第七章溶解氧对发酵的影响及控制(5).ppt

溶解氧对发酵的影响溶解氧对发酵的影响及控制及控制 溶氧溶氧(DO)(DO)是需氧微生物生长所必需。在发是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。最易成为控制因素。在在2828，氧在发酵液中的，氧在发酵液中的100100的空气饱和的空气饱和浓度只有浓度只有0.25mmol.L0.25mmol.L-1-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小70007000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到达到100100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。限制因素。l微生物对氧的需求微生物对氧的需求l发酵液中氧的供给发酵液中氧的供给l影响影响KLa的的因素（供氧的调节）因素（供氧的调节）l与溶氧相关的参数测定与溶氧相关的参数测定l发酵过程中溶氧监控的意义发酵过程中溶氧监控的意义一一 溶解氧浓度对发酵的影响溶解氧浓度对发酵的影响 1.1.溶解氧对微生物生长的影响溶解氧对微生物生长的影响比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单）：单位时间内单位重量的干菌体所消耗的氧气，位重量的干菌体所消耗的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。要的氧量。mmol O2L-1h-1。r=QO2.X（氧的重要性）（氧的重要性）X X指发酵液的菌体浓度，单位为（指发酵液的菌体浓度，单位为（g g干菌体干菌体/L/L）CCrQO2CLCCr:临界溶氧浓度临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。微生物对氧的需求微生物对氧的需求l当发酵液中的溶解氧浓度低于此临界氧当发酵液中的溶解氧浓度低于此临界氧浓度时，微生物的耗氧速率将随着溶解浓度时，微生物的耗氧速率将随着溶解氧浓度降低而很快下降，此时溶解氧是氧浓度降低而很快下降，此时溶解氧是微生物生长的限制因素，改善供氧对微微生物生长的限制因素，改善供氧对微生物生长有利。生物生长有利。l当发酵液中的溶解氧浓度高于此临界氧当发酵液中的溶解氧浓度高于此临界氧浓度时，微生物的耗氧速率并不随着溶浓度时，微生物的耗氧速率并不随着溶解氧浓度的升高而上升，而是保持基本解氧浓度的升高而上升，而是保持基本的恒定，对微生物的生长有利。的恒定，对微生物的生长有利。一般对于微生物：一般对于微生物：CCr:1 115%15%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.610-3 mmol.L-1,1.8%产黄青产黄青霉霉 2.210-2 mmol.L-1,8.8%定义定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.1.微生物对氧的需求微生物对氧的需求问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。小，是不是发酵过程中氧很容易满足。注意：有些产物的形成和菌体最适的生长条注意：有些产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样件，常常不一样：头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5%(5%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）13%13%产物产物 13%8%13%8%微生物对氧的需求微生物对氧的需求品种测定水温窒息点（mmol/l)相当于鲤鱼290.09-0.014%鲢鱼270.01-0.024-8%鲫鱼290.0042%氧对氧对鱼类的影响鱼类的影响微生物对氧的需求微生物对氧的需求三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素r=Qr=QO O2 2.X.Xq 菌体浓度菌体浓度q Q QO O2 2 遗传因素遗传因素 菌菌龄龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件与微生物生长有一临界溶解氧浓度与微生物生长有一临界溶解氧浓度类似，微生物产物的合成也有一最类似，微生物产物的合成也有一最低的溶氧浓度，称为产物合成临界低的溶氧浓度，称为产物合成临界氧浓度。氧浓度。二、溶解氧浓度对产物形成的影响二、溶解氧浓度对产物形成的影响最佳合成氧浓度与最适生长溶氧浓最佳合成氧浓度与最适生长溶氧浓度的关系？度的关系？