发酵工程-第7章-溶解氧对发酵的影响及其控制.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009,年,6,月,9,日,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009,年,6,月,9,日,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009,年,6,月,9,日,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009,年,6,月,9,日,*,第八章 发酵过程控制,1,2009,年,6,月,9,日,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、,CO,2,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,2,2009,年,6,月,9,日,（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,3,2009,年,6,月,9,日,氧是一种,难溶于水,的气体。在,25,，,110,5,Pa,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,。,4,2009,年,6,月,9,日,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,5,2009,年,6,月,9,日,2.,微生物需氧量的表示方式,呼吸强度,Q,O2,（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。,Q,O2,和,的关系,6,2009,年,6,月,9,日,概念：临界溶氧浓度,C,cr,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,C,L,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,C,cr,表示。,C,L,C,cr,，,Q,O2,保持恒定,C,L,C,cr,，,Q,O2,大大下降,7,2009,年,6,月,9,日,对于微生物：,C,Cr,:,1,15%,饱和浓度,例：,细菌和酵母,3%10%,放线菌，,5%30%,霉菌，,1015%,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,8,2009,年,6,月,9,日,3.,培养过程中细胞耗氧的一般规律,培养初期：,Q,O2,逐渐增高，,x,较小,在对数生长初期：达到,(Q,O2,),m,，但此时,x,较低,并不高,在对数生长后期：达到,m,此时,Q,O2,(Q,O2,),m,，,x,葡萄糖,蔗糖,乳糖,培养基浓度,浓度大,Q,O2,;,浓度小,Q,O2,菌龄的影响,:,一般幼龄菌,Q,O2,大,晚龄菌,Q,O2,小,10,2009,年,6,月,9,日,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,Q,O2,高,耗氧量大,若产物通过,EMP,途径获取,则,Q,O2,低,耗氧量小,11,2009,年,6,月,9,日,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,12,2009,年,6,月,9,日,25,，,1,10,6Pa,下，空气中氧在纯水中的溶解度仅,0.25mol/m,3,好氧发酵中，若菌体浓度,10,15,个,/m3,，呼吸强度,Q,O2,=2.6,10,-3,mol/(kg,S),则每立方米发酵液中菌体的需氧量约,187mol/,（,m,3,h,）,即：,1m,3,发酵液中每小时需要的氧是溶解量的,750,倍,13,2009,年,6,月,9,日,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,K,L,a,作为一项处理，称为,体积溶氧系数,或,体积传质系数,14,2009,年,6,月,9,日,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：,传递,消耗,15,2009,年,6,月,9,日,对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得：,k,L,a,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。,16,2009,年,6,月,9,日,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,17,2009,年,6,月,9,日,2.k,L,a,的影响因素,7.4,影响氧传递的因素,1.,影响推动力,C,*,-C,L,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,k,L,的因素,18,2009,年,6,月,9,日,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,1.0110,5,Pa,和温度在,4,33,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,，,C,w,*,，推动力,19,2009,年,6,月,9,日,2),溶质,电解质,1),对于单一电解质,C,e,*,氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m,3,C,w,*,氧在纯水中的溶解度,mol/m,3,C,E,电解质溶液的浓度,kmol/m,3,K,Sechenov,常数,随气体种类,电解质