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1、发酵过程控制第1页，共28页，编辑于2022年，星期六l微生物对氧的需求微生物对氧的需求l发酵液中氧的传递发酵液中氧的传递l影响影响KlaKla的因素（供氧的调节）的因素（供氧的调节）l发酵过程中溶氧的控制发酵过程中溶氧的控制第2页，共28页，编辑于2022年，星期六一、微生物对氧的需求1、描述微生物需氧的物理量、描述微生物需氧的物理量 微生物的吸氧量常用微生物的吸氧量常用呼吸强度呼吸强度和和耗氧速率耗氧速率两两种方法来表示。种方法来表示。呼吸强度：呼吸强度：单位重量干菌体在单位时间内所吸取的单位重量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以氧量，以 Qo2表示，单位表示，单位 mmolO2 /（g干
2、菌体干菌体h），亦称氧的比消耗速率，亦称氧的比消耗速率。第3页，共28页，编辑于2022年，星期六耗氧速率：耗氧速率：单位体积培养液在单位时间内的吸氧单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以量，以r 表示，单位为表示，单位为 mmolO2/（Lh）。r微生物耗氧速率微生物耗氧速率 mmolO2/（Lh）QO2菌体呼吸强度菌体呼吸强度 mmolO2/（g干菌体干菌体h）X发酵液中菌体浓度，（发酵液中菌体浓度，（g/L）当培养液中存在固体成分时，呼吸强度的测定有困难，这时微生当培养液中存在固体成分时，呼吸强度的测定有困难，这时微生物相对需氧量可用耗氧速率来表示。物相对需氧量可用耗氧速率来表示。第4页
3、，共28页，编辑于2022年，星期六2、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响C临界临界QO2CL临界氧浓度临界氧浓度(C临界临界):各种微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求。各种微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求。第5页，共28页，编辑于2022年，星期六 某些微生物的临界氧浓度某些微生物的临界氧浓度微生物名称微生物名称温度温度/C临界临界/mmol/L固氮菌固氮菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌粘性赛氏杆菌粘性赛氏杆菌粘性赛氏杆菌粘性赛氏杆菌酵母酵母酵母酵母橄榄型青霉菌橄榄型青霉菌橄榄型青霉菌橄榄型青霉菌3037.815313034.82024301.84
4、.910-28.210-33.1 10-31.5 10-2 9 10-34.610-33.710-32.2 10-2 910-3第6页，共28页，编辑于2022年，星期六不不 同同 种种 类类 的的 微微 生生 物物 的的 需需 氧氧 量量 不不 同同，一一 般般 为为25100 mmolO2/（Lh），同同一一种种微微生生物物的的需需氧氧量量，随随菌菌龄龄和和培培养养条条件件不同而异。菌体生长和形成代谢产物时的耗氧量也往往不同。不同而异。菌体生长和形成代谢产物时的耗氧量也往往不同。微生物菌体在不同时期不同阶段的耗氧速度微生物菌体在不同时期不同阶段的耗氧速度 mmolO2/（Lh）生长生长产产
5、-淀粉酶淀粉酶种子培养种子培养7h发酵发酵13h黑曲霉黑曲霉5055201350谷氨酸生谷氨酸生产菌产菌第7页，共28页，编辑于2022年，星期六 在深层培养中进行通气供氧时，氧气在深层培养中进行通气供氧时，氧气从气泡传递至细胞内，需要克服一系列阻力从气泡传递至细胞内，需要克服一系列阻力，首先氧必须从气相溶解于培养基中，然后，首先氧必须从气相溶解于培养基中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。二、反应器中氧的传递二、反应器中氧的传递第8页，共28页，编辑于2022年，星期六第9页，共28页，编辑于2022年，星期六1.从气相主体到汽液界面从气相主体到汽液
6、界面的气膜传递阻力；的气膜传递阻力；2.气液界面的传递阻力；气液界面的传递阻力；3.从气液界面传递到液膜从气液界面传递到液膜的传递阻力；的传递阻力；4.液相主体的传递阻力；液相主体的传递阻力；5.细胞或细胞团表面液膜细胞或细胞团表面液膜的传递阻力；的传递阻力；6.固液界面的传递阻力；固液界面的传递阻力；7.细胞团内的传递阻力；细胞团内的传递阻力；8.细胞膜的阻力；细胞膜的阻力；9.反应阻力。反应阻力。需氧方面的阻力需氧方面的阻力供氧方面的阻力供氧方面的阻力第10页，共28页，编辑于2022年，星期六 由由于于氧氧是是难难溶溶于于水水的的气气体体，所所以以在在供供氧氧方方面面液液膜膜阻阻力力是是
