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1、 发酵工程 课件Fermentation Engineering第五章 发酵过程控制（3)主讲人：夏帆欢迎光临*1长江大学生科院生物工程系教学目的: : 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 、发酵过程中溶解氧的变化和溶解氧的控制；理解溶解氧 和pH综合控制系统。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KLa 的途径、溶解氧的控制、溶解氧和pH综合控制系统第3节 溶解氧的供需及控制 (2学时)Date2长江大学生科院生物工程系溶解氧Dissolve Oxygen (DO)n需氧微生物生长所必需。 n
2、纯氧在水、盐或酸中的溶解1.26mmol/L n在28氧在发酵液中100的空气饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。 n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 1530s便耗竭。 n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： CCr: 125%饱和浓度 表7-5 P107例：酵母 4.610-3 mmol.L-1, 1.8%产黄青霉 2.210-2 mmol.L-1, 8.8%Date12长江大学生科院生物工程系溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不 同的影响。对菌体生
3、长的影响显而易见。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。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，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由HMP途径转向EMP途径，使金霉素产量减少。 Date13长江大学生科院生物工程系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-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、细胞呼吸受抑制时
4、，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。Date14长江大学生科院生物工程系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 厌氧的时机颇为关键。据实验研究，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 充营养可提高酶活6倍。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。 Date15长江大学生科院生物工程系氧的满足程度氨 基 酸 的 相 对 产 量返回16四、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。 2018/8/1017在谷氨
5、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，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，就开始形成产物，溶氧也不断上升。谷氨酸发酵的溶氧低峰约在620h，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。Date18长江大学生科院生物工程系引起溶氧异常下降，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；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，使溶氧降低
6、。消泡剂因自动加油器失灵或人为加量太多，也会引起溶氧迅速下降。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。Date19长江大学生科院生物工程系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 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。返回引起溶氧异常升高的原因
7、Date20长江大学生科院生物工程系五、反应器中氧的传递（一）发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜液膜N：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atmkL: 液膜传质系数 m/hDate21长江大学生科院生物工程系C*PH，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 (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)：体积传氧速率 kmol/m3.h: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1Date22长江大学生科院生物工程系（二）供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过 和C*来调节调节kLa是最常
8、用的方法， kLa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Date23长江大学生科院生物工程系1、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，转速250r/minDate24长江大学生科院生物工程系装液量，一般取1/10左右：250ml 15-25 ml500ml 30-50 ml750ml 80 ml例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml酶
9、活力 713 734 253 92Date25长江大学生科院生物工程系2、影响发酵罐中kLa的因素（1）设备参数：发酵罐的形 状结构、搅拌器（直径d）、 挡板、空气分布器等。 （2）操作条件：通气量Q、搅 拌转速N、搅拌功率PG、罐压 、发酵液体积V、液柱高度HL 等。 （3）发酵液的性质：密度、 黏度、表面张力和扩散系数等 。 （4）氧载体Date26长江大学生科院生物工程系例 某一产品的发酵d N PG/V C 产量 450 180 1.62 20% 4978450 280 2.12 40% 5564550 180 2.61 60% 8455例 黑曲霉生产糖化酶N 230 230 270通
10、气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8产量 1812 2416 2846提高d、N显著提高C（溶氧浓度），提高了产量提高N，比提高Q有效Date27长江大学生科院生物工程系氧载体提高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。Date28长江大学生科院生物工程系Date29长江大学生科院生物工程系30长江大学生科院生物工程系31长江大学生科院生物工程系 对照 豆油 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
11、不同。对照组PO2下降的最低点28%，而添加豆油的试验组为36.5%，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，尤其是在 细胞耗氧旺盛的时期是极为有利的。Date32长江大学生科院生物工程系 正十二烷 豆油 对照33长江大学生科院生物工程系氧载体的添加，能促进法夫酵母虾青素的合成。与对 照组相比，添加3%豆油和1%正十二烷的试验组虾青素产 率分别由对照组的2.78mg/L增加至3.69mg/L和3.76mg/L， 提高32.73%和35.26% 。还可看出，虾青素合成的差异主要集中在第24小时至 第72小时之间。不添加氧载体的对照组，虾青素合成集中 在前48小时，72小
12、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96小时，尤其是在第48小时后仍有较大的合成速率。返回Date34长江大学生科院生物工程系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、发酵过程中溶解氧的控制Date35长江大学生科院生物工程系一般认为，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
13、好。 例： 生产肌苷酸： 通气量不变 17.15 mg/ml 24小时增加 22.55 mg/ml 30小时增加 18.25 mg/ml 36小时增加 12.34 mg/mlDate36长江大学生科院生物工程系例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影 响杜文双，中国抗生素杂志，20022018/8/1037杜文双，中国抗生素杂志，2002例：搅拌与通气量对青霉素发酵的影 响2018/8/1038溶氧控制在发酵过程控制中的应用国内外都有将溶氧、pH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
14、氧率不至于超过 设备的供氧能力KLa，如下图。Date39长江大学生科院生物工程系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 溶氧在加糖控制中的应用KLa因子推 动溶氧上升总摄氧率驱 动溶氧下降加糖阀+5%补糖阀开大5%补糖阀关小氧浓度100%饱和2018/8/1040氧控 制点补糖 速率图 溶氧和pH综合控制系统pH读数KLa控制系统：1、搅拌转速 2、通气速率 3、罐压氧浓度100%饱和减增增减6.65.8这种控制系统是按溶氧、 KLa因子和菌的需氧之间的变化来决 定补糖速率的增减。而KLa是按pH的趋势来调节的。读数要降低pH就 需加更多的糖， 这样又会使溶氧 下降到低于控制 点。要维持原来 的氧控制点又要 加强通气搅拌或 增加罐压。要升高pH恰 好相反。Date41长江大学生科院生物工程系思 考 题 或 作 业1、 比耗氧速度 、呼吸强度、临界溶氧浓度、 氧饱和度的概念？ 2、影响微生物需氧的因素有哪些？ 3、发酵液中的体积氧传递方程？4、如何调节摇瓶发酵的供氧水平？ 5、如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平？ 6、如何测定发酵液中的溶氧浓度，以及发酵 罐的Kla?Date42长江大学生科院生物工程系
