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1頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

溶氧(DO)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控制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％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，使溶氧成為限制因素。第2頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.4.1微生物對(duì)氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(OUR，r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1X:菌體密度,g菌/L第3頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、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,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度,一般用空氣氧飽和度表示。第4頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一般對(duì)于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%產(chǎn)黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：臨界溶氧濃度＝臨界時(shí)發(fā)酵液中氧的濃度/氧飽和度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過程中氧濃度不低于臨界氧濃度即可微生物溫度臨界氧值/(mmolO2/L)溫度/C臨界氧值/(mgO2/L)大腸桿菌37.60.00820.003115.00.26酵母34.80.00460.003720.00.60產(chǎn)黃青霉30.00.00900.022024.00.40第5頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1計(jì)，0.25/0.052=4.8秒(0.25為溶解氧濃度)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：

頭孢菌素卷須霉素生長(zhǎng)階段5-7%(相對(duì)于飽和濃度）13-23%產(chǎn)物合成10-20%8%第6頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成階段,并非溶解氧濃度越高越好卷須霉素發(fā)酵時(shí),在40-140h維持氧在10%比在0或45%時(shí)的產(chǎn)量都要高過高的溶氧對(duì)菌體生長(zhǎng)有害,主要原因可能是新生O,超氧化物基和過氧化物基,或羥基自由基對(duì)菌體組分的破壞第7頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、影響需氧的因素菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件第8頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.4.2反應(yīng)器中氧的傳遞一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程(氧的溶解情況)CLCiPPi氣膜液膜N：?jiǎn)挝唤佑|面積傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質(zhì)系數(shù);kmol/m2.h.atmKL:液膜傳質(zhì)系數(shù)m/h氣液界面:氧從氣膜到液膜第9頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六C*:與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度KL:以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)(m/h)c*:氧在水中的飽和濃度mmol/L所有能增加以上兩指標(biāo)的因素都能改善供氧再令：?jiǎn)挝惑w積的液體中所具有的氧傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKLa:以(c*-c)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)h-1第10頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、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)的平衡中消耗：OUR=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面第11頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、供氧的調(diào)節(jié)cL有一定的工藝要求，所以可以通過KLa和c*來調(diào)節(jié)其中c*＝P/HP:氧分壓H:亨利常數(shù),與溫度及液體中固形物質(zhì)的濃度有關(guān)NvHPKLa第12頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六調(diào)節(jié)KLa是最常用的方法，KLa反映了設(shè)備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1第13頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.4.3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)備為搖瓶與發(fā)酵罐。一、影響搖瓶KLa的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)速250rpm第14頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六裝液量，一般取1/10左右：250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml酶活力71373425392第15頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、理論上分析KLan：轉(zhuǎn)速d：攪拌槳直徑通氣量A.提高攪拌，調(diào)節(jié)KLa的效果顯著二、影響發(fā)酵罐中KLa的因素第16頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六提高攪拌增強(qiáng)溶氧系數(shù)的原因攪拌能把大氣泡打成微小氣泡,增加了接觸面積,延長(zhǎng)了接觸時(shí)間(小氣泡上升慢)攪拌使液體作渦流運(yùn)動(dòng),延長(zhǎng)了氣體在罐體內(nèi)上升的時(shí)間攪拌使液體呈湍流運(yùn)動(dòng),減少了氣泡周圍液膜的厚度攪拌使菌體分散,增加了接觸面積,有利于氧的傳遞過度劇烈攪拌產(chǎn)生的剪切力很大,要考慮到對(duì)細(xì)胞尤其是菌絲體的損傷第17頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六B.攪拌器類型:軸向式(槳式,錨式,框式,推進(jìn)式)和徑向式(渦輪式)圓盤渦輪式的溶氧效果最好,主要產(chǎn)生徑向液流,但不利于罐內(nèi)液體的混合因此,下組用圓盤渦輪式攪拌打碎氣泡,上組用平漿式攪拌混合料液葉徑d:相對(duì)位置:下組攪拌器離罐底0.8-1d較好,兩組攪拌器之間的距離也要仔細(xì)考慮攪拌器的組數(shù):第18頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六C.空氣線流速空氣線速度過大時(shí),會(huì)發(fā)生”過載”現(xiàn)象,即漿葉不能打散空氣,氣流形成大氣泡在漿的周圍逸出第19頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六例某一產(chǎn)品的發(fā)酵dnc產(chǎn)量