7、氧氧溶溶于于水水时时的的限限制制因因素素，若若使使气气泡泡和和液液体体充充分分混混合合而而产产生生湍湍动动可可以以减减少少这这方方面面的的阻阻力力。在在耗耗氧氧方方面面，根根据据实实验验表表明明，液液体体主主流流和和细细胞胞壁壁上上氧氧的的浓浓度度差差很很小小，说说明明氧氧通通过过细细胞胞周周围围液液膜膜的的阻阻力力是是很很小小的的。所所以以主主要要阻阻力力来自于菌丝丛内与细胞膜阻力，但搅拌可减少这方面的阻力。来自于菌丝丛内与细胞膜阻力，但搅拌可减少这方面的阻力。第11页，共28页，编辑于2022年，星期六氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力。氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力。
8、传递过传递过程的总推动力程的总推动力就是就是气相与细胞内的氧分压之差或浓度差。气相与细胞内的氧分压之差或浓度差。在单位体积培养液中，氧的传递速率为：在单位体积培养液中，氧的传递速率为：OTR单位体积培养液的溶氧速率单位体积培养液的溶氧速率（mmol/m3h）比表面积比表面积（单位体积溶液中所含有的气液接触面积单位体积溶液中所含有的气液接触面积 m2/m3）KL液膜传递系数液膜传递系数 (m/s)KL以浓度差为推动力的液相体积溶氧系数以浓度差为推动力的液相体积溶氧系数 (h-1)CL液相主体中的溶氧浓度液相主体中的溶氧浓度（mmol/m3）C*与气相氧分压平衡的液相溶氧饱和浓度与气相氧分压平衡的
9、液相溶氧饱和浓度（mmol/m3）第12页，共28页，编辑于2022年，星期六 要提高供氧能力，主要是设法提高氧传递的要提高供氧能力，主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积溶氧系数推动力和液相体积溶氧系数KL。氧传递的推动力氧传递的推动力C（C=C*-CL）主要主要受氧饱和度受氧饱和度C*的影响，而氧饱和度主要受温度、的影响，而氧饱和度主要受温度、罐压及发酵液性质的影响，而这些参数在优化罐压及发酵液性质的影响，而这些参数在优化了的工艺条件下，已很难改变。因此需提高了的工艺条件下，已很难改变。因此需提高KL值。值。第13页，共28页，编辑于2022年，星期六调节调节KlaKla是最常用的方法，是
10、最常用的方法，klakla反映了设备的供氧能力反映了设备的供氧能力。45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1不同的设备供氧能力不一样不同的设备供氧能力不一样第14页，共28页，编辑于2022年，星期六三、影响三、影响KlaKla的因素的因素 KlaKla反映了设备的供氧能力。反映了设备的供氧能力。发酵常用的设备为：摇瓶发酵常用的设备为：摇瓶 发酵罐发酵罐 第15页，共28页，编辑于2022年，星期六1、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次
11、，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12,转速转速250rpm第16页，共28页，编辑于2022年，星期六装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右：250ml 15-25 ml 500ml 50 ml 750ml 80 ml例：例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92第17页，共28页，编辑于2022年，星期六2、影响发酵罐中、影响发酵罐中Kla的因素的因素第18页，共28页，编辑于2022年，星期六（1 1）搅拌）
12、搅拌 搅拌可提高溶氧速率。搅拌可提高溶氧速率。搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了气搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了气-液接触面积和接触时间液接触面积和接触时间 搅拌使液体作涡流运动，延长了气泡的运动路线，搅拌使液体作涡流运动，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间即增加了气液的接触时间搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力。的厚度，减少液膜阻力。搅拌使菌体分散，有利于固液传递中的接触面搅拌使菌体分散，有利于固液传递中的接触面积的增加。但过度强烈的搅拌使产生的剪切作用积的增加。但过度强烈的搅拌使产生的剪切作
