5发酵过程控制溶氧ppt课件

1、发酵工程 课件 Fermentation Engineering第五章第五章 发酵过程控制发酵过程控制3)3)主讲人：夏帆欢迎光临 教学目的教学目的: : 了解描述微生物需氧的物理量、影响需氧了解描述微生物需氧的物理量、影响需氧的因素；掌握溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响、的因素；掌握溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响、发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；理解溶解氧和发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；理解溶解氧和pHpH综合控制系统。综合控制系统。 教学重点、难点：临界溶解氧浓度、溶解氧浓度教学重点、难点：临界溶解氧浓度、溶解氧浓度对产物形成的影响、发酵过程中溶解氧的变化、提高对产

2、物形成的影响、发酵过程中溶解氧的变化、提高KLaKLa的途径、溶解氧的控制、溶解氧和的途径、溶解氧的控制、溶解氧和pHpH综合控制系统综合控制系统第第3 3节节 溶解氧的供需及控制溶解氧的供需及控制 (2(2学时学时) ) 溶解氧Dissolve Oxygen (DO)n需氧微生物生长所必需。需氧微生物生长所必需。n纯氧在水、盐或酸中的溶解纯氧在水、盐或酸中的溶解1.26mmol/Ln在在28氧在发酵液中氧在发酵液中100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。倍。n在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到在对数生长期即使发

3、酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在1530s便耗竭。便耗竭。n生物氧化氧吸收率生物氧化氧吸收率13% 8% （即低于13%时产物的形成会受到抑制）一般对于微生物：一般对于微生物： CCr: 125%饱和浓度饱和浓度 表表7-5 P107例：酵母例：酵母 4.610-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.210-2 mmol.L-1, 8.8% 溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不同的影响。同的影响。 对菌体生长的影响显而易见。对菌体生长的影响显而易见。 谷

4、氨酸、精氨酸和脯氨酸发酵时，若供氧不足，谷氨酸、精氨酸和脯氨酸发酵时，若供氧不足，其积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。其积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。 对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如金对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如金霉素发酵，在生长期短时间停止通风，就可能影响菌霉素发酵，在生长期短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由体在生产期的糖代谢途径，由HMP途径转向途径转向EMP途径，途径，使金霉素产量减少。使金霉素产量减少。 在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。即使是专性好氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O2-

5、和过氧化物基O22-等破坏细胞体现的。另外，次级代谢产物的生产，控制生长不使过量是必须的，否则产量会减少。 如，亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞如，亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。产物形成反而受到抑制。 在天冬酰胺酶发酵中，前期是好氧培养，后期转在天冬酰胺酶发酵中，前期是好氧培养，后期转为厌氧培养，酶活可大大提高。所以掌握由好氧转为为厌氧培养，酶活可大大提高。所以掌握由好氧转为厌氧的时机颇为关键。据实验研究，当溶氧下降到厌氧的时机颇为关键。据实验

6、研究，当溶氧下降到45%空气饱和度时由好氧切换到厌氧培养，并适当补空气饱和度时由好氧切换到厌氧培养，并适当补充营养可提高酶活充营养可提高酶活6倍。倍。 而异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，供氧充而异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显。足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显。 氧的满足程度氧的满足程度氨氨基基酸酸的的相相对对产产量量 前往四、发酵过程中溶解氧的变化四、发酵过程中溶解氧的变化在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自己的规律。在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自己的规律。 在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁殖，

7、需氧量不断增加。在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁殖，需氧量不断增加。此时的需氧量超过供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰，此时的需氧量超过供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰，发酵液中的菌浓同时出现一个高峰。过了生长阶段，需氧量发酵液中的菌浓同时出现一个高峰。过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段后，就开始形成产有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。物，溶氧也不断上升。 谷氨酸发酵的溶氧低峰约在谷氨酸发酵的溶氧低峰约在620h，低峰出现的时间，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力不同而异。和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能

8、力不同而异。 引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因：引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因： 污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近；较短时间内下降到零附近； 菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降；菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降； 某些设备或工艺控制发生故障或变化，某些设备或工艺控制发生故障或变化， 搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。降低。 消泡剂因自动加油器失灵或人为加量太多，也会引起溶消泡剂因自动加油器失灵或人为加量太多

9、，也会引起溶氧迅速下降。氧迅速下降。 在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，常见的是溶氧下降。明显升高的异常变化，常见的是溶氧下降。 在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变，在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变，如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后

10、，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。力，溶氧就直线上升。由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。 前往引起溶氧异常升高的原因引起溶氧异常升高的原因五、反应器中氧的传递五、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CCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数

11、气膜传质系数 kmol/m2.h.atmkL: 液膜传质系数液膜传质系数 m/h)()(cckppkNiLigC*PH，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kL: 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/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)*(ccakNaL：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.h: 以以(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-1NaakL)*(cckNL（二供氧的调节（二供氧的调节)*(ccakNaLC有一定的

