发酵工程第7章溶解氧对发酵的影响及其控制.ppt

第八章 发酵过程控制,本章内容,一、概述 二、温度对发酵的影响及其控制 三、 pH对发酵的影响及其控制 四、溶解氧对发酵的影响及其控制 五、 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 六、基质浓度对发酵的影响及补料控制 七、泡沫对发酵的影响及其控制 八、自动控制技术在发酵过程控制中的应用,（四）溶解氧对发酵的影响及其控制,1. 引起溶解氧变化的因素 2. 溶解氧对发酵的影响 3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 4. 发酵液中溶解氧的控制 5. 溶解氧控制实例,氧是一种难溶于水的气体。在25，1105Pa条件下，氧在纯水中的溶解度为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的溶解度更低（0.25mmol/L）。在28氧在发酵液中的100%的空气饱和浓度只有7mg/L左右，比糖的溶解度小7000倍。 在对数生长期，即使发酵液被空气饱和，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗尽。 在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。,1. 氧在微生物发酵中的作用 （好气性微生物）,呼吸作用 直接参与一些生物合成反应,只有溶解状态的氧才能被微生物利用,2.微生物需氧量的表示方式,呼吸强度QO2（比耗氧速率） ：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。 摄氧率（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。,QO2和的关系,概念：临界溶氧浓度 Ccr,微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度CL有一个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界溶氧浓度，以Ccr表示。 CL Ccr，QO2 保持恒定 CL Ccr， QO2 大大下降,对于微生物： CCr: 115%饱和浓度,例：细菌和酵母, 3%10% 放线菌， 5%30% 霉菌， 10%15%,定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度/饱和溶氧溶度,发酵行业用空气饱和度（%）来表示DO含量的单位,3. 培养过程中细胞耗氧的一般规律,培养初期： QO2逐渐增高，x较小 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时x较低, 并不高 在对数生长后期：达到m, 此时 QO2 (QO2 )m， xxm 对数生长期末：S, OTR, QO2 而(QO2 , x , OTR), 虽然x=xm,但 QO2、 OTR 占主导地位，所以 培养后期：S0，QO2 , ,影响微生物耗氧的因素,微生物本身遗传特征的影响 培养基的成分和浓度 碳源种类 耗氧速率：油脂或烃类葡萄糖 蔗糖 乳糖 培养基浓度 浓度大, QO2 ; 浓度小, QO2 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小,发酵条件的影响 pH值 通过酶活来影响耗氧特征; 温度 通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：T , DO 代谢类型(发酵类型)的影响 若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小,4. 溶解氧控制的意义,溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解生长期和生产期的最适需氧量 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素 目前,在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率,就能大大降低空气消耗量,从而降低设备费和动力消耗,且减少泡沫形成和染菌的机会, 大大提高设备利用率,25，1106Pa下，空气中氧在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3 好氧发酵中，若菌体浓度1015个/m3，呼吸强度QO2=2.610-3mol/(kgS),则每立方米发酵液中菌体的需氧量约187mol/（m3h） 即：1m3发酵液中每小时需要的氧是溶解量的750倍,7.2 氧传递方程,在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为 在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数,7.3 发酵过程耗氧与供氧的动态关系,细胞的呼吸作用 氧传递特征（发酵罐传递性能） 若需氧量供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力； 若需氧量供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少必须平衡，此时可用下式表示：,对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得： kLa亦可称为“通气效率”, 可用来衡量发酵罐的通 气状况，高值表示通气条件富裕，低值表示通气条 件贫乏。