13、用过大，对细胞的损伤增加。过大，对细胞的损伤增加。第19页，共28页，编辑于2022年，星期六不同类型的搅拌桨叶平叶箭叶第20页，共28页，编辑于2022年，星期六 对于气对于气-液混合系统液混合系统,以采用以采用圆盘涡轮式搅拌器较好。圆盘涡轮式搅拌器较好。右半边：右半边：不带挡板的搅拌流型，其中不带挡板的搅拌流型，其中部液面下陷，搅拌功率大部分消耗部液面下陷，搅拌功率大部分消耗在形成旋涡上。在形成旋涡上。左半边：左半边：带挡板的搅拌流型，流体从带挡板的搅拌流型，流体从搅拌器径向甩出去后，受挡板阻碍，搅拌器径向甩出去后，受挡板阻碍，形成向上、向下两部分，垂直方向形成向上、向下两部分，垂直方向流
14、动，不发生中央下陷的旋涡，有流动，不发生中央下陷的旋涡，有着更高的溶氧速率。着更高的溶氧速率。第21页，共28页，编辑于2022年，星期六（2 2）空气线速度）空气线速度 机机械械搅搅拌拌过过程程中中通通气气效效率率或或溶溶氧氧系系数数KLa随随空空气气量量增增多多而而增增大大。当当增增加加通通风风量量时时，空空气气线线速速度度(Vs)相相应应增增加加，从从而而增增大大溶溶氧氧；但但是是，只只增增加加风风量量，而而转转速速不不变变时时，功功率率会会降降低低，又又会会使使溶溶氧氧速速率率降降低低。同同时时，空空气气线线速速度度过过大大时时，会会发发生生“过过载载”现现象象，这这时时浆浆叶叶不不能
15、能打打散散空空气气，气气流流形形成成大大气气泡泡在在轴轴的的周周围围逸逸出出，使使搅搅拌拌效效率率和和溶溶氧氧速速率率都都大大大大降降低。低。第22页，共28页，编辑于2022年，星期六 （3 3）氧的分压）氧的分压 提提高高空空气气压压力力（提提高高罐罐压压），可可以以增增加加氧氧的的分分压压，因因此此可可以以增增加加氧氧的的溶溶解解度度。由由于于一一般般微微生生物物在在5个个大大气气压压以以下下的的压压力力下下不不会会受受到到损损害害，因因此此适适当当提提高高罐罐压压有有利利于于通通风风效效果果的的提提高高。但但过过分分提提高高罐罐压压，会会使使设设备备投投资资增增加加（耐耐压压），且且因
16、因提提高高罐罐压压后后，产产生生的的CO2溶溶解解量量也也要要增增加加，会会使使培培养养液液的的pH值值发发生生变变化化，影影响响微微生生物物的的生理代谢。生理代谢。第23页，共28页，编辑于2022年，星期六（4 4）发酵罐体积）发酵罐体积 通通常常大大罐罐氧氧的的利利用用率率高高，小小罐罐氧氧的的利利用用率率差差。发发酵酵罐罐大大小小不不同同，所所需需搅搅拌拌转转数数与与通通风风量量不不同同，大大罐罐的的转转速低，通风量较小速低，通风量较小。不同罐容与所需通风量的关系不同罐容与所需通风量的关系发酵罐容积（发酵罐容积（L）通风量（通风量（%）50500500050000100603021.6
17、第24页，共28页，编辑于2022年，星期六（5 5）发酵液的物理性质）发酵液的物理性质 发酵液的粘度、表面张力、离子浓度等会影响气泡发酵液的粘度、表面张力、离子浓度等会影响气泡的大小、气泡的稳定性和氧的传递效率。此外，发酵液的大小、气泡的稳定性和氧的传递效率。此外，发酵液的粘度的改变还影响液体的湍动性以及界面或液膜阻力，的粘度的改变还影响液体的湍动性以及界面或液膜阻力，从而影响溶氧速率。通常当发酵液浓度增大，粘度增大从而影响溶氧速率。通常当发酵液浓度增大，粘度增大时，时，Kla值降低。值降低。另外由于泡沫大量形成，菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，另外由于泡沫大量形成，菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，
18、影响了氧的传递。因而消除泡沫对溶氧有利。但消泡剂用影响了氧的传递。因而消除泡沫对溶氧有利。但消泡剂用量过多，消泡剂聚集在微生物细胞和气泡液膜表面，增加量过多，消泡剂聚集在微生物细胞和气泡液膜表面，增加传质阻力，大大降低氧的传递速率。传质阻力，大大降低氧的传递速率。第25页，共28页，编辑于2022年，星期六实际上：实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的四、发酵过程中溶氧的控制第26页，共
19、28页，编辑于2022年，星期六前期有利于菌体生长，中后期有利于产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临界溶氧浓度，中后期满足产物的形成。第27页，共28页，编辑于2022年，星期六 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪一般认为，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。艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。第28页，共28页，编辑于2022年，星期六