氧的供需及對(duì)發(fā)酵

1、第第7章章 發(fā)酵工業(yè)中氧發(fā)酵工業(yè)中氧的的供供需需主要內(nèi)容主要內(nèi)容第第1 1節(jié)節(jié) 細(xì)胞細(xì)胞對(duì)氧的需求對(duì)氧的需求( (為什么要供氧？為什么要為什么要供氧？為什么要 控制溶氧？）控制溶氧？）第第2 2節(jié)節(jié) 發(fā)酵發(fā)酵過程中氧的傳遞（如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何過程中氧的傳遞（如何實(shí)現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？）、控制溶氧？）、影響氧傳遞的因素影響氧傳遞的因素第第3節(jié)節(jié) 氧氧對(duì)發(fā)酵的影響及控制對(duì)發(fā)酵的影響及控制第一節(jié) 細(xì)胞對(duì)氧的需求一、氧一、氧在微生物發(fā)酵中的作用在微生物發(fā)酵中的作用二、溶解氧二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響三、影響三、影響耗氧的因素耗氧的因素四、溶解氧四、溶解氧控

2、制的意義控制的意義一、氧一、氧在微生物發(fā)酵中的作用在微生物發(fā)酵中的作用（對(duì)于好氣性微生物而言）n呼吸作用呼吸作用n直接參與一些生物合成反應(yīng)直接參與一些生物合成反應(yīng) COOHCHOHCHCHO3232只有只有溶解狀態(tài)溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。的氧才能被微生物利用。只考慮呼吸作用，則只考慮呼吸作用，則C C6 6H H1212O O6 6HH2 2O+COO+CO2 2 能量能量n上式可知，上式可知，180g180g葡萄糖完全氧化需要葡萄糖完全氧化需要192g192g O O2 2, ,在常壓下（在常壓下（2525），氧的溶解度僅為），氧的溶解度僅為6.4 mg /L，比比糖的溶解度小糖的溶解

3、度小70007000倍。倍。只能保證氧化只能保證氧化8.3mg葡萄糖，葡萄糖，僅相當(dāng)于常用培養(yǎng)基葡萄糖濃度的僅相當(dāng)于常用培養(yǎng)基葡萄糖濃度的11。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100100空氣空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。 微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1)(1)呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率） QO2 ：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干菌體在單單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧的量。單位：位時(shí)間內(nèi)消耗氧的量。

4、單位：mmolO2/（kg干菌體干菌體h）。l呼吸強(qiáng)度表示微生物的絕對(duì)吸氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固呼吸強(qiáng)度表示微生物的絕對(duì)吸氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，測(cè)定困難。用耗氧速率體成分存在時(shí)，測(cè)定困難。用耗氧速率(攝氧率攝氧率)表示表示.)(32hmmmolO(2) 攝氧率攝氧率r r（耗氧速率）：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液在單位時(shí)（耗氧速率）：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)消耗氧的量。間內(nèi)消耗氧的量。 nr=QO2xx細(xì)胞濃度，細(xì)胞濃度，kg(干重干重)/m3溶氧濃度表示方法溶氧濃度表示方法n氧分壓氧分壓或張力，以大氣壓或毫米汞柱表示，多在或張力，以大氣壓或毫米汞柱表示，多在醫(yī)療單位中使用。醫(yī)療單位中使用。n

5、絕對(duì)濃度絕對(duì)濃度，以，以mgO2/L純水或純水或ppm表示，電極法表示，電極法測(cè)定不出來絕對(duì)濃度，主要用在環(huán)保單位測(cè)定不出來絕對(duì)濃度，主要用在環(huán)保單位n空氣飽和度百分?jǐn)?shù)空氣飽和度百分?jǐn)?shù)在一定溫度、罐壓和通氣攪拌下以消后培養(yǎng)基被在一定溫度、罐壓和通氣攪拌下以消后培養(yǎng)基被空氣百分之一百飽和為基準(zhǔn)空氣百分之一百飽和為基準(zhǔn)二、溶解氧二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響QO2CCr: 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; ;好氧微生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的好氧微生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的1-25。 如對(duì)產(chǎn)

6、物，則是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。如對(duì)產(chǎn)物，則是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。CCrCLm2OL0Lm2O2OQCKCQQ一般對(duì)于微生物：一般對(duì)于微生物： CCr: 1 115%15%飽和濃度飽和濃度例：例：酵母酵母 4.64.6* *1010-3 -3 mmol.Lmmol.L-1-1, 1.8%, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.22.2* *1010-2 -2 mmol.Lmmol.L-1-1, , 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對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度

