發(fā)酵液體積氧的濃度課件

1、氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響第八章第八章 發(fā)酵過程（發(fā)酵過程（2 2） 溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過程中是需氧微生物生長(zhǎng)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有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制控制因素。因素。 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(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到長(zhǎng)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)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便此時(shí)中止

2、供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。耗竭，使溶氧成為限制因素。 氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響l微生物對(duì)氧的需求微生物對(duì)氧的需求l發(fā)酵液中氧的供給發(fā)酵液中氧的供給l影響影響K KLaLa的因素（供氧的調(diào)節(jié)）的因素（供氧的調(diào)節(jié)）l與溶氧相關(guān)的參數(shù)測(cè)定與溶氧相關(guān)的參數(shù)測(cè)定l發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義氧的供需及對(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（Q QO2O2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolmmol O

3、 O2 2g g-1-1( (干干菌體菌體) ) h h-1-1 攝氧率攝氧率(r)(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolmmol O O2 2L L-1-1h h-1-1。r= Qr= QO2O2 .X .X微生物對(duì)氧的需求二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)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呼吸所允許的最低溶氧濃度。微生物對(duì)氧的需求微生物對(duì)氧的需求某些微生物的臨界氧濃度Strains溫度溫度/ CCr / (moL/L)固氮菌3

4、00.018-0.049E.coli37.80.0082E.coli150.0031黏性賽氏桿菌310.0015釀酒酵母34.80.0046釀酒酵母200.0037米曲霉300.02一般對(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 4.610-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.210-2 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(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度1.微生物對(duì)氧的需求問題：?jiǎn)栴}：一般微生物的臨界

5、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 O2L-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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)生長(zhǎng) 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%微生物對(duì)氧的需求品種測(cè)定水溫窒息點(diǎn)（mmol/L)相當(dāng)于鯉魚290.09-0.014%鰱魚270.01-0.024-8%鯽魚290.0042%氧對(duì)魚類

6、的影響氧對(duì)魚類的影響胡隱昌，水產(chǎn)養(yǎng)殖,2003微生物對(duì)氧的需求三、影響需氧的因素三、影響需氧的因素r= QO2 *Xq 菌體濃度菌體濃度q QO2 遺傳因素遺傳因素 菌菌齡齡 營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度營(yíng)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)條件微生物對(duì)氧的需求第二節(jié)第二節(jié) 反應(yīng)器中氧的傳遞反應(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

7、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：?jiǎn)挝惑w積的液體中所具有的氧的傳遞面積為再令：?jiǎn)挝惑w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)力的溶氧傳遞系數(shù)為推動(dòng)力的溶氧傳遞系數(shù) h-1反應(yīng)器中氧的傳遞二、發(fā)酵液中氧的平衡二、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：( *)lNvK a cc消耗：消

8、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反應(yīng)器中氧的傳遞三、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(lái)調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)其中其中 C*P*HNvHPKla反應(yīng)器中氧的傳遞亨利常數(shù)，表示氣體溶解于液體中難易程度氧的分壓溶氧傳遞系數(shù)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)KlaKla是最常用的方法，是最常用的方法，klakla反映了設(shè)備的供氧能力反映了設(shè)備的供氧能力。 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不同的設(shè)

9、備供氧能力不一樣不同的設(shè)備供氧能力不一樣反應(yīng)器中氧的傳遞第三節(jié) 影響Kla的因素 KlaKla反映了設(shè)備的供氧能力。反映了設(shè)備的供氧能力。 發(fā)酵常用的設(shè)備為：搖瓶發(fā)酵常用的設(shè)備為：搖瓶 發(fā)酵罐發(fā)酵罐 影響Kla的因素一、影響搖瓶kla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影響Kla的因素裝液量，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：例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察

10、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 U/mL影響Kla的因素二、影響發(fā)酵罐中二、影響發(fā)酵罐中Kla的因素的因素影響Kla的因素影響Kla的因素影響Kla的因素已知在通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐中，全擋板條件下：已知在通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐中，全擋板條件下：(/) ()gsKlaK P VV230.4500.56()ggP ndPCQ350PKn d()KlandQ影響Kla的因素Pg攪拌器的軸功率1、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

11、影響Kla的因素例例1 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 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455 例例2 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有效有效影響Kla的因素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

12、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)物帶走影響Kla的因素例：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)備的供氧是有限的所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供氧是有限的影響Kla的因素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)q 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)q 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往

13、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影響Kla的因素4 4、生物反應(yīng)器放大的基本思想、生物反應(yīng)器放大的基本思想小型反應(yīng)器和大型反應(yīng)器的差異： 傳動(dòng) 傳熱 傳遞生物反應(yīng)過程剪切、混合、供氧影響Kla的因素氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響影響Kla的因素箭葉平葉影響Kla的因素不同攪拌漿對(duì)菌體濃度的影響不同攪拌漿對(duì)菌體濃度的影響影響Kla的因素發(fā)酵過程中攪拌轉(zhuǎn)速和溶氧的變化發(fā)酵過程中攪拌轉(zhuǎn)速和溶氧的變化平葉箭葉箭葉：在4h左右溶氧就從90的下降到14.8%，通過不 斷提高轉(zhuǎn)數(shù)DO水平始終維持在20%左右。平葉：在

14、8h左右才下降到23.43%; 中后期DO水平則 一直在40%以上。影響Kla的因素平葉箭葉慶大霉素的生產(chǎn)水平提高了40%以上影響Kla的因素影響Kla的因素影響Kla的因素計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)影響Kla的因素 發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時(shí)不可發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時(shí)不可能同時(shí)做到幾何相似、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和流體能同時(shí)做到幾何相似、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和流體動(dòng)力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)動(dòng)力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個(gè)因素生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個(gè)因素恰恰在放大時(shí)成為關(guān)鍵因子時(shí)，就會(huì)造成整個(gè)恰恰在放大時(shí)成為關(guān)鍵因子時(shí)，就會(huì)