,在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示: 在稳态时,2. kLa的影响因素,7.4 影响氧传递的因素,1. 影响推动力C*-CL的因素,可知，影响氧传递速率的因素（即影响供氧的因素）有：,影响比表面积a的因素 影响液膜传递系数kL的因素,1.影响推动力的因素 1) 温度,氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01105Pa和温度在433的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算: t温度, T ，Cw* ，推动力,2) 溶质,电解质 1)对于单一电解质 Ce*氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3 Cw*氧在纯水中的溶解度, mol/m3 CE电解质溶液的浓度,kmol/m3 KSechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.,影响推动力C*-CL的因素,2) 溶质,2）对于几种电解质的混合溶液： 式中 hi第i种离子的常数, m3/kmol 离子强度, kmol/m3 Zi第i种离子的价数, 第i种离子的浓度, kmol/m3,影响推动力C*-CL的因素,2) 溶质,B. 非电解质 式中 Cn*氧在非电解质溶液中的溶解度, mol/m3 CN非电解质或有机物浓度, kg/m3 k非电解质的Sechenov常数, m3/kg,影响推动力C*-CL的因素,2) 溶质,C. 混合溶液(电解质+非电解质):叠加 Cm*氧在混合溶液中的溶解度, mol/m3,溶质 ， Cm*,影响推动力C*-CL的因素,3) 溶剂,通常溶剂为水; 氧在一些有机化合物中溶解度比水中为高。,影响推动力C*-CL的因素,4) 氧分压,提高空气总压（增加罐压），从而提高了氧分压，对应的溶解度也提高，但增加罐压是有一定限度的。 保持空气总压不变，提高氧分压，即改变空气中氧的组分浓度，如：进行富氧通气等。,影响推动力C*-CL的因素,2.影响KLa的因素,发酵罐的形状，结构（几何参数） 搅拌器，空气分布器（几何参数） 通气：表观线速度Ws 搅拌：转速N，搅拌功率PG 发酵液体积V，液柱高度HL 如影响发酵液性质的表面活性剂、离子 强度、菌体量,设备参数, 操作条件,发酵液的性质：,综合三类影响因素，有 其中 d搅拌器直径，m ; 搅拌器转速，s-1 ; 液体密度，kg/m3; 液体粘度，Pas ; DL扩散系数, m2/s ; 界面张力，N/m; Ws 表观线速度，m/s ; g重力加速度, 9.81m/s2,以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例： 合并化简得：,0.06,KLa=0.06,A. 设备规模的影响,单位体积的液体的搅拌功率的指数随培养装置的规模而相应变化 如: 小试 9L=0.95 中试 500L=0.67 生产规模 27T54T=0.50,可见, 在放大过程中, KLa在相同条件下会减小.,设备参数,kLa的影响因素,B. 设备形状结构的影响,如20T的伍式发酵罐: =0.72, =0.11,设备参数,kLa的影响因素,C. 搅拌器形式的影响: 、数值不同,对于值:弯叶平叶箭叶 对于值:弯叶箭叶平叶 但是破碎细胞能力: 平叶箭叶弯叶 翻动流体能力: 箭叶弯叶平叶 此外，搅拌器的直径大小、组数、搅拌器间距以及在罐内 的相对位置等对KLa都有影响.,设备参数,kLa的影响因素,平叶,箭叶,弯叶,设备参数,kLa的影响因素,A. 搅拌对KLa的影响,转速NPG KLa 搅拌作用(影响KLa原理) aKLa溶氧 搅拌产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间，溶氧 搅拌造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力，KLa溶氧 搅拌有利于固液传递中接触面积的增加，使推动力均一；同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。,操作条件,kLa的影响因素,搅拌对KLa的影响,N并不是越大越好 剪切力， 对细胞损伤，对形态破坏 PG,发酵期间搅拌热,增加传热负荷,N,操作条件,kLa的影响因素,B. 通气对KLa的影响,在通气量Q较低时, QWs KLa,操作条件,kLa的影响因素,C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响,从公式上看, PG, Ws, KLa, 但Ws的增加是有上限的, 当Ws (Ws)m, 会导致PG严重下降. Ws (Ws)m， PG ，KLa ,操作条件,kLa的影响因素,当通气量超过一定上限时, 搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去, 而在大量气泡中空转, 发生“过载”现象, 此时搅拌功率PG会大大下降, KLa也会大大下降。 