7、11問題：?jiǎn)栴}：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵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過程中氧很容易滿足?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)，在在28氧氧在發(fā)酵液中的在發(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左右左右 0.25/0.052=4.8秒秒注意：注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長(zhǎng)條件，常由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長(zhǎng)條件，常常不一樣常不一樣 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%三、影響三、

8、影響耗氧的因素耗氧的因素r = QO2 .Xr微生物攝氧率微生物攝氧率 mmol(O2)/LhQO2呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度 mmol(O2)/g (干菌體干菌體) hX 菌體量菌體量 g (干菌體干菌體) /L培養(yǎng)過程中細(xì)胞耗氧的一般規(guī)律培養(yǎng)過程中細(xì)胞耗氧的一般規(guī)律A. 培養(yǎng)初期：培養(yǎng)初期： QO2逐漸增高逐漸增高，x較小較小。B. 在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)初期：達(dá)到在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)初期：達(dá)到(QO2 )m，此時(shí)，此時(shí)x較低較低, r并不高并不高。C. 在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期：達(dá)到在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期：達(dá)到rm, 此時(shí)此時(shí) QO2 (QO2 )m ， x葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 n培養(yǎng)基濃度培養(yǎng)基濃度 濃度大濃度大, , Q

9、O2 ; 濃度小濃度小, , QO2影響微生物耗氧的因素（續(xù)）影響微生物耗氧的因素（續(xù)）發(fā)酵條件的影響發(fā)酵條件的影響 pHpH值值 通過酶活來影響耗氧特征通過酶活來影響耗氧特征; ; 溫度溫度 通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T, DO2代謝類型代謝類型( (發(fā)酵類型發(fā)酵類型) )的影響的影響 若產(chǎn)物通過若產(chǎn)物通過TCA循環(huán)獲取循環(huán)獲取, ,則則QO2高高, ,耗氧量大耗氧量大 若產(chǎn)物通過若產(chǎn)物通過EMP途徑獲取途徑獲取, ,則則QO2低低, ,耗氧量小耗氧量小n溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響可能是不溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須同的

10、，所以須了解長(zhǎng)菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的了解長(zhǎng)菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量最適需氧量。 n氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。n目前目前, ,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率效率, ,就能大大降低空氣消耗量就能大大降低空氣消耗量, ,從而降低設(shè)備費(fèi)和從而降低設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力消耗動(dòng)力消耗, ,且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會(huì)且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會(huì), , 大大提高大大提高設(shè)備利用率。設(shè)備利用率。四、溶解氧四、溶解氧控制的意義控制的意義二、氧的傳遞二、氧的傳遞n1. 1. 氧傳遞的阻力氧傳遞

11、的阻力微生物發(fā)酵過程中，氧需克服從氣態(tài)液體菌體多方面的阻力，才能參與各種生化反應(yīng)1) 氣膜傳遞阻力氣膜傳遞阻力1/kG 2) 氣液界面?zhèn)鬟f阻力氣液界面?zhèn)鬟f阻力1/kI3) 液膜傳遞阻力液膜傳遞阻力1/kL 4) 液相傳遞阻力液相傳遞阻力1/kLB5) 細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力1/kLC 6) 固液界面?zhèn)鬟f阻力固液界面?zhèn)鬟f阻力1/kIS7) 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻力細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻力1/kA8) 細(xì)胞膜、細(xì)胞壁阻力細(xì)胞膜、細(xì)胞壁阻力1/kW 9) 反應(yīng)阻力反應(yīng)阻力1/kR供氧方面的阻力供氧方面的阻力耗氧方面的阻力耗氧方面的阻力n2) 氧傳遞速率n設(shè)總阻力R為nR 1/k1

12、1/k2 1/k8 （7-1）n當(dāng)總推動(dòng)力為C時(shí)，氧傳遞速率為nN C/R k1C 1 k8 C 8 （7-2）nN氧傳遞速率nC 1、 C 2 、 C 8 各階段氧濃度之差2. 氣體溶解過程的雙膜理論氣體溶解過程的雙膜理論n假設(shè)條件n則氧的傳遞速率n穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)平衡時(shí)有n由上式得n 1/G （p-pi ）/ NA ，L（Ci- CL ）/ NAn所以有n1/KG = 1/G H/Ln可得同樣n1/KL = 1/（HG） 1/L n易溶氣體H很小，KG G ，說明主要阻力時(shí)氣膜阻力n難溶氣體H很大，KG L，說明主要阻力時(shí)液膜阻力，如氧氣3. 氧得傳遞傳遞推動(dòng)力傳遞推動(dòng)力 根據(jù)雙膜理論，傳遞過程

