6第六章 氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響(5[1].5).ppt

1、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的空氣飽和濃度只有0.25 mmol.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。,第六章 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,比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmol O2g菌-1h-1,攝氧率(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1

2、。,r= QO2 .X,二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響,CCr,QO2,CL,CCr: 臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。,一般對(duì)于微生物： CCr: 115%飽和濃度,例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%,定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/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1.,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0.052 mmol O2L-1S-1 計(jì)， 0.25/0.052=4.8秒,注意：由于產(chǎn)物的形成和菌

3、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) 5% (相對(duì)于飽和濃度） 13% 產(chǎn)物 13% 8%,三、影響需氧的因素,r= QO2 .X,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,第二節(jié) 反應(yīng)器中氧的傳遞,一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程,C,Ci,P,Pi,氣膜,液膜,N：傳氧速率 kmol/m2.h kg: 氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atm Kl: 液膜傳質(zhì)系數(shù) m/h,C*P/H, 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),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),Nv

4、：體積傳氧速率 kmol/m3.h Kla: 以(C*-C)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù) h-1,二、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,傳遞：,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,三、供氧的調(diào)節(jié),C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/H,Nv,H,P,Kla,第六章 氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響,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 250 rpm 120 120 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

5、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)述250rpm,裝液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml,例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響 裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92,二、影響發(fā)酵罐中Kla的因素,已知在通風(fēng)發(fā)酵罐中，全擋板條件下：,1、理論上分析,KLa,n,d,通氣量,提高攪拌，調(diào)節(jié)kla的效果顯著,例 某一產(chǎn)品的發(fā)酵

6、 d n p0/v c 產(chǎn)量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455,例 黑曲霉生產(chǎn)糖化酶 n 230 230 270 通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產(chǎn)量 1812 2416 2846,提高d、n顯著提高C,提高了產(chǎn)量,提高N, 比提高Q有效,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,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 靜止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7

7、 8.3 15.6 14.3 6.2,提高,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,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,4、影響Kla的其它因素,空氣分布器,液體的粘度,第四節(jié) CL、r和Kla的測(cè)定,一、CL的測(cè)定,1、化學(xué)法,2、溶氧電極,極譜型(陰極)：,O2+2H+2e H2O2,原電池型(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)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

8、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)其電流輸出約530A(主要取決于陰極的表面積和測(cè)試溫度)，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。,膜：耐溫、透氣、不通水,測(cè)定：一般是得到相對(duì)值,二、r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） r= 發(fā)酵液體積,氧的濃度：氧分壓儀,2、溶氧電極,停止供氣：,dCL = -r dt,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 2Na2SO4,2、平衡法,r Kla= C*-CL,

9、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CL25%、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,3、動(dòng)態(tài)法,不同的測(cè)定方法得出的kla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Kla下）：,r,X,Q,CL,一般有一個(gè)低谷，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的末期,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):,X S P+ X,=a+b,菌體生長(zhǎng)期：,酶系統(tǒng) ,酶系統(tǒng) ,關(guān)鍵因子,開始的細(xì)胞,生長(zhǎng)好后的細(xì)胞,產(chǎn)物合成,產(chǎn)物形成期：,底物,產(chǎn)物,酶系統(tǒng) ,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題,發(fā)酵過程的控制一

10、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。,2、溶氧控制的實(shí)例,GA,X,DO,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),12,一般認(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(zhǎng)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。,例： 生產(chǎn)肌苷酸： 通氣量不變 17.15 mg/ml 24小時(shí)增加 22.55 mg/ml 30小時(shí)增加 18.25 mg/ml 36小時(shí)增加 12.34 mg/ml,例：某廠青霉素發(fā)酵的工藝研究,*,三、發(fā)酵過程中溶氧濃度