15、造成整個(gè)發(fā)酵過程的失敗發(fā)酵過程的失敗( (供氧、混合、剪切）供氧、混合、剪切）。影響Kla的因素l 根據(jù)r,Kla、攪拌槳特性攪拌功率l 根據(jù)r、菌體細(xì)胞剪切攪拌器形式、轉(zhuǎn)速等;l 攪拌器的混和計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用研究;l 大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動(dòng)平衡，l 傳動(dòng)裝置技術(shù)和整體罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究;l 。影響Kla的因素q根據(jù)根據(jù)r,Klar,Kla、攪拌槳特性、攪拌槳特性攪拌功率攪拌功率KlaN,D(攪拌功率）Q（通氣量）大 小小 大影響Kla的因素5、影響、影響Kla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氧載體氧載體影響Kla的因素影響Kla的因素 通過在發(fā)酵液中引入一

16、種新的液相，以減少氣液傳通過在發(fā)酵液中引入一種新的液相，以減少氣液傳氧阻力，從而提高傳氧效率氧阻力，從而提高傳氧效率(Menge(Menge et al., 2001; et al., 2001; Lowe et al., 1998)Lowe et al., 1998)。這種液相一般具有比水更高的溶。這種液相一般具有比水更高的溶氧能力，且與發(fā)酵液互不相溶，稱為氧載體氧能力，且與發(fā)酵液互不相溶，稱為氧載體oxygen-oxygen-vector)vector)。通常使用的氧載體主要有。通常使用的氧載體主要有: :液態(tài)烷烴、油酸、液態(tài)烷烴、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。甲苯、全氟化碳、豆油等。影響

17、Kla的因素溶氧水平提高，蝦青素合成增加影響Kla的因素讀書報(bào)告：溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制要求： 字?jǐn)?shù)不限 要有參考文獻(xiàn)（04年以后）影響Kla的因素第四節(jié)第四節(jié) C CL L、r r和和KlaKla的測(cè)定的測(cè)定一、一、CL的測(cè)定的測(cè)定1、化學(xué)法、化學(xué)法I2+2CL、r和Kla的測(cè)定2、溶氧電極、溶氧電極q 極譜型極譜型(陰極陰極)：O2+2H+2e H2O2q 原電池型原電池型(陰極陰極)：O2+2H2O+4e 4OH-CL、r和Kla的測(cè)定 極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相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

18、有溫應(yīng)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)莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點(diǎn)正是原電池型的輸出不受電極表面液流的影響。這點(diǎn)正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時(shí)其電電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時(shí)其電流輸出約流輸出約530A(主要取決于陰極的表面積和測(cè)試溫主要取決于陰極的表面積和測(cè)試溫度度)，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記，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用。錄議上便可直接使用。 q 膜：耐溫、透氣、不通水膜：耐溫、透氣、不通水q 測(cè)定

19、：一般是得到相對(duì)值測(cè)定：一般是得到相對(duì)值CL、r和Kla的測(cè)定二、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)酵液體積氧的濃度：氧分壓儀氧的濃度：氧分壓儀CL、r和Kla的測(cè)定2、溶氧電極、溶氧電極停止供氣停止供氣：dCL = -r dtCL、r和Kla的測(cè)定三、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 2Na2SO4CL、r和Kla的測(cè)定2、平衡法

20、、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)菌體的攝氧率和發(fā)酵罐的酵罐的Kla.CL、r和Kla的測(cè)定3、動(dòng)態(tài)法、動(dòng)態(tài)法q 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CL、r和Kla的測(cè)定第五節(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）：rXQC

21、L一般有一個(gè)低谷，一般有一個(gè)低谷，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的末期在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的末期溶氧濃度的變化及其控制溶氧濃度的變化及其控制OUR = r：攝氧率：攝氧率 TEMP：溫度：溫度AGIT：攪拌轉(zhuǎn)速：攪拌轉(zhuǎn)速 DO：溶氧濃度：溶氧濃度溶氧濃度的變化及其控制結(jié)論： 當(dāng)當(dāng)OUR(r)OUR(r)與與DODO反向變化時(shí)反向變化時(shí), ,表明其限制因素為細(xì)表明其限制因素為細(xì)胞水平的菌體代謝問題胞水平的菌體代謝問題, ,當(dāng)當(dāng)OUR(r)OUR(r)與與DODO同向變化時(shí)同向變化時(shí), ,表表明其限制因素為工程水平的氧傳遞問題。此時(shí)溶氧處明其限制因素為工程水平的氧傳遞問題。此時(shí)溶氧處于臨界氧以下于臨界氧以下( (這一結(jié)論這一結(jié)

22、論) )可客觀地、動(dòng)態(tài)地把握臨界可客觀地、動(dòng)態(tài)地把握臨界氧水平及氧平衡的制約因素。氧水平及氧平衡的制約因素。溶氧濃度的變化及其控制二、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溶氧濃度的變化及其控制 X,P t P X 0 t1 0t1growth phase t1endproducing phase 溶氧濃度的變化及其控制菌體生長(zhǎng)期：菌體生長(zhǎng)期：酶系統(tǒng)酶系統(tǒng) 酶系統(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(zhǎng)好后的細(xì)胞生長(zhǎng)好后的細(xì)胞產(chǎn)物合成產(chǎn)物合成溶氧濃度的變化及其控制產(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 溶氧濃度的變化及其控制發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長(zhǎng)，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。溶氧濃度的變化及其控制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