氧的供需及对发酵的影响课件.ppt

1、 溶氧溶氧(DO)(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。素。在在2828氧在发酵液中的氧在发酵液中的100100饱和浓度只有饱和浓度只有0.25 0.25 mmol.Lmmol.L-1-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小70007000倍。在对数生长倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到期即使发酵液中的溶氧能达到100100空气饱和度，若此空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，

2、使溶氧成为限制因素。溶氧成为限制因素。7.4.1 7.4.1 微生物对氧的需求微生物对氧的需求一、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强度（比耗氧速度或呼吸强度（Q QO O2 2）：）：单位时间内单位重量的单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，细胞所消耗的氧气，mmolmmol O O2 2gg菌菌-1-1hh-1-1 摄氧率摄氧率(OUR(OUR，r)r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。的氧量。mmolmmol O O2 2LL-1-1hh-1-1X:X:菌体密度菌体密度,g,g菌菌/L/LXQOUR2O 二、溶解氧浓度

3、对菌体生长和产物形成的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响c cCrCrQO2c cL Lc cCrCr:临界溶氧浓度临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度,一般用空气氧饱和度表示。一般用空气氧饱和度表示。一般对于微生物：一般对于微生物：C CCrCr:1 115%15%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.64.6*1010-3-3 mmol.Lmmol.L-1-1,1.8%,1.8%产产黄青黄青霉霉 2.22.2*1010-2-2 mmol.Lmmol.L-1-1,8.8%,8.8%定义：定义：临界溶氧浓度临界时发酵液中氧的浓度临界溶氧浓度临

4、界时发酵液中氧的浓度/氧饱和度氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧浓度不低于临界氧浓度即可不低于临界氧浓度即可问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足氧很容易满足例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 0.052 mmolmmol O O2 2LL-1-1SS-1-1 计，计，0.25/0.052=4.80.25/0.052=4.8秒秒(0.25(0.25 为溶解氧浓度为溶解氧浓度)注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样注意：由于产物的形

5、成和菌体最适的生长条件，常常不一样：头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长阶段生长阶段 5-7%(5-7%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）13-23%13-23%产物合成产物合成 10-20%8%10-20%8%在菌体生长和产物合成阶段在菌体生长和产物合成阶段,并非溶解氧浓度越高越好并非溶解氧浓度越高越好卷须霉素发酵时卷须霉素发酵时,在在40-140 h 40-140 h 维持氧在维持氧在10%10%比在比在 0 0 或或45%45%时的产量都要高时的产量都要高过高的溶氧对菌体生长有害过高的溶氧对菌体生长有害,主要原因可能是新生主要原因可能是新生O,O,超氧化物基超氧化物基 和过氧化物基和过

6、氧化物基 ,或羟基自由基或羟基自由基 对菌体组分的破坏对菌体组分的破坏 2O 22O OH三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素q 菌体浓度菌体浓度q Q QO O2 2 遗传因素遗传因素 菌菌龄龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件XQOUR2O 7.4.2 7.4.2 反应器中氧的传递反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程(氧氧的溶解情况的溶解情况)CLCiP PPi气膜气膜液膜液膜N N：单位接触面积传氧速率：单位接触面积传氧速率 kmol/mkmol/m2 2.h.hk kg g:气膜传质系数气膜传质系数 ;kmol

7、/m;kmol/m2 2.h.atm.h.atmK KL L:液膜传质系数液膜传质系数 m/hm/h气液界面气液界面:氧从气膜到液膜氧从气膜到液膜 LiLigcckPPkN C C*:与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度K KL L:以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/hm/h)c c*:氧在水中的饱和浓度氧在水中的饱和浓度mmolmmol/L/L所有能增加以上两指标的因素都能改善供氧所有能增加以上两指标的因素都能改善供氧再令：单位体积的液体中所具有的氧传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧传递面积为 a(ma(m2 2/m/