二、发酵液溶解氧浓度的控制二、发酵液溶解氧浓度的控制从供氧方面控制从供氧方面控制1 1、影响、影响C C*-C-CL L的因素及控制措施的因素及控制措施（1 1）提高饱和溶氧浓度）提高饱和溶氧浓度C C*（2 2）降低发酵液中的）降低发酵液中的C CL L2 2、影响、影响K KL La a的因素及控制措施的因素及控制措施（1 1）搅拌）搅拌 （2 2）空气流速）空气流速 （3 3）发酵液的理化性质）发酵液的理化性质 （4 4）空气分布器及发酵罐的结构）空气分布器及发酵罐的结构从耗氧方面控制从耗氧方面控制（一）供氧方面考虑（一）供氧方面考虑微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式表示：表示：N=KLa(C*-CL)式中：式中：N-单位时间内培养液氧浓度的变化单位时间内培养液氧浓度的变化 C*-在罐内氧分压下培养液中氧的饱和浓度在罐内氧分压下培养液中氧的饱和浓度 CL-发酵液主流中氧浓度发酵液主流中氧浓度 KL-氧传质系数氧传质系数 a-比表面积，即单位体积溶液所含的气液比表面积，即单位体积溶液所含的气液 接触面积接触面积1 1、影响、影响C C*-C-CL L的因素及控制措施的因素及控制措施（1 1）提高饱和溶氧浓度）提高饱和溶氧浓度C C*影响氧在溶液中的饱和浓度的因素有：影响氧在溶液中的饱和浓度的因素有：温度温度溶液的组成溶液的组成氧分压氧分压温度：菌的生理特性及产物需要，温度：菌的生理特性及产物需要，不容易改不容易改降低基质浓度：中间补料或者发降低基质浓度：中间补料或者发酵后期补入部分灭菌水酵后期补入部分灭菌水提高氧分压：提高发酵罐压力或提高氧分压：提高发酵罐压力或者加大通入空气中氧的含量者加大通入空气中氧的含量（2）降低发酵液中的）降低发酵液中的CL可以通过减少通气量或降低搅可以通过减少通气量或降低搅拌转速等方式来实现。拌转速等方式来实现。注意注意CLC临界临界，否则影响微生，否则影响微生物呼吸物呼吸2 2、影响、影响K KL La a的因素及控制措施的因素及控制措施（1 1）搅拌）搅拌搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，并搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，并且气体螺旋式上升，延长了接触时间，从且气体螺旋式上升，延长了接触时间，从而提高氧的溶解率。而提高氧的溶解率。搅拌使发酵液成湍流运动，增加了气泡的液膜厚度，搅拌使发酵液成湍流运动，增加了气泡的液膜厚度，从而降低氧的传质阻力，而使从而降低氧的传质阻力，而使K KL La a值增大。值增大。搅拌使菌体分散均一，降低菌体表面的液膜阻力，搅拌使菌体分散均一，降低菌体表面的液膜阻力，增加菌氧接触面而有利于氧的吸收。增加菌氧接触面而有利于氧的吸收。改变搅拌速率对溶解氧的影响效果大，但搅拌剪切力不易过大。改变搅拌速率对溶解氧的影响效果大，但搅拌剪切力不易过大。（2）空气流速）空气流速当增加通风量时，空气线速度相应当增加通风量时，空气线速度相应增大，传质系数增大，传质系数KLa相应增大，从而增相应增大，从而增大溶氧大溶氧但过大的线速度，因搅拌来不及打散气泡但过大的线速度，因搅拌来不及打散气泡（“气泛气泛”现象），几乎对溶氧的改善不现象），几乎对溶氧的改善不大。大。因此要控制空气流量，使搅拌轴附因此要控制空气流量，使搅拌轴附近液面没有大的气泡溢出近液面没有大的气泡溢出（3 3）发酵液的理化性质）发酵液的理化性质 影响影响K KL La a的的理化性质主要有黏度、理化性质主要有黏度、泡沫等泡沫等发酵液的表观黏度越大，发酵液的表观黏度越大，K KL La a越小越小生成大量的泡沫，易于菌体形成乳生成大量的泡沫，易于菌体形成乳浊液，而影响溶氧，可以添加适当浊液，而影响溶氧，可以添加适当的消泡剂。的消泡剂。但过多的消泡剂的聚集以及某些消但过多的消泡剂的聚集以及某些消泡剂有毒性，都要注意泡剂有毒性，都要注意（4 4）空气分布器及发酵罐的结构）空气分布器及发酵罐的结构当多孔环状空气分布器的直径大于搅当多孔环状空气分布器的直径大于搅拌器直径时，大量的空气未经搅拌器拌器直径时，大量的空气未经搅拌器分散即沿罐壁溢出液面，导致供氧效分散即沿罐壁溢出液面，导致供氧效果差。果差。当空气流速达到一定速度后，空气分当空气流速达到一定速度后，空气分散主要靠搅拌器，可用单孔分布器，散主要靠搅拌器，可用单孔分布器，并可以推动发酵液的湍动程度。并可以推动发酵液的湍动程度。影响影响K KL La a的因素的因素:根据根据r,Klar,Kla、搅拌桨特性、搅拌桨特性搅拌功率搅拌功率 根据根据r r、菌体细胞剪切、菌体细胞剪切搅拌器形式、搅拌器形式、转速等转速等;搅拌器的混和计算流体力学的应用研搅拌器的混和计算流体力学的应用研究究;大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡平衡 传动装置技术和整体罐结构设计研究传动装置技术和整体罐结构设计研究;。