13、的總推動(dòng)力是根據(jù)雙膜理論，傳遞過程的總推動(dòng)力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓之差氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓之差 OTRKLa（C*- CL ）kmol/m3 hkmol/m3m2 hkmol/m3=m h m2 /m3n 液相體積氧傳遞系數(shù)因因a a很難測(cè)定，把很難測(cè)定，把K KL La a當(dāng)成以一項(xiàng)，稱為液相體積氧傳當(dāng)成以一項(xiàng)，稱為液相體積氧傳遞系數(shù)遞系數(shù)( (以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)) )，1/h1/h由由氣液傳遞速率方程氣液傳遞速率方程)(*LLCCaKOTR 2. kLa的影響因素的影響因素（一）影響氧傳遞的因素（一）影響氧傳遞的因素 影響比表面積影響比表面積a的因

14、素的因素影響液膜傳遞系數(shù)影響液膜傳遞系數(shù)kL的因素的因素 可知，影響氧傳遞速率的可知，影響氧傳遞速率的因素有：因素有：1. 影響影響推動(dòng)力推動(dòng)力C*-CL的因素的因素 提高飽和氧濃度考慮適當(dāng)降溫考慮適當(dāng)降溫T ，Cw* ，推動(dòng)力，推動(dòng)力降低基質(zhì)濃度降低基質(zhì)濃度考慮提高氧分壓考慮提高氧分壓( (提高罐壓、富氧通氣）提高罐壓、富氧通氣）提高氧傳遞推動(dòng)力（提高氧傳遞推動(dòng)力（C C* *C CL L）的方法）的方法 降低發(fā)酵液中的CL考慮減少通氣量或降低攪拌速度，降低考慮減少通氣量或降低攪拌速度，降低K KL La a調(diào)節(jié)KLa是最常用的方法，kLa反映了設(shè)備的供氧能力。 45升升 1噸噸 10噸噸攪

15、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)備供氧能力不一樣不同的設(shè)備供氧能力不一樣提高提高KLa（液相體積氧傳遞系數(shù)）（液相體積氧傳遞系數(shù)）發(fā)酵常用的設(shè)備為：發(fā)酵常用的設(shè)備為：搖瓶、發(fā)酵罐搖瓶、發(fā)酵罐影響搖瓶影響搖瓶k kL La a的因素的因素1) 搖瓶機(jī)的種類和裝液量搖瓶機(jī)的種類和裝液量搖瓶機(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)速，轉(zhuǎn)速250rpm裝液量，一般取裝液量，一般取1/10左右左右(好氧發(fā)酵）：好氧發(fā)酵）： 250ml 15-25 ml 500ml 30 m

16、l 750ml 80 ml例：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影響發(fā)酵罐中影響發(fā)酵罐中kLa的因素的因素n影響Kla的因素影響影響KLa的因素的因素發(fā)酵罐的形狀，結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)）發(fā)酵罐的形狀，結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)） 攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)）攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)）設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù)發(fā)酵液的性質(zhì)發(fā)酵液的性質(zhì)：如影響發(fā)酵液性質(zhì)的表面活性劑、如影響發(fā)酵液性質(zhì)的表面活性劑、離子強(qiáng)度、菌體量離子強(qiáng)度、菌體量通氣：表觀線速度通氣：表觀

17、線速度Vs操作參數(shù)操作參數(shù) 攪拌：轉(zhuǎn)速攪拌：轉(zhuǎn)速N，攪拌功率攪拌功率Pg 發(fā)酵液體積發(fā)酵液體積V，液柱高度液柱高度HL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 VVggs當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)下時(shí)，單位體積發(fā)酵液所消耗的攪拌功率才能作為衡量攪拌程度的可靠指標(biāo)nPKd5n3 P攪拌功率，kWK經(jīng)驗(yàn)常數(shù)d 攪拌直徑， mn 攪拌速度，r/min密度，kg/m3當(dāng)通氣時(shí)，密度和表觀粘度明顯降低，攪拌功率僅為不通氣時(shí)的3060攪拌的作用攪拌的作用充分混合醪液體系，使罐內(nèi)充分混合醪液體系，使罐內(nèi)溫度、基質(zhì)溫度、基質(zhì)均一均一分散無菌空氣，增加氣分