8、m3 3)N Nv v：体积传氧速率体积传氧速率 kmol/mkmol/m3 3.h.hK KL La a:以以(c(c*-c)-c)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h h-1-1 LLVccaKN LLcckN 二、发酵液中氧的平衡二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中)c*c(aKN:LLV 传传递递消耗：消耗：OUR=QOUR=QO O2 2.X.X氧的氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面三、供三、供氧的氧的调节调节c cL L有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求

9、，所以可以通过K KL La a 和和c c*来调节来调节其中其中c c*P/HP/HP:P:氧分压氧分压H:H:亨利常数亨利常数,与温度及液体中固形物质的浓度有关与温度及液体中固形物质的浓度有关NvNvH HP PK KL L a a)c*c(aKNLLV 调节调节K KL La a是最是最常用的方法，常用的方法，K KL La a反映了设备的供氧能力，反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。一般来讲大罐比小罐要好。4545升升 1 1吨吨 1010吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.17.6 10

10、.7 20.17.4.3 7.4.3 影响影响K KL La a的因素的因素K KL La a反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。发酵罐。一、影响摇瓶一、影响摇瓶K KL La a的的因素因素为为装液量和摇瓶机的种类装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-12080-120分分/次，次，振幅振幅8cm8cm旋转，偏心距旋转，偏心距2525、12,12,转速转速250rpm250rpm装液量，一般取装液量，一般取1/101/10左右：左右：250ml 15-25 ml250ml 15-25 ml 500ml 30 ml

11、 500ml 30 ml 750ml 80 ml 750ml 80 ml例：例：500 ml 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92713 734 253 921 1、理论上分析、理论上分析K KL La an n：转速：转速d d：搅拌桨直径：搅拌桨直径通气量通气量A.A.提高搅拌，调节提高搅拌，调节K KL La a的效果显著的效果显著二、影响发酵罐中二、影响发酵罐中K KL La a的的因素

12、因素提高搅拌增强溶氧系数的原因提高搅拌增强溶氧系数的原因搅拌能把大气泡打成微小气泡搅拌能把大气泡打成微小气泡,增加了接触面积增加了接触面积,延长了接触时间延长了接触时间(小气泡上升慢小气泡上升慢)搅拌使液体作涡流运动搅拌使液体作涡流运动,延长了气体在罐体内上升的时间延长了气体在罐体内上升的时间搅拌使液体呈湍流运动搅拌使液体呈湍流运动,减少了气泡周围液膜的厚度减少了气泡周围液膜的厚度搅拌使菌体分散搅拌使菌体分散,增加了接触面积增加了接触面积,有利于氧的传递有利于氧的传递过度剧烈搅拌产生的剪切力很大过度剧烈搅拌产生的剪切力很大,要考虑到对细胞尤其要考虑到对细胞尤其是菌丝体的损伤是菌丝体的损伤B.B

13、.搅拌器搅拌器类型类型:轴向式轴向式(桨式桨式,锚式锚式,框式框式,推进式推进式)和径向式和径向式(涡轮式涡轮式)圆盘涡轮式的溶氧效果最好圆盘涡轮式的溶氧效果最好,主要产生径向液流主要产生径向液流,但不利于罐内液体的混合但不利于罐内液体的混合因此因此,下组用圆盘涡轮式搅拌打碎气泡下组用圆盘涡轮式搅拌打碎气泡,上组用平上组用平浆式搅拌混合料液浆式搅拌混合料液叶径叶径d:d:相对位置相对位置:下组搅拌器离罐底下组搅拌器离罐底0.8-1 d 0.8-1 d 较好较好,两组两组搅拌器之间的距离也要仔细考虑搅拌器之间的距离也要仔细考虑搅拌器的组数搅拌器的组数:C.C.空气线流速空气线流速 SLVaK)7

14、2.04.0(:);s/m(:VS间间约约指数指数空气线流速空气线流速 空气线速度过大时空气线速度过大时,会发生会发生”过载过载”现象现象,即浆叶即浆叶不能打散空气不能打散空气,气流形成大气泡在浆的周围逸出气流形成大气泡在浆的周围逸出例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d n c d n c 产量产量 450 180 20%4978450 180 20%4978 450 280 40%5564 450 280 40%5564 550 180 60%8455 550 180 60%8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270n 230 230 270 通气比通气比

