發(fā)酵過程控制 (2)2

1、發(fā)酵過程控制第1頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二微生物對氧的需求發(fā)酵液中氧的傳遞影響Kla的因素（供氧的調(diào)節(jié)）發(fā)酵過程中溶氧的控制第2頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二一、 微生物對氧的需求1、描述微生物需氧的物理量 微生物的吸氧量常用呼吸強度和耗氧速率兩種方法來表示。呼吸強度：單位重量干菌體在單位時間內(nèi)所吸取的氧量，以 Qo2表示，單位 mmolO2 /（g干菌體h），亦稱氧的比消耗速率。第3頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二耗氧速率：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的吸氧量，以r 表示，單位為 mmolO2 / （Lh）。 r微

2、生物耗氧速率 mmolO2 /（Lh） QO2菌體呼吸強度 mmolO2 / （g干菌體h） X發(fā)酵液中菌體濃度，（g / L）當(dāng)培養(yǎng)液中存在固體成分時，呼吸強度的測定有困難，這時微生物相對需氧量可用耗氧速率來表示。第4頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二2、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響C臨界QO2CL臨界氧濃度(C臨界):各種微生物對發(fā)酵液中溶氧濃度的最低要求。第5頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二 某些微生物的臨界氧濃度微生物名稱溫度/C臨界/ mmol/L固氮菌大腸桿菌大腸桿菌粘性賽氏桿菌粘性賽氏桿菌酵母酵母橄欖型青霉菌橄欖型青霉菌303

3、7.815313034.82024301.84.910-28.210-33.1 10-31.5 10-2 9 10-34.610-33.710-32.2 10-2 910-3第6頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二不同種類的微生物的需氧量不同，一般為25100 mmolO2/（Lh），同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長和形成代謝產(chǎn)物時的耗氧量也往往不同。 微生物菌體在不同時期不同階段的耗氧速度 mmolO2/（Lh）生長產(chǎn)-淀粉酶種子培養(yǎng)7h發(fā)酵13h黑曲霉5055201350谷氨酸生產(chǎn)菌第7頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二 在

4、深層培養(yǎng)中進行通氣供氧時，氧氣從氣泡傳遞至細(xì)胞內(nèi)，需要克服一系列阻力，首先氧必須從氣相溶解于培養(yǎng)基中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上而被利用。 二、反應(yīng)器中氧的傳遞第8頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二第9頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二1.從氣相主體到汽液界面的氣膜傳遞阻力；2. 氣液界面的傳遞阻力；3.從氣液界面?zhèn)鬟f到液膜的傳遞阻力；4.液相主體的傳遞阻力；5.細(xì)胞或細(xì)胞團表面液膜的傳遞阻力；6.固液界面的傳遞阻力；7.細(xì)胞團內(nèi)的傳遞阻力；8.細(xì)胞膜的阻力；9.反應(yīng)阻力。需氧方面的阻力供氧方面的阻力第10頁，共28頁，2022年，5月20日，4

5、點53分，星期二 由于氧是難溶于水的氣體，所以在供氧方面液膜阻力是氧溶于水時的限制因素，若使氣泡和液體充分混合而產(chǎn)生湍動可以減少這方面的阻力。在耗氧方面，根據(jù)實驗表明，液體主流和細(xì)胞壁上氧的濃度差很小，說明氧通過細(xì)胞周圍液膜的阻力是很小的。所以主要阻力來自于菌絲叢內(nèi)與細(xì)胞膜阻力，但攪拌可減少這方面的阻力。第11頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二氧在克服上述阻力進行傳遞的過程中需要推動力。傳遞過程的總推動力就是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓之差或濃度差。在單位體積培養(yǎng)液中，氧的傳遞速率為：OTR單位體積培養(yǎng)液的溶氧速率（mmol/m3h）比表面積（單位體積溶液中所含有的氣液接觸面積

6、m2/m3） KL液膜傳遞系數(shù) (m/s) KL以濃度差為推動力的液相體積溶氧系數(shù) (h-1) CL液相主體中的溶氧濃度（mmol/m3） C* 與氣相氧分壓平衡的液相溶氧飽和濃度（mmol/m3）第12頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二 要提高供氧能力，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動力和液相體積溶氧系數(shù)KL。 氧傳遞的推動力C（C = C*- CL）主要受氧飽和度C*的影響，而氧飽和度主要受溫度、罐壓及發(fā)酵液性質(zhì)的影響，而這些參數(shù)在優(yōu)化了的工藝條件下，已很難改變。因此需提高KL值。第13頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla

