《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: : 了解描画微生物需氧的物理量、影响需氧了解描画微生物需氧的物理量、影响需氧的要素；掌握溶解氧浓度对菌体生长和产物构成的影响、的要素；掌握溶解氧浓度对菌体生长和产物构成的影响、发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；了解溶解氧和发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；了解溶解氧和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、溶解氧浓度对产物构成的影响、发酵过程中溶解氧的变化、提高对产

2、物构成的影响、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的空气饱和浓度只需的空气饱和浓度只需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到达在对数生长期即使发

3、酵液中的溶氧能到达100空气饱和度，假设此时中止供氧，发酵液中溶氧可空气饱和度，假设此时中止供氧，发酵液中溶氧可在在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%时产物的构成会遭到抑制普通对于微生物：普通对于微生物： 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构成会产生不溶解氧浓度对菌体生长和产物的构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，假设供氧缺乏，谷氨酸、精氨酸和脯氨酸发酵时，假设供氧缺乏，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，氧的供应就更为重要。如金对抗生素发酵来说，氧的供应就更为重要。如金霉素发酵，在生长期短时间停顿通风，就能够影响菌霉素发酵，在生长期短时间停顿通风，就能够影响菌体在消费期的糖代谢途径，由体在消费期的糖代谢途径，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。 在培育过程中并不是维持溶氧越高越好。即使是专性好氧菌，过高的溶氧对生长能够不利。氧的有害作用是经过构成新生O，超氧化物基O

5、2-和过氧化物基O22-等破坏细胞表达的。另外，次级代谢产物的消费，控制生长不使过量是必需的，否那么产量会减少。 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，才干获得最大量的氨基酸，假设供氧充足，呼吸受抑制时，才干获得最大量的氨基酸，假设供氧充足，产物构成反而遭到抑制。产物构成反而遭到抑制。 在天冬酰胺酶发酵中，前期是好氧培育，后期转在天冬酰胺酶发酵中，前期是好氧培育，后期转为厌氧培育，酶活可大大提高。所以掌握由好氧转为为厌氧培育，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。据实验研讨，当溶氧下降到厌氧的时机颇为关键。

6、据实验研讨，当溶氧下降到45%空气饱和度时由好氧切换到厌氧培育，并适当补空气饱和度时由好氧切换到厌氧培育，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本人的规律。在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有本人的规律。 在谷氨酸发酵前期，产生菌大量

7、繁衍，需氧量不断添加。在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁衍，需氧量不断添加。此时的需氧量超越供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰，此时的需氧量超越供氧量，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顶峰。过了生长阶段，需氧量发酵液中的菌浓同时出现一个顶峰。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，就开场构成产有所减少，溶氧经过一段时间的平稳阶段后，就开场构成产物，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才干不同而异。和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备

8、供氧才干不同而异。 引起溶氧异常下降，能够有以下几种缘由：引起溶氧异常下降，能够有以下几种缘由： 污染好气性杂菌，大量的溶氧被耗费掉，能够使溶氧在污染好气性杂菌，大量的溶氧被耗费掉，能够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； 菌体代谢发生异常景象，需氧要求添加，使溶氧下降；菌体代谢发生异常景象，需氧要求添加，使溶氧下降； 某些设备或工艺控制发生缺点或变化，某些设备或工艺控制发生缺点或变化， 搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧才干，使溶氧搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧才干，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

9、量太多，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，主要是耗氧出现改动，在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改动，如菌体代谢出现异常，耗氧才干下降，使溶氧上升。特别是污如菌体代谢出现异常，耗氧才干下降，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，呼吸已遭染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已遭到抑制，溶氧有能够上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸才到抑制，溶氧有能够上升，直到菌体

10、破裂后，完全失去呼吸才干，溶氧就直线上升。干，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能否正常，工艺控制能否合理，设备供氧才干能否充足长代谢能否正常，工艺控制能否合理，设备供氧才干能否充足等问题，协助我们查找发酵不正常的缘由和控制好发酵消费。等问题，协助我们查找发酵不正常的缘由和控制好发酵消费。 前往引起溶氧异常升高的缘由引起溶氧异常升高的缘由五、反响器中氧的传送五、反响器中氧的传送一发酵液中氧的传送方程一发酵液中氧的传送方程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

11、数气膜传质系数 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: 以氧浓度为推进力的总传送系数以氧浓度为推进力的总传送系数 (m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传送面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传送面积为 a (m2/m3)*(ccakNaL：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.h: 以以(C*-C)为推进力的体积溶氧系数为推进力的体积溶氧系数 h-1NaakL)*(cckNL二供氧的调理二供氧的调理)*(ccakNaLC有一定的工

12、艺要求，所以可以经过有一定的工艺要求，所以可以经过 和和C*来调理来调理akL调理调理kLakLa是最常用的方法，是最常用的方法，kLakLa反映了设备的供氧才干。反映了设备的供氧才干。 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的要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，普通取装液量，普通取1/10左右：左右：

13、250ml 15-25 ml 500ml 30-50 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 摇瓶中消费蛋白酶，调查装液量对酶活的影响摇瓶中消费蛋白酶，调查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的要素1 1设备参数：发酵罐的外设备参数：发酵罐的外形构造、搅拌器直径形构造、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、液柱高度、液柱

14、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、外表张力和分散系数等。黏度、外表张力和分散系数等。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 黑曲霉消费糖化酶黑曲霉消费糖化酶 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，比提高，比提高Q有效有

15、效 氧载体提高KLa 经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。这种液相普通具有比水更高的溶氧才干，且与发酵液互不相溶，称为氧载体。通常运用的氧载体主要有: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%，而添加豆油的实验组为，而添加豆油的实验组为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，对于溶解氧的改善，

16、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%正十二烷的实验组虾青素正十二烷的实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添加至添加至3.69mg/L和和3.76mg/L，提高，提高32.73%和和35.26% 。还可看出，虾青素合成的差别主要集中在第还可看出，虾青素合成的差别主要集中在第24小时小时至第至第72小时之间。不添加氧载体的对照组，虾青素合成小时之间。不添加氧载

17、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。而添加氧载体的实验组，虾青素的合成可继续至氧载体的实验组，虾青素的合成可继续至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。 前往溶氧控制的普通战略：溶氧控制的普通战略： 前期大于临界呼吸溶氧浓度有利于菌体生长，中后期满足产物的构成。 发酵液的溶氧浓度，是由供氧和需氧两方面所决议的。因发酵液的溶氧浓度，是由供氧和需氧两方面所决议的。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。 六、发酵过程中溶

18、解氧的控制六、发酵过程中溶解氧的控制 普通以为，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需的。但是增大通气的时间一定要把握好。例：例： 消费肌苷酸：消费肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时添加小时添加 22.55 mg/ml30小时添加小时添加 18.25 mg/ml36小时添加小时添加 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，2002杜文双，中国抗生素杂志，2002例：搅拌与通气量对青

19、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运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胜利例子。控制的原那么是加糖速率应正好使素发酵的胜利例子。控制的原那么是加糖速率应正好使培育物处于半饥饿形状，即仅能维持菌的正常生理代谢，培育物处于半饥饿形状，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越设备的供氧才干越设备的供氧才干KLa，如以下图。，如以下图。氧控制点 其加糖阀由控制器支配。当培育液的溶氧高于控制点时，加糖阀开大，糖的利用需求耗费更多的氧，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运用溶氧在加糖控制中的运用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下