15、1:0.8 1:1.2 1:0.81:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 28461812 2416 2846提高提高d d、n n显著提高显著提高c,c,提高了产量提高了产量提高提高N,N,比提高比提高Q Q有效有效D.D.空气分布器空气分布器E.E.液体的粘度液体的粘度空气分布器的类型空气分布器的类型,喷口直径喷口直径,管口与罐底距离管口与罐底距离影响气泡的大小影响气泡的大小,稳定性和氧的传递效率稳定性和氧的传递效率F.F.氧分压氧分压增大罐压或增大通入气体中的氧分压增大罐压或增大通入气体中的氧分压(如通入纯如通入纯氧氧)G.G.发酵罐内液柱高度发酵罐内液柱高度经

16、验经验:H/D:H/D 从从1 1 增加到增加到2,2,K KL La a 可增加可增加40%;40%;从从2 2增加到增加到3,3,K KL La a 增加增加20%.20%.一般以一般以2-32-3为宜为宜H.H.发酵罐体积发酵罐体积大罐氧利用率高大罐氧利用率高相同几何形状的罐体相同几何形状的罐体,体积大的氧利用率可达体积大的氧利用率可达7-10%;7-10%;而体积小的只有而体积小的只有3-5%3-5%2 2、实际上：、实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走例：红

17、曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培 养，比色法测定产量：养，比色法测定产量：通气通气 0(0(静止静止)1.4 2.0 3.1 6.8 19.5)1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的3 3、小型发酵罐和大型发酵罐调节、小型发酵罐和大型发酵罐调节K KL La a的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调

18、q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套7.5.4 C7.5.4 CL L、OUROUR和和K KL La a的测定的测定一、一、C CL L的测定的测定1 1、碘量法、碘量法2 2、溶氧电极溶氧电极q 极极谱型谱型(阴极阴极)：O O2 2+2H+2H+2e+2e H H2 2O O2 2q 原电池型原电池型(阴极阴极)：O O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e 4OH 4OH-q 测定：一般是得到相对值测定：一般是得到相对值二、二、OUROUR的测定的测定1 1、物料衡

19、算、物料衡算 流量（进口空气中氧的氧含量流量（进口空气中氧的氧含量出口空气中的氧含量）出口空气中的氧含量）OUR=OUR=发酵液体积发酵液体积氧的氧的浓度：氧分压仪浓度：氧分压仪停止供气停止供气：dCdCL L=-OUR=-OUR dtdt残饱iiC*i i饱饱在饱和氧浓度在饱和氧浓度C C*时的电流值时的电流值i i残残氧浓度为零时电极所具有的电流氧浓度为零时电极所具有的电流2 2、溶氧电极、溶氧电极)ti(iiCOUR*残残饱饱 tt停止供气后停止供气后C CL L下降到最低点时所需时间下降到最低点时所需时间 ii在在t t时间内的电流变化时间内的电流变化三、三、K KL La a的测定的

20、测定1 1、亚硫酸盐法（冷膜）、亚硫酸盐法（冷膜）氧氧 亚硫酸钠的氧化亚硫酸钠的氧化K KL La a.C.C*=亚硫酸浓度的降低亚硫酸浓度的降低 Cu Cu2+2+2Na2Na2 2SOSO3 3+O+O2 2 2Na 2Na2 2SOSO4 42 2、平衡法、平衡法 OUROURK KL La a=C C*-C-CL L例例：一个装料为：一个装料为7L7L的实验室小罐，通气量为的实验室小罐，通气量为1VVM1VVM（标（标态），发酵液的态），发酵液的C CL L25%25%、空气进入时的氧含量为空气进入时的氧含量为21%21%，废气排出的氧含量为废气排出的氧含量为19.8%19.8%，求此