18、散無菌空氣，增加氣- -液接觸面積，提高液接觸面積，提高 K KL La a降低氣泡周圍的液膜厚度，強(qiáng)化湍流降低氣泡周圍的液膜厚度，強(qiáng)化湍流減少菌絲團(tuán)，消除液膜阻力減少菌絲團(tuán)，消除液膜阻力排除代謝二氧化碳等廢氣排除代謝二氧化碳等廢氣1、理論上分析、理論上分析KLaN(攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速)D(攪拌槳直徑攪拌槳直徑)通氣量通氣量(Vs)提高攪拌，調(diào)節(jié)提高攪拌，調(diào)節(jié)klakla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 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲

19、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Vs有效有效2 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)物帶走經(jīng)驗(yàn)得出，對(duì)經(jīng)驗(yàn)得出，對(duì)KLa的影響，攪拌功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣流的影響，攪拌功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣流速速例：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

20、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 4、生物反應(yīng)器放大的基本思想、生物反應(yīng)器放大

21、的基本思想小型反應(yīng)器和大型反應(yīng)器的差異：小型反應(yīng)器和大型反應(yīng)器的差異： 傳動(dòng)傳動(dòng) 傳熱傳熱 傳遞傳遞生物反應(yīng)過程生物反應(yīng)過程剪切、混合、供氧剪切、混合、供氧q根據(jù)根據(jù)r,Kr,KL La a、攪拌槳特性、攪拌槳特性攪拌功率攪拌功率KL LaN,D(N,D(攪拌功率）攪拌功率）Q Q（通氣量）（通氣量）大大 小小小小 大大5、影響、影響KLa的其它因素的其它因素設(shè)備結(jié)構(gòu)：設(shè)備結(jié)構(gòu)：如空氣分布器（如空氣分布器（單孔鼓泡器，多孔環(huán)行鼓泡單孔鼓泡器，多孔環(huán)行鼓泡器）、器）、擋板、罐體徑高比等擋板、罐體徑高比等。液體的粘度液體的粘度泡沫的影響泡沫的影響KLa與發(fā)酵液的粘度成反比關(guān)系，在發(fā)酵過程中，微生物

22、不與發(fā)酵液的粘度成反比關(guān)系，在發(fā)酵過程中，微生物不斷改變發(fā)酵液基質(zhì)濃度，菌絲形態(tài)，菌體濃度及產(chǎn)物濃度，斷改變發(fā)酵液基質(zhì)濃度，菌絲形態(tài)，菌體濃度及產(chǎn)物濃度，進(jìn)而改變發(fā)酵液粘度，使進(jìn)而改變發(fā)酵液粘度，使KLa處于動(dòng)態(tài)變化之中，尤其是放處于動(dòng)態(tài)變化之中，尤其是放線菌，霉菌的發(fā)酵液線菌，霉菌的發(fā)酵液攪拌和通氣會(huì)帶來發(fā)酵液的泡沫，泡沫會(huì)降低氣液混合效攪拌和通氣會(huì)帶來發(fā)酵液的泡沫，泡沫會(huì)降低氣液混合效率，降低率，降低KLa，應(yīng)采取措施消除泡沫，應(yīng)采取措施消除泡沫例：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(1L/L*m)，操作壓力為，操作壓力為0.3Kg/cm2,

23、在某發(fā)酵時(shí)在某發(fā)酵時(shí)間內(nèi)的間內(nèi)的CL為為25%飽和度、空氣進(jìn)入時(shí)的氧含量為飽和度、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，求此時(shí)菌體的攝氧率和發(fā)酵罐的發(fā)酵罐的Kla(1atm 時(shí)氧飽和濃度時(shí)氧飽和濃度c*=0.2mmol/L)攝氧率:單位體積發(fā)酵液所消耗的氧量)(32hmmmolO)(10*710*60*4 .22)%8 .1921(*73233hmmmolOrmmol O2/LhKLa(C*-C)=r操作壓力=1.3atmC*=0.2*1.3mmol/L)1 (25. 0*26. 026. 0hraKL三、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制三