种类和温度变化,.,影响推动力,C*-C,L,的因素,20,2009,年,6,月,9,日,2),溶质,2,）,对于几种电解质的混合溶液：,式中,h,i,第,i,种离子的常数,m,3,/kmol,离子强度,kmol/m,3,Z,i,第,i,种离子的价数,第,i,种离子的浓度,kmol/m,3,影响推动力,C*-C,L,的因素,21,2009,年,6,月,9,日,2),溶质,B.,非电解质,式中,C,n,*,氧在非电解质溶液中的溶解度,mol/m,3,C,N,非电解质或有机物浓度kg/m,3,k,非电解质的,Sechenov,常数,m,3,/kg,影响推动力,C*-C,L,的因素,22,2009,年,6,月,9,日,2),溶质,C.,混合溶液,(,电解质,+,非电解质,),:,叠加,C,m,*,氧在混合溶液中的溶解度,mol/m,3,溶质,，,C,m,*,影响推动力,C*-C,L,的因素,23,2009,年,6,月,9,日,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*-C,L,的因素,24,2009,年,6,月,9,日,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*-C,L,的因素,25,2009,年,6,月,9,日,2.,影响,K,L,a,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,P,G,发酵液体积,V,，,液柱高度,H,L,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：,26,2009,年,6,月,9,日,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/m,3,;,液体粘度，,Pas;,D,L,扩散系数,m,2,/s;,界面张力,，,N/m;,W,s,表观线速度，,m/s;g,重力加速度,9.81m/s,2,27,2009,年,6,月,9,日,以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例,：,合并化简得：,0.06,K,L,a,=0.06,28,2009,年,6,月,9,日,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,27T,54T=0.50,可见,在放大过程中,K,L,a,在相同条件下会减小,.,设备参数,k,L,a,的影响因素,29,2009,年,6,月,9,日,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,k,L,a,的影响因素,30,2009,年,6,月,9,日,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,K,L,a,都有影响,.,设备参数,k,L,a,的影响因素,31,2009,年,6,月,9,日,平叶,箭叶,弯叶,设备参数,k,L,a,的影响因素,32,2009,年,6,月,9,日,A.,搅拌对,K,L,a,的影响转速,NP,G,K,L,a,搅拌作用,(,影响,K,L,a,原理,),aK,L,a,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，,K,L,a,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,k,L,a,的影响因素,33,2009,年,6,月,9,日,搅拌对,K,L,a,的影响,N,并不是越大越好,剪切力,，,对细胞损伤,，,对形态破坏,P,G,发酵期间搅拌热,增加传热负荷,N,操作条件,k,L,a,的影响因素,34,2009,年,6,月,9,日,B.,通气对,K,L,a,的影响,在通气量,Q,较低时,QW,s,K,L,a,操作条件,k,L,a,的影响因素,35,2009,年,6,月,9,日,C.,通气,、,搅拌的关联对,K,L,a,的影响,从公式上看,P,G,W,s,K,L,a,但,W,s,的增加是有上限的,当,W,s,(W,s,),m,会导致,P,G,严重下降,.,W,s,(W,s,),m,，,P,G,，,K,L,a,操作条件,k,L,a,的影响因素,36,2009,年,6,月,9,日,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,P,G,会大大下降,K,L,a,也会大大下降。,只有,Q,，,N,同时提高，,P,G,才不会大大,下降，,K,L,a,。,C.,通气,、,搅拌的关联对,K,L,a,的影响,操作条件,k,L,a,的影响因素,37,2009,年,6,月,9,日,表观空气速度与,K,L,a,的关系,操作条件,k,L,a,的影响因素,38,2009,年,6,月,9,日,A.,表面活性剂的影响,气液界面厚度,1/k,L,k,L,气泡变小,a,低浓度表面活性剂时,以,a,为主,K,L,a,添加至一定量时,k,L,降至最低,K,L,a,下降显著,再继续增加时,，,k,L,维持最低水平不再下降,，,而,a,，,此时,K,L,a,从最低点有所回升,表面活性剂的浓度,K,L,a,受两种趋势影响,发酵液的性质,k,L,a,的影响因素,39,2009,年,6,月,9,日,表面活性剂月桂基磺酸钠（,NaLSO,4,）浓度对,K,L,a,、,K,L,和,d,a,的影响,发酵液的性质,k,L,a,的影响因素,40,2009,年,6,月,9,日,B.,离子强度对,K,L,a,的影响,电解质溶液浓度,则气泡变小,a,K,L,a;,有机溶质浓度,则气泡变小,a,K,L,a,电解质溶液浓度，传氧特性好,(,K,L,a,),溶氧特性,C,*,E,差,.,具体的，离子强度,I,影响,K,L,a,公式中的,k,值,.,I=0,0.4