7、反映了設(shè)備的供氧能力。 45升 1噸 10噸攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1不同的設(shè)備供氧能力不一樣第14頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二三、影響Kla的因素 Kla反映了設(shè)備的供氧能力。 發(fā)酵常用的設(shè)備為：搖瓶 發(fā)酵罐 第15頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二1、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)速250rpm第16頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二裝液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25

8、ml 500ml 50 ml 750ml 80 ml例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響 裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92第17頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二2、影響發(fā)酵罐中Kla的因素第18頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二（1）攪拌 攪拌可提高溶氧速率。攪拌能把大的空氣氣泡打成微小氣泡，增加了氣-液接觸面積和接觸時間 攪拌使液體作渦流運動，延長了氣泡的運動路線，即增加了氣液的接觸時間攪拌使發(fā)酵液呈湍流運動，從而減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力。 攪拌使菌體分散

9、，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加。但過度強烈的攪拌使產(chǎn)生的剪切作用過大，對細(xì)胞的損傷增加。第19頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二不同類型的攪拌槳葉平葉箭葉第20頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二 對于氣-液混合系統(tǒng),以采用圓盤渦輪式攪拌器較好。右半邊：不帶擋板的攪拌流型，其中部液面下陷，攪拌功率大部分消耗在形成旋渦上。左半邊：帶擋板的攪拌流型，流體從攪拌器徑向甩出去后，受擋板阻礙，形成向上、向下兩部分，垂直方向流動，不發(fā)生中央下陷的旋渦，有著更高的溶氧速率。 第21頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二（2）空氣線速度 機械攪拌

10、過程中通氣效率或溶氧系數(shù)KLa隨空氣量增多而增大。當(dāng)增加通風(fēng)量時，空氣線速度(Vs)相應(yīng)增加，從而增大溶氧；但是，只增加風(fēng)量，而轉(zhuǎn)速不變時，功率會降低，又會使溶氧速率降低。同時，空氣線速度過大時，會發(fā)生“過載”現(xiàn)象，這時漿葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。第22頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二 （3）氧的分壓 提高空氣壓力（提高罐壓），可以增加氧的分壓，因此可以增加氧的溶解度。由于一般微生物在5個大氣壓以下的壓力下不會受到損害，因此適當(dāng)提高罐壓有利于通風(fēng)效果的提高。但過分提高罐壓，會使設(shè)備投資增加（耐壓），且因提高罐壓后，產(chǎn)生

11、的CO2溶解量也要增加，會使培養(yǎng)液的pH值發(fā)生變化，影響微生物的生理代謝。第23頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二（4）發(fā)酵罐體積 通常大罐氧的利用率高，小罐氧的利用率差。發(fā)酵罐大小不同，所需攪拌轉(zhuǎn)數(shù)與通風(fēng)量不同，大罐的轉(zhuǎn)速低，通風(fēng)量較小。 不同罐容與所需通風(fēng)量的關(guān)系發(fā)酵罐容積（L）通風(fēng)量（%）50500500050000100603021.6第24頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二（5）發(fā)酵液的物理性質(zhì) 發(fā)酵液的粘度、表面張力、離子濃度等會影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性和氧的傳遞效率。此外，發(fā)酵液的粘度的改變還影響液體的湍動性以及界面或液膜阻力，從而影響溶氧速率。通常當(dāng)發(fā)酵液濃度增大，粘度增大時，Kla值降低。 另外由于泡沫大量形成，菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響了氧的傳遞。因而消除泡沫對溶氧有利。但消泡劑用量過多，消泡劑聚集在微生物細(xì)胞和氣泡液膜表面，增加傳質(zhì)阻力，大大降低氧的傳遞速率。 第25頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二實際上：對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供氧是有限的四、發(fā)酵過程中溶氧的控制第26頁，共28頁，2022年，5月20日，4點53分，星期二前期有利于菌體生長，中后期有利于產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般