氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響課件

溶氧(dissolvedoxygen，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0.25mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)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(duì)發(fā)酵的影響1可編輯版第一節(jié)微生物對(duì)氧的需求第二節(jié)發(fā)酵液中氧的供給第三節(jié)影響Kla的因素（供氧的調(diào)節(jié)）第四節(jié)與溶氧相關(guān)的參數(shù)測定第五節(jié)發(fā)酵過程中溶氧監(jiān)控的意義2可編輯版第一節(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(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-1cell·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.X3可編輯版微生物溫度/℃臨界氧值/(mmolO2/L)溫度/℃臨界氧值/(mgO2/L)大腸桿菌37.80.00820.003115.00.26酵母34.80.00460.003720.00.60產(chǎn)黃青霉30.00.00900.022024.00.40幾種微生物的呼吸臨界氧值4可編輯版二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(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。5可編輯版一般對(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：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧濃度所以對(duì)于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度>1.6可編輯版問題：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(duì)于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%7可編輯版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(duì)魚類的影響胡隱昌，水產(chǎn)養(yǎng)殖,20038可編輯版三、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9可編輯版第二節(jié)反應(yīng)器中氧的傳遞CP氣膜液膜只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微生物所利用雙膜理論前提：氣泡與包圍著氣泡的液體間存在接觸面；氣泡側(cè)為氣膜，液泡側(cè)為液膜。O2以擴(kuò)散方式，借濃度差由氣液雙膜進(jìn)入液相。雙膜之間兩相界面上，氧分壓強(qiáng)與溶于界面液膜中的氧濃度處于平衡關(guān)系；傳質(zhì)過程處于穩(wěn)定態(tài)，傳質(zhì)途徑個(gè)各點(diǎn)氧濃度不隨時(shí)間變化。雙膜理論P(yáng)iCi傳氧方向界面10可編輯版第二節(jié)反應(yīng)器中氧的傳遞一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程CP氣膜液膜N：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/hP:氣相中氧的分壓強(qiáng)C：液相溶解氧濃度雙膜理論P(yáng)iCi傳氧方向界面11可編輯版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：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(dòng)力的體積溶氧系數(shù)h-112可編輯版二、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13可編輯版三、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/HNvHPKLa14可編輯版調(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1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的設(shè)備供氧能力不一樣15可編輯版第三節(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

16可編輯版一、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250rpm17可編輯版裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml50ml750ml80ml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7137342539218可編輯版二、影響發(fā)酵罐中KLa的因素19可編輯版20可編輯版21可編輯版已知在通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐中，全擋板條件下：22可編輯版1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)KLa的效果顯著23可編輯版例某一產(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24可編輯版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25可編輯版例：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26可編輯版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27可編輯版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(dòng)傳熱傳遞生物反應(yīng)過程剪切、混合、供氧28可編輯版29可編輯版箭葉平葉30可編輯版不同攪拌漿對(duì)菌體濃度的影響31可編輯版發(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。32可編輯版平葉箭葉慶大霉素的生產(chǎn)水平提高了40%以上33可編輯版34可編輯版35可編輯版計(jì)算流體力學(xué)36可編輯版

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(dòng)學(xué)相似和流體動(dòng)力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對(duì)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(huì)造成整個(gè)發(fā)酵過程的失敗(供氧、混合、剪切）。37可編輯版

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平衡，傳動(dòng)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，200538可編輯版根據(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39可編輯版5、影響KLa的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體40可編輯版41可編輯版

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。42可編輯版溶氧水平提高，蝦青素合成增加43可編輯版讀書報(bào)告：溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制要求：字?jǐn)?shù)不限要有參考文獻(xiàn)（06年以后）44可編輯版第四節(jié)CL、r和KLa的測定一、CL的測定1、化學(xué)法45可編輯版2、溶氧電極

極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2

原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-46可編輯版

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。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(duì)值47可編輯版二、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48可編輯版2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt49可編輯版三、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→2Na2SO450可編輯版2、平衡法

rKLa=————C*-CL例：一裝料為7L的發(fā)酵罐，通氣量1vvm，操作壓力為0.3Kg/cm2，在某發(fā)酵時(shí)間內(nèi)發(fā)酵液的溶氧濃度為飽和氧濃度的25%，空氣進(jìn)入時(shí)的氧含量為21%，廢氣排出時(shí)的氧含量為19.8%。（1

atm時(shí)氧飽和濃度C*=0.2mmol/L，氧氣密度1.429g/L）求此時(shí)菌的攝氧率和KLa51可編輯版r=Q*(Y進(jìn)口-Y出口)/VKLa=r/(C*-CL)發(fā)酵罐中實(shí)際氧飽和濃度：C*=0.2(1+P)KLa＝r/0.206(0.21-0.198)r=1×7×60×(0.21-0.198)×1.429/32×103

/752可編輯版3、動(dòng)態(tài)法

不同的測定方法得出的kLa是不一樣的53可編輯版第五節(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(duì)數(shù)生長的末期54可編輯版華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，200055可編輯版OUR=r：攝氧率TEMP：溫度AGIT：攪拌轉(zhuǎn)速DO：溶氧濃度56可編輯版結(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(dòng)態(tài)地把握臨界氧水平及氧平衡的制約因素。57可編輯版二、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+bμ58可編輯版溶氧濃度的變化及其控制59可編輯版菌體生長期：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60可編輯版產(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

61可編輯版發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體