21、时菌体的摄氧率和发，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的酵罐的K KL La a式中式中C C*可以查可以查得，得，C CL L可以用可以用溶氧电极测得，溶氧电极测得，OUROUR也可算出，也可算出，因此可求得因此可求得K KL La a值值待溶氧到最低点后再恢复通气。这样可以得到溶待溶氧到最低点后再恢复通气。这样可以得到溶氧随时间变化的曲线氧随时间变化的曲线用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧达到平衡，溶氧是一条水平线达到平衡，溶氧是一条水平线这时停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶这时停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉氧气。由于微生物对氧

22、的利用，溶氧迅速下降，掉氧气。由于微生物对氧的利用，溶氧迅速下降，过一段时间溶氧下降缓慢过一段时间溶氧下降缓慢3 3、动态法、动态法C CL L/t=t=K KL La(Ca(C*-C-CL L)-OUR)-OURC CL L=-1/K=-1/KL La(a(C CL L/t+OUR)+Ct+OUR)+C*将将C CL L对对C CL L/t+OURt+OUR作图，得到一条直线，斜率为作图，得到一条直线，斜率为-1/K1/KL La a因此可求得因此可求得K KLaLa，延长直线与纵坐标相交点为，延长直线与纵坐标相交点为C C*溶解氧浓度随通气变化的情况溶解氧浓度随通气变化的情况K KL La

23、 a的求取的求取OUROUROUROUR7.4.5 7.4.5 溶氧浓度的变化及其控制溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定K KL La a下）：下）：OURXQCL一般有一个低谷，一般有一个低谷，在对数生长的末期在对数生长的末期二、发酵过程中溶氧的控制二、发酵过程中溶氧的控制1 1、溶氧控制的策略、溶氧控制的策略微生物反应微生物反应:XS P+X=a+b X,P t P X 0 t1 0t1growth phase t1endproducing phase 菌体生长期：菌体生长期：酶系统酶系统 酶系统酶系统 关键因子关键因

24、子开始的细胞开始的细胞长好以后的细胞长好以后的细胞产物合成产物合成产物形成期：产物形成期：底物底物产物产物酶系统酶系统 反应动力学问题反应动力学问题 发酵过程的控制一般策略：发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧溶氧控制的一般策略：控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度前期大于临溶氧浓度，中，中后期满足产物的形成后期满足产物的形成。2 2、溶氧控制的实例、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度11控制：控制：0-120-12小时小时 小通风小通风 1212小时后小时后 增加通风增加通风原因

25、：原因：0-120-12小时菌体小时菌体量较小，采用小通风量较小，采用小通风1212 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。定要把握好。例：例：生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml17.15 mg/ml2424小时增加

26、小时增加 22.55 mg/ml22.55 mg/ml3030小时增加小时增加 18.25 mg/ml18.25 mg/ml3636小时增加小时增加 12.34 mg/ml12.34 mg/ml例例:溶氧在青霉素发酵控制中的应用溶氧在青霉素发酵控制中的应用控制的原则控制的原则:加糖速率正好使培养处于半饥饿状态加糖速率正好使培养处于半饥饿状态,即仅能维持菌的正常生理代谢即仅能维持菌的正常生理代谢,而把更多的糖用于产而把更多的糖用于产物的合成物的合成.三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义1 1、考察工艺控制是否满足要求、考察工艺控制是否满足要求2 2、其它异常情况的表征

27、、其它异常情况的表征 染菌、噬菌体、设备和操作故障染菌、噬菌体、设备和操作故障3 3、间接控制的措施、间接控制的措施染菌后可能出现异常染菌后可能出现异常”跌零跌零”;也可能出现溶氧升也可能出现溶氧升高高搅拌停止搅拌停止,溶氧降低溶氧降低;加油过量加油过量,溶氧降低溶氧降低;作为质量控制的指标作为质量控制的指标:如天冬氨酸发酵如天冬氨酸发酵,酵母发酵酵母发酵中好气转为厌气培养的时机是关键中好气转为厌气培养的时机是关键小节：小节：了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定 深入理解深入理解K KL La a的意义，了解反应器放大的基本概念的意义，了解反应器放大的基本概念 掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控 溶氧浓度的意义溶氧浓度的意义