24、、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）（一） 引起溶解氧變化的因素引起溶解氧變化的因素（二）（二） 溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響（三）（三） 溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要作用溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要作用（四）（四） 發(fā)酵液中溶解氧的控制發(fā)酵液中溶解氧的控制兩大類兩大類以關(guān)系式表示以關(guān)系式表示：影響供氧的因素影響供氧的因素：影響耗氧的因素影響耗氧的因素： xQCCKOTRdtdC2OLLaLC*- CL溫度、溶質(zhì)、溶劑、氧分壓溫度、溶質(zhì)、溶劑、氧分壓KLa設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)、發(fā)酵液特性設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)、發(fā)酵液特性菌種特性、培養(yǎng)基成分和濃度、菌菌種特性、培養(yǎng)基成分和濃度、菌齡、培養(yǎng)條件齡

25、、培養(yǎng)條件（T、pH）、代謝類型代謝類型（2）發(fā)酵過程中溶氧變化規(guī)律n分批發(fā)酵分批發(fā)酵無無DO控制情況下，溶氧變化規(guī)律為控制情況下，溶氧變化規(guī)律為“波谷現(xiàn)象波谷現(xiàn)象” 溶氧溶氧、x、QO2、 隨時(shí)隨時(shí)間變化的關(guān)系間變化的關(guān)系 CLxQO2n平衡點(diǎn)分析平衡點(diǎn)分析：當(dāng)當(dāng)CL，即即 ，OTROTR逐漸逐漸至至OTR=，即即 ，高位平衡高位平衡當(dāng)處于高位平衡時(shí)，表明供氧性能好。高位平衡通常發(fā)生當(dāng)處于高位平衡時(shí)，表明供氧性能好。高位平衡通常發(fā)生在正常情況的前、后期。在正常情況的前、后期。LLCCaKOTR0dtdCLOTR,CC,CLL0dtdCLn平衡點(diǎn)分析平衡點(diǎn)分析：當(dāng)當(dāng)CL（如對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期如對(duì)數(shù)生長(zhǎng)

26、期很大很大）， ，OTRCm, 卷須霉素卷須霉素: n而有些菌株而有些菌株 Ccr CCr，生產(chǎn)階段滿足生產(chǎn)階段滿足CLCm。 （1）發(fā)酵異常指標(biāo)n發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異常變化。發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異常變化。對(duì)于好氣性雜菌，溶解氧會(huì)一反往常在較短時(shí)間內(nèi)跌對(duì)于好氣性雜菌，溶解氧會(huì)一反往常在較短時(shí)間內(nèi)跌到零附近，跌零后長(zhǎng)時(shí)間不回升到零附近，跌零后長(zhǎng)時(shí)間不回升。對(duì)于厭氣性雜菌，對(duì)于厭氣性雜菌，溶解氧溶解氧升高。升高。n污染噬菌體或其它不明原因引起污染噬菌體或其它不明原因引起 發(fā)酵液變稀，此時(shí)發(fā)酵液變稀，此時(shí)溶解氧溶解氧迅速上升。迅速上升。 n操作故障或事故分析操作故障或事故分析谷氨酸正常

27、發(fā)酵和異常發(fā)酵的溶解氧曲線正常發(fā)酵溶解氧曲線-異常發(fā)酵溶解氧曲線異常發(fā)酵光密度曲線（三）（三） 溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要作用溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要作用（2）補(bǔ)料控制指標(biāo) n中間補(bǔ)料是否得當(dāng)可以從中間補(bǔ)料是否得當(dāng)可以從溶解氧溶解氧的變化看出。的變化看出。n發(fā)酵過程中出現(xiàn)發(fā)酵過程中出現(xiàn)“發(fā)酸發(fā)酸”現(xiàn)象，此時(shí)溶解氧很快下降?，F(xiàn)象，此時(shí)溶解氧很快下降。 （3）代謝方向控制指標(biāo) n測(cè)量溶解氧可以確定測(cè)量溶解氧可以確定CCr、Cm值值n通過溶氧測(cè)量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)機(jī)通過溶氧測(cè)量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)機(jī) e.g.天門冬酰胺酶發(fā)酵天門冬酰胺酶發(fā)酵：45%飽和度飽和度 n