,时,=0.40+0.862I/(0274+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,k,L,a,的影响因素,41,2009,年,6,月,9,日,C.,菌体浓度,细胞浓度,x,，,K,L,a,(,),菌丝浓度对,K,L,a,的影响,发酵液的性质,k,L,a,的影响因素,42,2009,年,6,月,9,日,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,*,-C,L,温度、溶质、溶剂、氧分压,K,La,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,43,2009,年,6,月,9,日,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,（,C,Cr,）：,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。,44,2009,年,6,月,9,日,（,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,，,C,L,过高或过低，对合成都不利,。,e.g.,卷须霉素,：,1270h,之间，维持,C,L,在,10%,比在,0,或,45%,的产量要高,。,45,2009,年,6,月,9,日,Q,O2,(Q,O2,),m,C,cr,C,L,P,C,m,C,L,生长阶段要求,C,L,C,Cr,，生产阶段满足,C,L,C,m,。,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,46,2009,年,6,月,9,日,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,47,2009,年,6,月,9,日,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,48,2009,年,6,月,9,日,（,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。,49,2009,年,6,月,9,日,（,3,）代谢方向控制指标,测量溶解氧可以确定,C,Cr,、,C,m,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,。,50,2009,年,6,月,9,日,（,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,W,S,或,VVM,搅拌,设备几何参数,51,2009,年,6,月,9,日,（,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,52,2009,年,6,月,9,日,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,对现有发酵工厂进行技术改造,浅层次,修改设备和工艺,规模和控制水平上档次,引入新型发酵类型,深层次,53,2009,年,6,月,9,日,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,，,K,La,，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,54,2009,年,6,月,9,日,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体代谢有不可逆的抑制作用,55,2009,年,6,月,9,日,Q,O2,(Q,O2,),m,C,cr,C,L,P,C,m,C,L,生长阶段 生产阶段,56,2009,年,6,月,9,日,（,2,）,溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一,控,制原理,发酵过程中，糖量,x,Q,O2,C,L,糖量,Q,O2,C,L,补糖使,C,L,下降，而,C,L,回升的快慢取决于供氧效率,。,对于一个具体的发酵存在一个最适氧浓度,（,C,m,）,水平，补糖速率应与其相适应。,，加大补糖速率,，,减小补糖速率,实现用溶解氧水平控制补料速率,57,2009,年,6,月,9,日,补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓,“,半饥饿状态,”,，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的,K,L,a,水平所能提供的最大供氧速率。,控制原则,（,2,）,溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一,58,2009,年,6,月,9,日,溶解氧控制实例,溶解氧对被孢霉合成,花生四烯酸,(AA),的影响,溶氧量对,AA,产量的影响,注：摇床转速,150r/min,25,K,La,越大，,培养基中溶解氧越多,AA,合成速度越快,59,2009,年,6,月,9,日,溶解氧控制对鸟苷产量的影响,不同的,DO,控制条件下鸟苷积累的比较,DO,(,),：,5,，,l0,，,20,，,30,发酵过程,DO,变化与鸟苷 积累的关系,DO,控制在,1020,，,产物积累，鸟苷含量最高。,DO,在,5,和,30,，,前期产物积累，但后期基本不增加,.,DO,水平的超高阶段,(,发酵周期,28h,44h),，鸟苷积累量基本不增加；调整,DO,在适当水平上，鸟苷积累量继续上升。,60,2009,年,6,月,9,日,溶氧异常,溶氧异常下降的原因,污染了好气性杂菌,设备或工艺控制出现问题,菌体代谢异常,溶氧异常升高的原因,噬菌体污染,菌体代谢异常,61,2009,年,6,月,9,日,