12、工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过 和和C*来调节来调节akL调节调节kLakLa是最常用的方法，是最常用的方法，kLakLa反映了设备的供氧能力。反映了设备的供氧能力。 45升 1吨 10吨搅拌速度 250 r/min 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1发酵常用的设备为：摇瓶、发酵罐发酵常用的设备为：摇瓶、发酵罐1、影响摇瓶kLa的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12，转速，转速250r/min装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右：

13、 250ml 15-25 ml 500ml 30-50 ml 750ml 80 ml例：例： 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 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 922、影响发酵罐中kLa的因素（1 1设备参数：发酵罐的形设备参数：发酵罐的形状结构、搅拌器直径状结构、搅拌器直径d d）、）、挡板、空气分布器等。挡板、空气分布器等。（2 2操作条件：通气量操作条件：通气量Q Q、搅、搅拌转速拌转速N N、搅拌功率、搅拌功率PGPG、罐压、罐压、发酵液体积发酵液体积V V、液

14、柱高度、液柱高度HLHL等。等。（3 3发酵液的性质：密度、发酵液的性质：密度、黏度、表面张力和扩散系数等。黏度、表面张力和扩散系数等。（4 4氧载体氧载体例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d N PG/V C 产量产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 N 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高d、N显著提高显著提高C溶氧浓度），提高了产量溶氧浓度），提高了产量提高提高N，比

15、提高，比提高Q有效有效 氧载体提高KLa 通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻力，从而提高传氧效率。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体。通常使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、豆油等。对照对照豆油豆油正十二烷正十二烷溶解氧变化趋势是一致的，表现为先下降后上升。但溶解氧的最低点溶解氧变化趋势是一致的，表现为先下降后上升。但溶解氧的最低点不同。对照组不同。对照组PO2下降的最低点下降的最低点28%，而添加豆油的试验组为，而添加豆油的试验组为36.5%，添加正十二烷的为添加正十二烷的为38.9 %。因此添加氧载体，对于溶解氧的改善，尤。因此添加氧载体

16、，对于溶解氧的改善，尤其是在细胞耗氧旺盛的时期是极为有利的。其是在细胞耗氧旺盛的时期是极为有利的。正十二烷正十二烷豆油豆油对照对照氧载体的添加，能促进法夫酵母虾青素的合成。与对氧载体的添加，能促进法夫酵母虾青素的合成。与对照组相比，添加照组相比，添加3%豆油和豆油和1%正十二烷的试验组虾青素正十二烷的试验组虾青素产率分别由对照组的产率分别由对照组的2.78mg/L增加至增加至3.69mg/L和和3.76mg/L，提高，提高32.73%和和35.26% 。还可看出，虾青素合成的差异主要集中在第还可看出，虾青素合成的差异主要集中在第24小时小时至第至第72小时之间。不添加氧载体的对照组，虾青素合成

17、小时之间。不添加氧载体的对照组，虾青素合成集中在前集中在前48小时，小时，72小时后少有虾青素的合成。而添加小时后少有虾青素的合成。而添加氧载体的试验组，虾青素的合成可持续至氧载体的试验组，虾青素的合成可持续至96小时，尤其小时，尤其是在第是在第48小时后仍有较大的合成速率。小时后仍有较大的合成速率。 前往溶氧控制的一般策略：溶氧控制的一般策略： 前期大于临界呼吸溶氧浓度有利于菌体生长，中后期满足产物的形成。 发酵液的溶氧浓度，是由供氧和需氧两方面所决定的。因发酵液的溶氧浓度，是由供氧和需氧两方面所决定的。因此要控制好发酵液中的溶氧，需从这两方面着手。此要控制好发酵液中的溶氧，需从这两方面着手

18、。 六、发酵过程中溶解氧的控制六、发酵过程中溶解氧的控制 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。但是增大通气的时间一定要把握好。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/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影响响杜文双，中国抗生素杂志，2019杜文双，中国抗生素杂志，2019

19、例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影响响 溶氧控制在发酵过程控制中的应用国内外都有将溶氧、国内外都有将溶氧、pH和补糖综合控制用于青霉和补糖综合控制用于青霉素发酵的成功例子。控制的原则是加糖速率应正好使培素发酵的成功例子。控制的原则是加糖速率应正好使培养物处于半饥饿状态，即仅能维持菌的正常生理代谢，养物处于半饥饿状态，即仅能维持菌的正常生理代谢，而把更多的糖用于产物的合成，并且其摄氧率不至于超而把更多的糖用于产物的合成，并且其摄氧率不至于超过设备的供氧能力过设备的供氧能力KLa，如下图。，如下图。氧控制点 其加糖阀由控制器操纵。当培养液的溶氧高于控制点时，加糖阀开大，糖的利用需要消耗更多的氧，导致溶氧读数下跌；反之，加糖速率便自动减小，摄氧率也会随之降低，引起溶氧读数逐渐上升。图图 溶氧在加糖控制中的应用溶氧在加糖控制中的应用KLa因子推因子推动溶氧上升动溶氧上升总摄氧率驱总摄氧率驱动溶氧