)生長的末期在對(duì)數(shù)生長的末期二、發(fā)酵過程中溶氧的控制二、發(fā)酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略、溶氧控制的策略微生物反應(yīng)微生物反應(yīng): xs p+ x=a+b x,p t p x 0 t1 0t1growth phase t1endproducing phase 菌體生長期：菌體生長期：酶系統(tǒng)酶系統(tǒng) 酶

15、系統(tǒng)酶系統(tǒng) 關(guān)鍵因子關(guān)鍵因子開始的細(xì)胞開始的細(xì)胞生長好后的細(xì)胞生長好后的細(xì)胞產(chǎn)物合成產(chǎn)物合成產(chǎn)物形成期：產(chǎn)物形成期：底物底物產(chǎn)物產(chǎn)物酶系統(tǒng)酶系統(tǒng) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題 發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。2、溶氧控制的實(shí)例、溶氧控制的實(shí)例gaxdo谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(fā)酵：要求：氧飽和度要求：氧飽和度1控制：控制：0-12小時(shí)小時(shí) 小通風(fēng)小通風(fēng) 12小時(shí)后小時(shí)后 增加通風(fēng)增加通風(fēng)原因：原因：0-12小時(shí)菌體小時(shí)菌體量較小，采用小通風(fēng)量較小，采用小通風(fēng)12 一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大的剪切力，對(duì)菌體的生長有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以的剪切力，對(duì)菌體的生長有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以有時(shí)發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能有時(shí)發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時(shí)間一耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時(shí)間一定要把握好。定要把握好。例：例： 生產(chǎn)肌苷酸：生產(chǎn)肌苷酸：通氣量不變通氣量不變 17.15 mg/ml24小時(shí)增加小時(shí)增加 22.55 mg/ml30小時(shí)增加小時(shí)增加 18.25 mg/ml36小時(shí)增加小時(shí)增加 12.34 mg/ml例例：某廠