溶氧的影响及控制

溶氧的影响及控制第1页，共29页，2023年，2月20日，星期六发酵生产中用空气饱和度百分数来表示溶氧浓度。临界氧浓度：不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，如对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。一临界氧第2页，共29页，2023年，2月20日，星期六各种微生物的呼吸强度是不同的，并且呼吸强度是随着培养液中溶解氧浓度的增加而加强，直至达到一个临界值为止。这个临界值称为“临界氧浓度”。微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1%~25%。第3页，共29页，2023年，2月20日，星期六

某些微生物的临界氧浓度微生物名称温度/℃C临界/mmol/L固氮菌大肠杆菌大肠杆菌粘性赛氏杆菌粘性赛氏杆菌酵母酵母橄榄型青霉菌橄榄型青霉菌3037.815313034.82024301.8～4.9×10-28.2×10-33.1×10-31.5×10-29×10-34.6×10-33.7×10-32.2×10-29×10-3第4页，共29页，2023年，2月20日，星期六不同种类的微生物的需氧量不同，一般为25～100mmolO2/（L·h），同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代谢产物时的耗氧量也往往不同。

微生物菌体在不同时期不同阶段的耗氧速度[mmolO2/（L·h）]生长产α-淀粉酶种子培养7h发酵13h黑曲霉50～55201350谷氨酸生产菌第5页，共29页，2023年，2月20日，星期六当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶解氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率就会大大下降，或者是微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降，细胞处于半厌气状态，代谢活动受到阻碍。第6页，共29页，2023年，2月20日，星期六呼吸临界氧值可用尾气O2含量变化和通气量测定，也可用溶氧电极测定。方法：通气搅拌，溶氧升到最高；中止通气，继续搅拌，顶部充氮气，溶氧迅速下降。各种微生物的呼吸临界氧值：

细菌和酵母：3~10%放线菌：5~30%霉菌：10~15%第7页，共29页，2023年，2月20日，星期六合成的临界氧值：考察不同溶氧浓度对生产的影响，便可求得合成的临界氧值。第8页，共29页，2023年，2月20日，星期六注意：●实际上，呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同。●生物合成临界氧浓度并不等于其最适氧浓度。●在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。过高的溶氧对生长可能不利。第9页，共29页，2023年，2月20日，星期六二发酵过程中的溶氧变化（一）、发酵过程中溶氧浓度变化的一般规律发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降发酵中期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升

第10页，共29页，2023年，2月20日，星期六第11页，共29页，2023年，2月20日，星期六（二）、溶氧异常的原因1、引起溶氧异常下降的可能原因（1）污染好气性杂菌，消耗大量溶氧，使溶氧在短时间内下降到零附近（2）菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降（3）某些设备或工艺控制发生故障或变化，也能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌转速变慢、消沫油因自动加油器失灵或人为加量过多、停止搅拌、闷罐（关闭排气阀）等。第12页，共29页，2023年，2月20日，星期六2、引起溶氧异常上升的可能原因：（1）污染烈性噬菌体（2）菌体代谢出现异常，耗氧能力下降（3）补料时间和间隔不当：赤霉素发酵发酸现象根据发酵液中的溶解氧浓度的变化来判断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等问题，有助于查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。第13页，共29页，2023年，2月20日，星期六（三）溶氧浓度的控制

发酵液中的溶氧浓度取决于氧的传递（即供氧方面）和被微生物利用（即耗氧方面）两个方面。氧的传递方程

NV

＝KLa(c*－cL)式中：NV——单位体积液体的传氧速率；

KLa——以浓度差为推动力的体积溶氧系数；

cL——溶液中氧的实际浓度；

c*——氧在水中的饱和浓度。第14页，共29页，2023年，2月20日，星期六1、影响氧传递的因素（1）影响推动力(c*－cL)的因素①温度：温度升高，氧的溶解度降低可在不影响菌体生长和产物合成情况下，采取降低温度的措施。第15页，共29页，2023年，2月20日，星期六②pH：氧在酸性溶液中的溶解度一般表现为酸的强度大、浓度高，则氧溶解度低。③电解质浓度：电解质浓度大，氧的溶解度低④溶剂：氧在有机溶剂中的溶解度比水中大。实际发酵过程中也可通过合理添加有机溶剂来降低水的极性从而增加氧的溶解度。⑤氧分压：增加分压可提高氧的溶解度。方法一是提高空气总压，方法二是提高氧分压。第16页，共29页，2023年，2月20日，星期六

Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。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250rpm第17页，共29页，2023年，2月20日，星期六装液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392第18页，共29页，2023年，2月20日，星期六（2）发酵罐中影响KLa的因素①搅拌作用：打散气泡，增大气液接触面；形成涡流，延长气泡在液体中停留时间；形成湍流，减小气泡外的液膜阻力；避免菌丝结团，减少菌丝团阻力；使培养液中的成分分布均匀，细胞均匀悬浮，有利于营养物的吸收和代谢物的分散。但是搅拌转速并非越大越好，过度强烈的搅拌会有很多不利作用。第19页，共29页，2023年，2月20日，星期六②空气线速度

KLa随空气流速的增加而增大，但空气速度过大，则可使叶轮发生过载，即叶轮不能分散空气，气体不经分散而沿搅拌器缓慢运动的中心迅速上升而逸出。第20页，共29页，2023年，2月20日，星期六空气分布器发酵罐中装有多孔分布器和单孔分布器，在气流速度很低时，多孔分布器有较高的通气效率。但两者的区别随着气流速度的增加而逐渐减少。可能是低气流时多孔分布器可形成更大的传递面积，而当通气量增大时，单孔分布器能更大的增加发酵液的湍动程度。第21页，共29页，2023年，2月20日，星期六④发酵液的性质

发酵液的性质特别是黏度、pH、极性、表面张力、离子浓度、菌体浓度等，都会影响气泡的大小、稳定性和氧的传递速率。黏度增大，KLa下降；泡沫过多，黏度增加，KLa下降；表面活性剂（如消泡剂）使KLa下降；离子强度大使KLa增加；菌体浓度增加使KLa下降。发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质。第22页，共29页，2023年，2月20日，星期六项目设备条件项目设备条件搅拌器空气流量类型；封闭或开放式叶片形状；弯叶、平叶或箭叶搅拌器直径/罐直径挡板数和挡板宽度搅拌器档数和位置每分钟体积比[(V/V)/min]空气分布器的类型和位置搅拌转速罐压雷诺准数“K”因子功率准数弗罗德准数Pa与氧传质有关的工程参数第23页，共29页，2023年，2月20日，星期六2、影响微生物耗氧的因素

微生物的“需氧”可用耗氧速率或呼吸强度来表示：

耗氧速率（oxygenuptakerate)：指单位体积的培养液在单位时间的耗氧量。单位为mmolO2/(L·

h)，用r表示或OUR

呼吸强度（respiratorystrength)：单位质量的干菌体在单位时间的耗氧量。单位为mmolO2/(g·干细胞·h)，用Ｑo2表示两者的关系：P188第24页，共29页，2023年，2月20日，星期六①微生物本身遗传特征：不同种类耗氧量不同②培养基的成分和浓度：

培养基成分尤其是碳源对细胞耗氧影响大，耗氧由大到小：油质或烃类>G>蔗糖>乳糖培养基浓度大，耗氧增加培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高，耗氧量大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着增大。

第25页，共29页，2023年，2月20日，星期六③菌龄：幼龄菌生长旺盛，耗氧大④发酵条件：pH、温度⑤代谢类型：若产物通过TCA循环获取，则耗氧大；若产物通过EMP途径获取，则耗氧量小

第26页，共29页，2023年，2月20日，星期六项目工艺条件项目工艺条件菌种特性培养基的性能好气程度菌龄、数量菌的聚集状态，絮状或小球状基础培养基组成、配比物理性质；粘度、表面张力等补料或加糖温度溶氧与尾气O2及CO2水平消泡剂或油表面活性剂配方、方式、次数和时机恒温或阶段变温控制按生长或产物合成的临界值控制种类、数量、次数和时机种类、数量、次数和时机影响需氧的工艺条件第27页，共29页，2023年，2月20日，星期六3控制溶氧的工艺手段（1）改变通气速率（增大通风量）：增大KLa值。注意，过分增大通气速率会产生副作用，如泡沫生成、罐温增高等。（2）改变搅拌速度：转速较低时，增大搅拌速度对提高溶氧浓度有明显作用；当转速很高时，再增大搅拌速度起不到调节作用，反而打碎菌丝体，使菌体自溶并减少产量。（3）改变气体组成中的氧分压（4）改变罐压：提高C*。不是十分有效（5）改变发酵液的理化性质：如加消沫剂、补加无菌水、改变培养基的成分等（6）加入传氧中间介质：一般是不溶于培养液的液体，呈乳化状态来提高气液相之间的传递。传氧中间介质有：血红蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡等）、含氟碳化物。第28页，共29页，2023年，2月2