28、在酵母以及其他微生物菌體的生產(chǎn)中，溶氧值是控制其代在酵母以及其他微生物菌體的生產(chǎn)中，溶氧值是控制其代謝方向的最好的指標(biāo)之一謝方向的最好的指標(biāo)之一 。（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)n評(píng)價(jià)設(shè)備性能、工藝合理性的最終指標(biāo)：發(fā)酵單位評(píng)價(jià)設(shè)備性能、工藝合理性的最終指標(biāo)：發(fā)酵單位 n設(shè)備反映供氧性能：設(shè)備反映供氧性能：攪拌槳形式攪拌槳形式 葉片形式葉片形式 攪拌器直徑攪拌器直徑d 攪拌檔數(shù)攪拌檔數(shù)m和攪拌器間距和攪拌器間距s 檔板寬度檔板寬度w和檔板數(shù)和檔板數(shù)z 通氣：空氣分布器的類型和位置通氣：空氣分布器的類型和位置 n，P/V設(shè)備操作參數(shù)設(shè)備操作參數(shù) 罐壓罐壓 WS或或VVM攪拌攪拌設(shè)備幾何參數(shù)設(shè)備幾

29、何參數(shù)（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)工藝條件反映耗氧和供氧特征工藝條件反映耗氧和供氧特征 菌種性能：耗菌種性能：耗O2 培養(yǎng)基性能：耗培養(yǎng)基性能：耗O2、供供O2 溫度：耗溫度：耗O2、供供O2 RQ（O2與與CO2水平比較水平比較）：耗耗O2 表面活性劑：耗表面活性劑：耗O2、供供O2改進(jìn)工藝：控制補(bǔ)料速度、改進(jìn)工藝：控制補(bǔ)料速度、T 的調(diào)節(jié)、中間補(bǔ)水、的調(diào)節(jié)、中間補(bǔ)水、 添加表面活性劑等等添加表面活性劑等等 對(duì)現(xiàn)有發(fā)酵工對(duì)現(xiàn)有發(fā)酵工廠進(jìn)行技術(shù)改造廠進(jìn)行技術(shù)改造 淺層次淺層次 修改設(shè)備和工藝修改設(shè)備和工藝 規(guī)模和控制水平上檔次規(guī)模和控制水平上檔次 引入新型發(fā)酵類型引入新型發(fā)酵類型 深層次深層

30、次 工藝的改進(jìn)是否有效可通過溶解氧水平進(jìn)行評(píng)價(jià)：工藝的改進(jìn)是否有效可通過溶解氧水平進(jìn)行評(píng)價(jià)： P/V的改變對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響的改變對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響 e.g.利福霉素發(fā)酵利福霉素發(fā)酵：5080h波谷階段波谷階段，P/V，KLa，供氧供氧；3W/L比比1 W/L批號(hào)的發(fā)酵單位增加約批號(hào)的發(fā)酵單位增加約900u/ml 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n 對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響e.g.赤霉素發(fā)酵赤霉素發(fā)酵：15 50h期間期間，n從從155 提高至提高至180r/min， 赤霉素單位赤霉素單位（1）溶解氧控制的一般原則 n生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)階段： 即可即可n產(chǎn)物合成階段產(chǎn)物合成階段： 即可即可v過高

31、的溶氧水平反而對(duì)菌體代謝有不可逆的抑制過高的溶氧水平反而對(duì)菌體代謝有不可逆的抑制作用作用CrLCC mLCC （四）（四） 發(fā)酵液中溶解氧的控制發(fā)酵液中溶解氧的控制（2）溶解氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 v控控制原理制原理 發(fā)酵過程中，發(fā)酵過程中， 糖量糖量 x , QO2 CL 糖量糖量 QO2 CL 補(bǔ)糖使補(bǔ)糖使CL下降，而下降，而CL回升的快慢取決于供氧效率回升的快慢取決于供氧效率。 對(duì)于一個(gè)具體的發(fā)酵，存在一個(gè)最適氧濃度對(duì)于一個(gè)具體的發(fā)酵，存在一個(gè)最適氧濃度（Cm）水水平，補(bǔ)糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。平，補(bǔ)糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。 mLCC，加大補(bǔ)糖速率加大補(bǔ)糖速率 mLCC ，減小補(bǔ)糖速率減小補(bǔ)糖速率實(shí)現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率實(shí)現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率 補(bǔ)糖速率控制在正好使生產(chǎn)菌處于所謂補(bǔ)糖速率控制在正好使生產(chǎn)菌處于所謂“半饑餓半饑餓狀