《张嗣同_发酵工程第六章_氧的供需及对发酵的影响(5.5)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《张嗣同_发酵工程第六章_氧的供需及对发酵的影响(5.5)（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 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控制因 素。 在28氧在发酵液中的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。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）：单位时间内单位体积 重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌-1h-1 摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量 。mmol O2L
2、-1h-1 。r= QO2 .X二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8%产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%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。例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，0.25/0.052=4.8秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件
3、，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%三、影响需氧的因素r= QO2 .Xq 菌体浓度q QO2 遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件第二节 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/hC*P/H, 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)Nv：体积传氧速率 kmol/m3.hKla: 以(
4、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：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面三、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第六章 氧的供需及对发酵的影响调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一 般来讲大罐比小罐要好。45升 1吨 10吨 搅拌速度 250 rpm 120 120 供氧速率 7.6 10.7 20.1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 瓶与发酵罐。一、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的
5、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装液量，一般取1/10左右：250ml 15-25 ml500ml 30 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酶活力 713 734 253 92二、影响发酵罐中Kla的因素已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：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d n p0/v c 产量 450 180 1.62 20% 4978450 280 2.12 40% 5564550 18
6、0 2.61 60% 8455例 黑曲霉生产糖化酶n 230 230 270通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8产量 1812 2416 2846提高d、n显著提高C,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 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高下降所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的3、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点q 小型发酵罐，转速可调q 大
7、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、影响Kla的其它因素空气分布器液体的粘度第四节 CL、r和Kla的测定一、CL的测定1、化学法2、溶氧电极q 极谱型(阴极)：O2+2H+2eH2O2q 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。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 30A(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
8、器接到电位差记录议上便可直接使 用。 q 膜：耐温、透气、不通水q 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r Kla=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CL25%、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q 不同的
9、测定方法得出的kla是不一样的第四节 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， 在对数生长的末期二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反应:X S P+ X=a+b菌体生长期：酶系统 酶系统 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 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
10、 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 17.15 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/ml例：某厂青霉素发酵的工艺研究*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、间接控制的措施本章小节：了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控溶氧浓度的意义