45018020%497845028040%556455018060%8455例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶n230230270通氣比1:0.81:1.21:0.8產(chǎn)量181224162846提高d、n顯著提高c,提高了產(chǎn)量提高N,比提高Q有效第20頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六D.空氣分布器E.液體的粘度空氣分布器的類型,噴口直徑,管口與罐底距離影響氣泡的大小,穩(wěn)定性和氧的傳遞效率F.氧分壓增大罐壓或增大通入氣體中的氧分壓(如通入純氧)第21頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六G.發(fā)酵罐內(nèi)液柱高度經(jīng)驗(yàn):H/D從1增加到2,KLa可增加40%;從2增加到3,KLa增加20%.一般以2-3為宜H.發(fā)酵罐體積大罐氧利用率高相同幾何形狀的罐體,體積大的氧利用率可達(dá)7-10%;而體積小的只有3-5%第22頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、實(shí)際上：對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走第23頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六例：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：通氣0(靜止)1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供氧是有限的第24頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)KLa的特點(diǎn)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第25頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.5.4CL、OUR和KLa的測(cè)定一、CL的測(cè)定1、碘量法第26頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、溶氧電極極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-測(cè)定：一般是得到相對(duì)值第27頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、OUR的測(cè)定1、物料衡算

流量（進(jìn)口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）OUR=————————————————————————發(fā)酵液體積氧的濃度：氧分壓儀第28頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六停止供氣：dCL——=-OURdt第29頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六用溶氧電極測(cè)定OUR，要求電極響應(yīng)時(shí)間短，能跟上攝氧率的變化測(cè)定前先用純水標(biāo)定電極，得到單位電流代表的溶氧濃度：i飽——在飽和氧濃度C*時(shí)的電流值i殘——氧濃度為零時(shí)電極所具有的電流2、溶氧電極第30頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若測(cè)定某培養(yǎng)時(shí)間的攝氧率，則關(guān)閉通氣閥，保持?jǐn)嚢?，在罐頂通氮?dú)猓s走上面的空氣。此時(shí)，由于耗氧，CL下降，儀表上電流值也不斷下降

△t——停止供氣后CL下降到最低點(diǎn)時(shí)所需時(shí)間△i——在△t時(shí)間內(nèi)的電流變化第31頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、KLa的測(cè)定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化KLa.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO4第32頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、平衡法

OURKLa=————C*-CL例：一個(gè)裝料為7L的實(shí)驗(yàn)室小罐，通氣量為1VVM（標(biāo)態(tài)），發(fā)酵液的CL＝25%、空氣進(jìn)入時(shí)的氧含量為21%，廢氣排出的氧含量為19.8%，求此時(shí)菌體的攝氧率和發(fā)酵罐的KLa式中C*可以查得，CL可以用溶氧電極測(cè)得，OUR也可算出，因此可求得KLa值第33頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六待溶氧到最低點(diǎn)后再恢復(fù)通氣。這樣可以得到溶氧隨時(shí)間變化的曲線用溶氧儀測(cè)定發(fā)酵過程的溶氧，開始時(shí)供氧和需氧達(dá)到平衡，溶氧是一條水平線這時(shí)停止通氣，保持?jǐn)嚢?，在罐頂通入氮?dú)?，趕掉氧氣。由于微生物對(duì)氧的利用，溶氧迅速下降，過一段時(shí)間溶氧下降緩慢3、動(dòng)態(tài)法第34頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六△CL/△t=KLa(C*-CL)-OURCL=-1/KLa(△CL/△t+OUR)+C*將CL對(duì)△CL/△t+OUR作圖，得到一條直線，斜率為-1/KLa因此可求得KLa，延長(zhǎng)直線與縱坐標(biāo)相交點(diǎn)為C*溶解氧濃度隨通氣變化的情況KLa的求取OUROUR第35頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.4.5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KLa下）：OURXQCL一般有一個(gè)低谷，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的末期第36頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、發(fā)酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應(yīng):XS→P+Xπ=a+bμ第37頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第38頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六菌體生長(zhǎng)期：酶系統(tǒng)Ⅰ酶系統(tǒng)Ⅱ關(guān)鍵因子開始的細(xì)胞長(zhǎng)好以后的細(xì)胞產(chǎn)物合成第39頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六產(chǎn)物形成期：底物產(chǎn)物酶系統(tǒng)Ⅱ

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題

第40頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六發(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。第41頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、溶氧控制的實(shí)例GAXDO谷氨酸發(fā)酵：要求：氧飽和度>1控制：0-12小時(shí)小通風(fēng)12小時(shí)后增加通風(fēng)原因：0-12小時(shí)菌體量較小，采用小通風(fēng)12第42頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

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