氧的供需及对发酵的影响20课件

溶氧(DO)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限制因素。

在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。第六章氧的供需及对发酵的影响微生物对氧的需求发酵液中氧的供给影响Kla的因素（供氧的调节）与溶氧相关的参数测定发酵过程中溶氧监控的意义厌氧发酵的基本知识第一节微生物对氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1

摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X微生物温度/℃C临界/(mmol/L)相对于饱和浓度（%）大肠杆菌37.80.00823.28酵母菌34.80.00461.84米曲霉300.028青酶菌300.0093.6粘性赛氏杆菌310.0156某些微生物的临界溶氧溶度一般对于微生物：CCr:＝1～15%饱和浓度定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.问题：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。生物类型呼吸强度（氧气，鲜重）

μl·g-1·h-1仙人掌3.00蚕豆96.60小麦251.00细菌10000.00(0.01/22.4)×36=0.016g·g-1·h-1例：以菌浓X为：10g/L计微生物的摄氧率0.3gO2·L-1·h-1计，[(0.25/1000)×36]/0.3=0.03h=108s注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：

头孢菌素卷须霉素生长5%(相对于饱和浓度）13%产物>13%>8%品种测定水温窒息点（mmol/l)相当于鲤鱼290.09-0.014%鲢鱼270.01-0.024-8%鲫鱼290.0042%氧对鱼类的影响胡隐昌，水产养殖,2003三、影响需氧的因素r=QO2.X菌体浓度QO2遗传因素菌龄营养的成分与浓度有害物质的积累培养条件C*＝P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度H:亨利系数Kl: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a(m2/m3)Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1二、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传递(OTR)：消耗(OUR)：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度(DO)上面徐庆阳等微生物学通报，2007郜培等，食品工业发酵，2005郜培等，食品工业发酵，2005三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla和C*来调节其中C*＝P/HNvHPKla第三节影响Kla的因素

Kla反映了设备的供氧能力发酵常用的设备为：摇瓶发酵罐一、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12,转述250rpm250,500,1000,2000ml……二、影响发酵罐中Kla的因素通风搅拌发酵罐1、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节kla的效果显著例某一产品的发酵dnp0/vc产量4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生产糖化酶n230230270通气量（VVM)0.81.20.8产量181224162846提高d、n显著提高C,提高了产量提高N,比提高Q有效2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的蒸发量大中间挥发性代谢产物带走例：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：通气静止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的3、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点小型发酵罐，转速可调大型发酵罐，转速往往不可调大型反应器的合理设计对现有设备一定要注意工艺配套4、生物反应器放大的基本思想小型反应器和大型反应器的差异：传动传热传递生物反应过程剪切、混合、供氧箭叶平叶不同搅拌浆对菌体浓度的影响发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化平叶箭叶箭叶：在4h左右溶氧就从90的下降到14.8%，通过不断提高转数DO水平始终维持在20%左右。平叶：在8h左右才下降到23.43%;中后期DO水平则一直在40%以上。平叶箭叶庆大霉素的生产水平提高了40%以上Ooterhuis,N.M.G.,etal.Biotechnol.Bioeng,1983Enfors,S.O.etal,J.Biotechnol,2001叶勤，发酵过程原理，2005叶勤，发酵过程原理，2005rpm=600Junker,B.H.,etal.Bioproc.Eng.,1998CD-6及HE-3搅拌器应用需注意的问题：1）CD-6下层搅拌对防止气泛起决定作用；2）HE-3上层搅拌对防止气泛，增强发酵液的湍流状态起决定性作用刘振宇，发酵工程（技术与实践），2007华北制药集团的刘振宇高级工程师注：CD-6,圆盘六平叶HE-3,三叶螺旋浆计算流体力学发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败(供氧、混合、剪切）。叶勤，发酵过程原理，2005根据r,Kla、搅拌桨特性→搅拌功率根据r、菌体细胞剪切→搅拌器形式、转速等;

搅拌器的混和计算流体力学的应用研究;

大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡，传动装置技术和整体罐结构设计研究;

。。。。。。。张嗣良，中国生物工程杂志，2005叶勤，发酵过程原理，2005采用三级种子的谷氨酸发酵工艺

李文东，发酵科技通讯，2003,7斜面→一级种子（1200ml/5000ml三角瓶）→二级种子（2m3）→三级种子（20m3)→发酵（240m3)背景：二级种子小种量（种子罐是发酵罐的1%左右）二级种子大种量（种子罐是发酵罐的5%以上）文章：三级种子工艺根据r,Kla、搅拌桨特性→搅拌功率KlaN,D(搅拌功率）Q（通气量）大小小大5、影响Kla的其它因素空气分布器液体的粘度氧载体大罐的空气分布器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(Mengeetal.,2001;Loweetal.,1998)。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oxygen-vector)。通常使用的氧载体主要有:液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。溶氧水平提高，虾青素合成增加第四节CL、r和Kla的测定一、CL的测定1、化学法I2+22、溶氧电极极谱型(阴极)：O2+2H++2e→H2O2原电池型(阴极)：O2+2H2O+4e→4OH-极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响，且使用寿命长。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5～30μA(主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。膜：耐温、透气、不通水测定：一般是得到相对值二、r的测定1、物料衡算