张嗣张嗣良，中国生物工程杂志，良，中国生物工程杂志，20052005（二）从耗氧方面控制（二）从耗氧方面控制微生物耗氧与微生物比生长速率呈微生物耗氧与微生物比生长速率呈正相关，控制微生物营养物质的浓正相关，控制微生物营养物质的浓度，从而控制其对样的需求量，在度，从而控制其对样的需求量，在设备供氧能力不足的情况下，是一设备供氧能力不足的情况下，是一种常见的控制措施。种常见的控制措施。三、发酵过程中溶解氧检测的意义三、发酵过程中溶解氧检测的意义（1 1）发酵过程中溶解氧检测的意义）发酵过程中溶解氧检测的意义1 1、检测溶氧检测溶氧作为发酵过程中氧是否足够作为发酵过程中氧是否足够的度量，了解菌对氧的利用规律的度量，了解菌对氧的利用规律在发酵过程中，微生物的摄氧率与培养时间在发酵过程中，微生物的摄氧率与培养时间及生物体浓度相关的。及生物体浓度相关的。在一定的发酵条件下，每种产物发酵的在一定的发酵条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自身的规律。溶氧浓度变化都有自身的规律。发酵前期：菌体浓度低，处于生长状态，摄发酵前期：菌体浓度低，处于生长状态，摄氧不高；氧不高；对数生长期：随着菌浓增高溶氧升高，并达对数生长期：随着菌浓增高溶氧升高，并达到峰值到峰值产物合成期：摄氧水平相对较稳，会受补料、产物合成期：摄氧水平相对较稳，会受补料、消沫油的影响；消沫油的影响；发酵后期：菌体衰老，营养物质消耗，摄氧发酵后期：菌体衰老，营养物质消耗，摄氧逐步下降逐步下降因此，在通过检测发酵过程溶解氧因此，在通过检测发酵过程溶解氧的变化从而了解菌体对氧需求规律的变化从而了解菌体对氧需求规律的基础上，通过控制措施可使整个的基础上，通过控制措施可使整个发酵过程的不同阶段溶解氧浓度保发酵过程的不同阶段溶解氧浓度保持在最适水平。持在最适水平。2.2.溶解氧作为发酵异常情况的指示溶解氧作为发酵异常情况的指示 发酵过程中，出现异常变化的原发酵过程中，出现异常变化的原因：耗氧或供氧出现了异常因素或因：耗氧或供氧出现了异常因素或发生了障碍发生了障碍溶氧异常下降的原因有哪些？溶氧异常下降的原因有哪些？污染好气性杂菌污染好气性杂菌菌体代谢发生异常现象菌体代谢发生异常现象某些设备或工艺控制发生故某些设备或工艺控制发生故障或变化障或变化溶氧异常升高的原因有哪些？溶氧异常升高的原因有哪些？在供氧条件没发生变化的情况下，耗氧量在供氧条件没发生变化的情况下，耗氧量的显著减少，会引起溶氧异常上升。的显著减少，会引起溶氧异常上升。特别注意：是否污染烈性噬菌体特别注意：是否污染烈性噬菌体 若污染了烈性噬菌体：若污染了烈性噬菌体：产生菌尚未裂解，呼吸就受到抑制产生菌尚未裂解，呼吸就受到抑制溶溶氧明显上升氧明显上升 菌体破裂会完全失去呼吸能力菌体破裂会完全失去呼吸能力溶氧直溶氧直线上升线上升从发酵液的溶解氧浓度变化可以了解：从发酵液的溶解氧浓度变化可以了解：1.1.微生物生长代谢是否正常；微生物生长代谢是否正常；2.2.工艺控制是否合理；工艺控制是否合理；3.3.设备供氧能力是否充足设备供氧能力是否充足 （二）溶解氧的检测方法（二）溶解氧的检测方法目前测定发酵液中的溶解氧主要采用复目前测定发酵液中的溶解氧主要采用复膜式电极测定法。膜式电极测定法。复膜式电极有由置于碱性电解质中的银阴复膜式电极有由置于碱性电解质中的银阴极和铅阳极组成的原电池型，以及由管状极和铅阳极组成的原电池型，以及由管状银阳极、铂丝阳极、氯化钾电解液及极化银阳极、铂丝阳极、氯化钾电解液及极化电源组成的极谱型。电源组成的极谱型。这两种探头，产生的电流都正比于这两种探头，产生的电流都正比于通过膜扩散入探头的氧量，通过膜扩散入探头的氧量，极谱型极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。的影响。原电池型电极暴露在空气中时其电原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约流输出约5 530A(30A(主要取决于阴主要取决于阴极的表面积和测试温度极的表面积和测试温度)，可以不，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。差记录议上便可直接使用。复膜式氧电极实际测量的是氧的分压复膜式氧电极实际测量的是氧的分压而非氧的绝对浓度，一般测定时显示而非氧的绝对浓度，一般测定时显示的读数为的读数为饱和浓度分数饱和浓度分数。使用前先标定电极，使其在发酵液被使用前先标定电极，使其在发酵液被饱和时输出的电流设定为饱和时输出的电流设定为100，发发酵液氧浓度为零时设定为酵液氧浓度为零时设定为0，在测量，在测量过程中氧以氧的饱和分数表示过程中氧以氧的饱和分数表示此方法只是此方法只是近似测量溶氧的方法近似测量溶氧的方法。复膜式氧电极的优点复膜式氧电极的优点安装方便安装方便可实现溶解氧的在线连续测定可实现溶解氧的在线连续测定有利于发酵过程的优化和控制有利于发酵过程的优化和控制性能稳定性能稳定耐高温耐高温使用寿命长使用寿命长要能耐高压蒸汽灭菌！要能耐高压蒸汽灭菌！