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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,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,2,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),2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,3,溶解氧Dissolve Oxy
2、gen (DO),需氧微生物生长所必需。 纯氧在水、盐或酸中的溶解1.26mmol/L 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。 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。 生物氧化氧吸收率1%,浪费、产泡沫、染菌。 在发酵过程中有效而经济地供氧极为重要。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,4,内 容 速 览,一、描述 微生物需氧 的物理量,二、影响需 氧的因素,三、溶氧浓 度对菌体生 长和产物形 成的影响,四、发酵过 程中溶解 氧的变化,五、反应器 中氧的传递
3、,六、发酵过 程中溶解 氧的控制,溶氧控制,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,5,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速率或呼吸强度（QO2 ）：单位重量的细胞(干重)在单位时间内所消耗的氧气，mmolO2/(g菌h),摄氧率(r)：单位体积的发酵液在单位时间内所需要的氧量。mmolO2L-1h-1 。,r= QO2 .X,X细胞浓度（g/L),2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,6,二、影响需氧的因素,菌体浓度X：直接影响培养液的摄氧率。,QO2：呼吸强度又受到很多因素影响,r= QO2 .X,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,7,二、影响需氧的因素,呼吸强度
4、QO2的影响因素（五点）,遗传因素 菌龄 代谢类型 培养基的成分与浓度 发酵条件,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,8,二、影响需氧的因素,呼吸强度QO2的影响因素（五点）,遗传因素：不同的微生物呼吸强度是不同的。一般为 25100mmolO2/(Lh)。 菌龄：一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长慢，呼吸强度小。 代谢类型：若产物是通过三羧酸循环(TCA)获取，则呼吸强度高，如Glu、天冬氨酸的生产；若糖酵解途径(EMP)，则呼吸强度低，如苯丙氨酸、亮氨酸的生产。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,9,培养基的成分与浓度,培养基成分尤其是碳源对细胞的耗氧量有很大
5、影响。 培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。营养丰富，菌体生长快，耗氧量大. 此外，若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也回受到限制。不同碳源对青霉素摄氧率的影响 内源呼吸？ 外源呼吸？,如果外界没有供给能源，而是利用自身内部储存的能源物质进行呼吸,在正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,10,发酵条件,温度、pH通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗氧 温度还影响发酵液中的溶氧浓度 有些有害物质的积累，如NH3、CO2会抑制微生物的呼吸,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,11,三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr,C
6、Cr：呼吸临界氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如果对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。,当溶解氧浓度高于临界值时，微生物的呼吸强度保持恒定，与培养液中的氧浓度无关；当低于这个临界值时，微生物的呼吸强度受到溶解氧浓度的影响，这时细胞的代谢活动会因溶解氧浓度的限制受到影响。p107,Critical contentration,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,12,注意：有时产物合成临界氧浓度和菌体生长所需的呼吸临界氧浓度会不一 样：,头孢菌素 卷须霉素 生长 CCr 为5% (相对于饱和浓度） CCr 为13% 产物 13% 8% （即低于13%时产物的形成
7、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%,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,13,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。,2019/4/20,长江大学生
8、科院生物工程系,14,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，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。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,15,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
9、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。,16,2019/4/20,17,四、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。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,18,在谷氨酸发酵前期，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
10、条件和设备供氧能力不同而异。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,19,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。 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。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,20,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，
11、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。,引起溶氧异常升高的原因,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,21,五、反应器中氧的传递,（一）发酵液中氧的传递方程,C,Ci,P,Pi,气膜,液膜,N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm kL: 液膜传质系数 m/h,20
12、19/4/20,长江大学生科院生物工程系,22,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-1,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,23,（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是最常用的方法， kLa反映了设备的供氧能力。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,24,1、影响摇瓶kLa的因素,为装液量和摇瓶机的种类,2019/4/20,长江
13、大学生科院生物工程系,25,装液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30-50 ml 750ml 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 92,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,26,2、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
14、）氧载体,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,27,例 某一产品的发酵 d N PG/V C 产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 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（溶氧浓度），提高了产量,提高N，比提高Q有效,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,28,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
15、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。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,29,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,31,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,32, 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。,长江大学生科院生物工程系,33,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,34,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。,2019/4/20,长江大学生科院生物工程系,35,溶氧控制的一般策略：,前期大于临界呼吸溶氧浓度有利于