只有Q，N同时提高，PG才不会大大 下降，KLa。,C. 通气、搅拌的关联对KLa的影响,操作条件,kLa的影响因素,表观空气速度与KLa的关系,操作条件,kLa的影响因素,A. 表面活性剂的影响,气液界面厚度, 1/kL, kL 气泡变小, a 低浓度表面活性剂时,以a为主, KLa 添加至一定量时, kL降至最低, KLa下降显著 再继续增加时，kL维持最低水平不再下降，而a，此时KLa从最低点有所回升,表面活性剂的浓度,KLa受两种趋势影响,发酵液的性质,kLa的影响因素,表面活性剂月桂基磺酸钠（NaLSO4）浓度对KLa、KL和da的影响,发酵液的性质,kLa的影响因素,B. 离子强度对KLa的影响,电解质溶液浓度,则气泡变小,a, KLa; 有机溶质浓度,则气泡变小,a, KLa 电解质溶液浓度，传氧特性好(KLa),溶氧特性C*E 差.具体的，离子强度I影响KLa公式中的,k值. I=00.4时, =0.40+0.862I/(0.274+I), 且I,常数k. I0.4时, =0.9, k值不再变化. 也随I增大而增大，但I对的影响较小，在0.35 0.39之间变化，不如变化大.,发酵液的性质,kLa的影响因素,C. 菌体浓度,细胞浓度 x，KLa(),菌丝浓度对KLa的影响,发酵液的性质,kLa的影响因素,小结 引起溶解氧变化的因素 （1）影响溶解氧（DO）的因素,供氧 耗氧,两大类,以关系式表示： 影响供氧的因素： 影响耗氧的因素：,C*- CL,温度、溶质、溶剂、氧分压,KLa,设备参数、操作参数、发酵液特性,菌种特性、培养基成分和浓度、菌龄、培养条件（T、pH）、代谢类型,2. 溶解氧对发酵的影响 （1）溶解氧对生长的影响,临界氧浓度（CCr）： 当 时, 当 时, 对生长应满足 , 但并不是越高越好,呼吸抑制,呼吸不受抑制,指不影响菌体呼吸所允许的最低 氧浓度。,（2）溶解氧对产物合成的影响,溶氧浓度对产物合成有一个最适范围，CL过高或过低，对合成都不利。 e.g.卷须霉素：1270h之间，维持CL 在10%比在0或45%的产量要高。,生长阶段要求CL CCr，生产阶段满足CLCm。,实际上，呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同。 产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。,（3）呼吸临界氧浓度与产物合成临界氧浓度,3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 （1）发酵异常指标,发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。 对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌到零附近，跌零后长时间不回升。 对于厌气性杂菌，溶解氧升高。 污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。 操作故障或事故分析,谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线 正常发酵溶解氧曲线 -异常发酵溶解氧曲线 异常发酵光密度曲线,（2）补料控制指标,中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。 发酵过程中出现“发酸”现象，氨基氮迅速上升，DO很快下降。,（3）代谢方向控制指标,测量溶解氧可以确定CCr、Cm值 通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机 e.g.天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度 在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代谢方向的最好的指标之一 。,（4）设备性能、工艺合理性指标,评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 设备反映供氧性能： 搅拌桨形式 叶片形式 搅拌器直径d 搅拌档数m和搅拌器间距s 档板宽度w和档板数z 通气：空气分布器的类型和位置 n，P/V 设备操作参数 罐压 WS或VVM,（4）设备性能、工艺合理性指标,工艺条件反映耗氧和供氧特征 菌种性能 RQ 培养基性能 温度 表面活性剂,改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、 添加表面活性剂等等,工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价： P/V的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利福霉素发酵：5080h波谷阶段，P/V，KLa，供氧；3W/L比1 W/L批号的发酵单位增加约900u/ml 搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响 e.g.赤霉素发酵：15 50h期间，n从155 提高至180r/min， 赤霉素单位,4. 发酵液中溶解氧的控制 （1）溶解氧控制的一般原则,生长阶段： 即可 产物合成阶段： 即可 过高的溶氧水平反而对菌