氧的供需及對發(fā)酵的影響20課件

溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。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限制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數(shù)生長期即使發(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)酵液中溶氧可在幾秒（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發(fā)酵的影響微生物對氧的需求發(fā)酵液中氧的供給影響Kla的因素（供氧的調(diào)節(jié)）與溶氧相關(guān)的參數(shù)測定發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義厭氧發(fā)酵的基本知識第一節(jié)微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：單位時(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(r)：單位時(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X微生物溫度/℃C臨界/(mmol/L)相對于飽和濃度（%）大腸桿菌37.80.00823.28酵母菌34.80.00461.84米曲霉300.028青酶菌300.0093.6粘性賽氏桿菌310.0156某些微生物的臨界溶氧溶度一般對于微生物：CCr:＝1～15%飽和濃度定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，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。生物類型呼吸強(qiáng)度（氧氣，鮮重）

μl·g-1·h-1仙人掌3.00蠶豆96.60小麥251.00細(xì)菌10000.00(0.01/22.4)×36=0.016g·g-1·h-1例：以菌濃X為：10g/L計(jì)微生物的攝氧率0.3gO2·L-1·h-1計(jì)，[(0.25/1000)×36]/0.3=0.03h=108s注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%品種測定水溫窒息點(diǎn)（mmol/l)相當(dāng)于鯉魚290.09-0.014%鰱魚270.01-0.024-8%鯽魚290.0042%氧對魚類的影響胡隱昌，水產(chǎn)養(yǎng)殖,2003三、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度H:亨利系數(shù)Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(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)動態(tài)的平衡中傳遞(OTR)：消耗(OUR)：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度(DO)上面徐慶陽等微生物學(xué)通報(bào)，2007郜培等，食品工業(yè)發(fā)酵，2005郜培等，食品工業(yè)發(fā)酵，2005三、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/HNvHPKla第三節(jié)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250rpm250,500,1000,2000ml……二、影響發(fā)酵罐中Kla的因素通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐1、理論上分析KLand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dnp0/vc產(chǎn)量4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶n230230270通氣量（VVM)0.81.20.8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2、實(shí)際上：對于轉(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)，比色法測定產(chǎn)量：通氣靜止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)對現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套4、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：傳動傳熱傳遞生物反應(yīng)過程剪切、混合、供氧箭葉平葉不同攪拌漿對菌體濃度的影響發(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8h左右才下降到23.43%;中后期DO水平則一直在40%以上。平葉箭葉慶大霉素的生產(chǎn)水平提高了40%以上Ooterhuis,N.M.G.,etal.Biotechnol.Bioeng,1983Enfors,S.O.etal,J.Biotechnol,2001葉勤，發(fā)酵過程原理，2005葉勤，發(fā)酵過程原理，2005rpm=600Junker,B.H.,etal.Bioproc.Eng.,1998CD-6及HE-3攪拌器應(yīng)用需注意的問題：1）CD-6下層攪拌對防止氣泛起決定作用；2）HE-3上層攪拌對防止氣泛，增強(qiáng)發(fā)酵液的湍流狀態(tài)起決定性作用劉振宇，發(fā)酵工程（技術(shù)與實(shí)踐），2007華北制藥集團(tuán)的劉振宇高級工程師注：CD-6,圓盤六平葉HE-3,三葉螺旋漿計(jì)算流體力學(xué)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)動學(xué)相似和流體動力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個(gè)因素恰恰在放大時(shí)成為關(guān)鍵因子時(shí)，就會造成整個(gè)發(fā)酵過程的失敗(供氧、混合、剪切）。葉勤，發(fā)酵過程原理，2005根據(jù)r,Kla、攪拌槳特性→攪拌功率根據(jù)r、菌體細(xì)胞剪切→攪拌器形式、轉(zhuǎn)速等;

攪拌器的混和計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用研究;

大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡，傳動裝置技術(shù)和整體罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究;

。。。。。。。張嗣良，中國生物工程雜志，2005葉勤，發(fā)酵過程原理，2005采用三級種子的谷氨酸發(fā)酵工藝

李文東，發(fā)酵科技通訊，2003,7斜面→一級種子（1200ml/5000ml三角瓶）→二級種子（2m3）→三級種子（20m3)→發(fā)酵（240m3)背景：二級種子小種量（種子罐是發(fā)酵罐的1%左右）二級種子大種量（種子罐是發(fā)酵罐的5%以上）文章：三級種子工藝根據(jù)r,Kla、攪拌槳特性→攪拌功率KlaN,D(攪拌功率）Q（通氣量）大小小大5、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體大罐的空氣分布器通過在發(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(Mengeetal.,2001;Loweetal.,1998)。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oxygen-vector)。通常使用的氧載體主要有:液態(tài)烷烴、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。溶氧水平提高，蝦青素合成增加第四節(jié)CL、r和Kla的測定一、CL的測定1、化學(xué)法I2+22、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)莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響，且使用壽命長。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5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，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、不通水測定：一般是得到相對值二、r的測定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——=-rdt三、Kla的測定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→2Na2SO42、平衡法

rKla=————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Kla3、動態(tài)法不同的測定方法得出的kla是不一樣的第五節(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Kla下）：rXQCL一般有一個(gè)低谷，在對數(shù)生長的末期華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000OUR=r：攝氧率TEMP：溫度AGIT：攪拌轉(zhuǎn)速DO：溶氧濃度結(jié)論：