流量（进口空气中氧的氧含量—出口空气中的氧含量）r=————————————————————————发酵液体积氧的浓度：氧分压仪2、溶氧电极停止供气：dCL——=-rdt三、Kla的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）氧→亚硫酸钠的氧化Kla.C*=亚硫酸浓度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO42、平衡法

rKla=————C*-CL例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为1VVM（标态），发酵液的CL＝25%、空气进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的Kla3、动态法不同的测定方法得出的kla是不一样的第五节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Kla下）：rXQCL一般有一个低谷，在对数生长的末期华东理工大学学报，2000OUR=r：摄氧率TEMP：温度AGIT：搅拌转速DO：溶氧浓度结论：

当OUR(r)与DO反向变化时,表明其限制因素为细胞水平的菌体代谢问题,当OUR(r)与DO同向变化时,表明其限制因素为工程水平的氧传递问题。此时溶氧处于临界氧以下(这一结论)可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反应:

XS→P+Xπ=a+bμ菌体生长期：酶系统Ⅰ酶系统Ⅱ关键因子开始的细胞生长好后的细胞产物合成产物形成期：底物产物酶系统Ⅱ

反应动力学问题

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溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。2、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵：要求：氧饱和度>1控制：0-12小时小通风12小时后增加通风原因：0-12小时菌体量较小，采用小通风12

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。但是通气增大的时间一定要把握好。例：生产肌苷酸：通气量不变17.15mg/ml24小时增加22.55mg/ml30小时增加18.25mg/ml36小时增加12.34mg/ml初期与前期例：哈药青霉素发酵的工艺研究*杜文双，中国抗生素杂志，2002三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义1、考察工艺控制是否满足要求2、其它异常情况的表征染菌、噬菌体、设备和操作故障3、间接控制的措施1.通过搅拌、通气、纯氧控制DO>30%2.通过DO的变化来监控甘油是否消耗完全3.通过DO的变化来监控甲醇的补加是否过量第六节：关于厌氧发酵一、厌氧发酵常常被理解为厌氧消化张希衡，废水厌氧生物处理工程,1993二、厌氧发酵是工业生物技术的重要支撑1.L-乳酸L-乳酸→聚乳酸中科院长春应化所和浙江海正集团经过7年的艰苦拼搏，建成了国内规模最大、年产5000吨绿色可降解环保型聚乳酸树脂工业示范线，并成功实现批量生产，……它标志着我国已成为世界上第二个聚乳酸产业化规模达5000吨以上的国家，产品质量已跻身世界前列。2008/04/022.燃料乙醇美国2001496万吨目前840万吨技术水平总能耗原料利用率副产品国外600-700kg标准煤95%蛋白饲料和CO2

国内700-900Kg标准煤50%酒糟饲料注：以生产1T燃料乙醇计酒精的热值29700KJ/L标准煤的热值29308KJ/Kg2010年2月313美国环保局公布《可再生燃料标准第二阶段》(RFS2)调整指标：2010：纤维素乙醇：1.0→0.065↓；生物柴油8.0→11.6↑2012：纤维素乙醇：2.5→0.065－0.25↓姚国新等中外能源，20113.生物制氢微藻及蓝细菌光解制氢光能异养发酵制氢厌氧发酵制氢:利用细菌进行有机废水发酵是最有前途的方法哈尔滨工业大学生物制氢技术生产性示范基地

生物制氢→产甲烷发酵→交叉流好氧高浓度有机废水生物制氢和废水处理综合工艺系统三、氧化还原电位（ORP）的应用

氧化还原反应的本质是电子的转移。物质接受电子的倾向越大，其氧化性就越强，该物质也就是强氧化剂，相反给出电子倾向越大的物质就是强还原剂。

对于一个水体来说，往往存在多个氧化还原电对，构成复杂的氧化还原体系，而其氧化还原电位是多种氧化物质和还原物质发生氧化还原反应的综合结果。启动负荷为7．0kgCOD／m3·d、水力停留时问(HRT)为6h、系统pH、氧化还原电位(ORP)分别在4．0—4．3、-440～-470mV之间等条件下，可在30d内完成乙醇型发酵菌群的驯化，实现生物制氢反应系统的快速启动。

容积负荷为40kg/m3·d、水力停留时间(HRT)为4h条件下，可以获得CSTR丁酸型发酵的最大产氢速率2．37m3/m3·d．此时系统的pH、氧化还原电位(ORP)分别在5．2～5．5、-480～-500mV之间．任南琪等，环境科学学报，2005太阳能学报，2005

当ORP为-50mV时的生物量是ORP为-100mV时的1.26倍、ORP为-150mV时的1.86倍、ORP为-230