當(dāng)OUR(r)與DO反向變化時(shí),表明其限制因素為細(xì)胞水平的菌體代謝問題,當(dāng)OUR(r)與DO同向變化時(shí),表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(這一結(jié)論)可客觀地、動態(tài)地把握臨界氧水平及氧平衡的制約因素。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菌體生長期：酶系統(tǒng)Ⅰ酶系統(tǒng)Ⅱ關(guān)鍵因子開始的細(xì)胞生長好后的細(xì)胞產(chǎn)物合成產(chǎn)物形成期：底物產(chǎn)物酶系統(tǒng)Ⅱ

反應(yīng)動力學(xué)問題

發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，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

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，對菌體的生長有時(shí)會產(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17.15mg/ml24小時(shí)增加22.55mg/ml30小時(shí)增加18.25mg/ml36小時(shí)增加12.34mg/ml初期與前期例：哈藥青霉素發(fā)酵的工藝研究*杜文雙，中國抗生素雜志，2002三、發(fā)酵過程中溶氧濃度監(jiān)控的意義1、考察工藝控制是否滿足要求2、其它異常情況的表征染菌、噬菌體、設(shè)備和操作故障3、間接控制的措施1.通過攪拌、通氣、純氧控制DO>30%2.通過DO的變化來監(jiān)控甘油是否消耗完全3.通過DO的變化來監(jiān)控甲醇的補(bǔ)加是否過量第六節(jié)：關(guān)于厭氧發(fā)酵一、厭氧發(fā)酵常常被理解為厭氧消化張希衡，廢水厭氧生物處理工程,1993二、厭氧發(fā)酵是工業(yè)生物技術(shù)的重要支撐1.L-乳酸L-乳酸→聚乳酸中科院長春應(yīng)化所和浙江海正集團(tuán)經(jīng)過7年的艱苦拼搏，建成了國內(nèi)規(guī)模最大、年產(chǎn)5000噸綠色可降解環(huán)保型聚乳酸樹脂工業(yè)示范線，并成功實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，……它標(biāo)志著我國已成為世界上第二個(gè)聚乳酸產(chǎn)業(yè)化規(guī)模達(dá)5000噸以上的國家，產(chǎn)品質(zhì)量已躋身世界前列。2008/04/022.燃料乙醇美國2001496萬噸目前840萬噸技術(shù)水平總能耗原料利用率副產(chǎn)品國外600-700kg標(biāo)準(zhǔn)煤95%蛋白飼料和CO2

國內(nèi)700-900Kg標(biāo)準(zhǔn)煤50%酒糟飼料注：以生產(chǎn)1T燃料乙醇計(jì)酒精的熱值29700KJ/L標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值29308KJ/Kg2010年2月313美國環(huán)保局公布《可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)第二階段》(RFS2)調(diào)整指標(biāo)：2010：纖維素乙醇：1.0→0.065↓；生物柴油8.0→11.6↑2012：纖維素乙醇：2.5→0.065－0.25↓姚國新等中外能源，20113.生物制氫微藻及藍(lán)細(xì)菌光解制氫光能異養(yǎng)發(fā)酵制氫厭氧發(fā)酵制氫:利用細(xì)菌進(jìn)行有機(jī)廢水發(fā)酵是最有前途的方法哈爾濱工業(yè)大學(xué)生物制氫技術(shù)生產(chǎn)性示范基地

生物制氫→產(chǎn)甲烷發(fā)酵→交叉流好氧高濃度有機(jī)廢水生物制氫和廢水處理綜合工藝系統(tǒng)三、氧化還原電位（ORP）的應(yīng)用

氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。物質(zhì)接受電子的傾向越大，其氧化性就越強(qiáng)，該物質(zhì)也就是強(qiáng)氧化劑，相反給出電子傾向越大的物質(zhì)就是強(qiáng)還原劑。

對于一個(gè)水體來說，往往存在多個(gè)氧化還原電對，構(gòu)成復(fù)雜的氧化還原體系，而其氧化還原電位是多種氧化物質(zhì)和還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的綜合結(jié)果。啟動負(fù)荷為7．0kgCOD／m3·d、水力停留時(shí)問(HRT)為6h、系統(tǒng)pH、氧化還原電位(ORP)分別在4．0—4．3、-440～-470mV之間等條件下，可在30d內(nèi)完成乙醇型發(fā)酵菌群的馴化，實(shí)現(xiàn)生物制氫反應(yīng)系統(tǒng)的快速啟動。

容積負(fù)荷為40kg/m3·d、水力停留時(shí)間(HRT)為4h條件下，可以獲得CSTR丁酸型發(fā)酵的最大產(chǎn)氫速率2．37m3/m3·d．此時(shí)系統(tǒng)的pH、氧化還原電位(ORP)分別在5．2～5．5、-480～-500mV之間．任南琪等，環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005太陽能學(xué)報(bào)，2005

當(dāng)ORP為-50mV時(shí)的生物量是ORP為-100mV時(shí)的1.26倍、ORP為-150mV時(shí)的1.86倍、ORP為-230