生物工艺的控制.ppt

第六章 生物工艺的控制,温度、pH、氧气、二氧化碳泡沫发酵染菌的防治与处理发酵过程参数监测,发酵是一种很复杂的生产过程，其好坏涉及诸多因素，如菌种的生产性能、培养基的配比、原料质量、灭菌条件、种子质量、发酵条件和过程控制等。不论是老或新品种，都必须经过发酵研究这一阶段，以考察其代谢规律、影响产物合成的因素，优化发酵工艺条件。高产菌种对工艺条件的波动比低产菌种更敏感，故掌握生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对生产的稳定和提高具有重要的意义。,6.1 在分批发酵时代谢的变化一、初级代谢的代谢变化：,初级代谢是生命细胞在生命活动过程中所进行的代谢活动，其产物为初级代谢产物。菌体的生长过程显示生长史的特征。但在发酵过程中，即使是同一种菌体，由于菌体的生理状态和培养条件的不同，各期的生长长短就有所不同。生产中要求在对数期接种原因就在此。,初级代谢没有明显的产物形成期，产物随着菌体生长在不断的进行合成，有的与菌体的生长呈平行关系。如乳酸、醋酸，与p顶峰几乎在同一时期出现，而氨基酸、酶、核酸的发酵过程比前者复杂，它的与p的大小则随培养基成分、碳源、温度、菌株等不同而变化。,二、次级代谢产物变化,次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物碱和微生物毒素等物质。它们的发酵属于生长与产物非偶联的类型，一般分为菌体生长、产物合成和菌体自溶个阶段。,菌体生长阶段：接种后，菌体开始生长，直达到菌体的临界浓度。同时，营养物质进行分解代谢，不断的消耗，浓度明显减少，溶氧浓度逐渐降低到一定的水平，其中某一参数可能成为菌体生长的限制因素，使菌体生长速度减慢，积累了相当量的某些代谢中间体，原有的酶活力下降，出现了与次级代谢有关的酶，其酶解除了控制等原因，导致菌体的生理状况发生改变，菌体就从生长阶段转入产物合成阶段。这一阶段又称为菌体的生长期或发酵前期。,产物合成阶段：产物数量逐渐增多，直至达到高峰，生产速率也达到最大，直至产物合成能力衰减。此阶段，营养物质不断被消耗，产物不断被合成。环境因素很重要，发酵条件应严格控制，方有利于产物合成。营养物质过多，菌体就进行生长繁殖，抑制产物合成，使产物量降低；如果过少，菌体就衰老，产物合成能力就下降，产量减少。这一阶段又称为产物分泌期或发酵中期。,菌体自溶阶段：菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，p上升，产物合成能力衰退，生产速率下降，此时应必须结束发酵，否则，影响产品的提取。这一阶段又称为菌体的自溶期或发酵后期。,6.2 发酵条件的影响及其控制,微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特性和发酵条件的控制。了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反应菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和生产。,常规的发酵条件：,罐温、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、罐压、液位、补料、加糖、油或前体，通氨速率以及补水等。,表征过程性质的状态参数：pH、溶氧（DO）、溶解CO2、氧化还原电位、尾气O2和CO2 含量、基质或产物浓度、代谢中间物或前体浓度、菌浓等。间接状态参数：比生长速率、摄氧率、释放速率（CER）、呼吸商（RQ）、基质消耗速率和产物合成速率等。,基质是生产菌代谢的物质基础，既涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。,6.2.1 基质浓度对发酵的影响及其补料控制,在分批发酵中，当基质过量时，菌体的生长速率与营养成分的浓度无关。：菌体的生长比速Ks：半饱和常数 S：限制性基质浓度max:最大比生长速度 在S ks的情况下，比生长速率与基质浓度呈线性关系。,在S 10ks时，比生长速率就接近最大值。所以营养物质均存在一个上限浓度，在此浓度以内，菌体的比生长速率随浓度增加而增加，但超过此限，浓度继续增加，反而会引起生长速率下降，这种效应称基质的抑制作用。,在正常的情况下，可达到最大比生长速率，然而，由于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出现比生长速率下降的趋势。e.g.G100150g/l，不出现抑制 G350500g/l，多数微生物 不能生长，细胞脱水。,就产物 的形成来说，培养基过于丰富，有时会使菌体生长过旺，黏度增大，传质差，菌体不得不花费较多的能量来维持其生存环境，即用 于非生产的能量大大增加，这对产物合成不利。,一 碳源的种类和浓度的影响和控制 一）碳源种类的影响：碳源分为迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源。迅速利用的碳源能较迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并分解为产物（如丙酮酸），有利于菌体的生长。但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用。慢速利用的碳源为菌体缓慢利用，有利于延长代谢 产物的合成（如抗生素），许多药物发酵采用。例如乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油分别是青霉素、头孢菌素C、盐霉素、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。因此选择最适碳源对提高代谢产物产量是很重要的。在工业上，发酵培养基中常采用迅速和缓慢利用的混合碳源，来控制菌体的生长和产物的合成。,二）碳源的浓度也对发酵有影响。由于过于丰富所引起的菌体异常繁殖，对菌体的代谢和产物合成和氧的传递会产生不良影响。若产生阻遏作用的碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的抑制。反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体生长和产物的合成就都停止。所以控制合适的碳源浓度是非常重要的。,S过小,C,qP随减小而减小,S过大,C,X X C,OUR增大,CL CL C,qP减小,粘度增大,Kla减小,产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。,三）、碳源浓度的控制,在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度,补糖的类型：,1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入,残糖量pH值Qc菌浓和形态粘度溶氧尾气中O2和CO2的含量发酵液的总体积,补糖的依据：,经验法：根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%,pH开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。前期040h 中期4090h 后期90h以后 每小时加糖量 0.08%-0.15%0.15%-0.18%0.15%-0.18%,补糖量的控制,补糖量的控制：动力学方法,依据、qP、qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量,以次级代谢产物为例：,、qP、qC之间的关系：,控制原则：以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基质流加速率与消耗速率的平衡。,具体方法：,1、求X0测定 X OTR OUR,2、求、qp,在发酵过程中，测定每小时菌体干重X和产物P计算每小时、qp=X/t X qp=P/t X,3、确定适宜的0,确定0等于或稍大于C可使qP达到qPmax,4、确定适宜的qC,qC0=m+0/Yxs+qPmax/Yps,5、根据物料平衡计算加糖速率,qC=m+/Yxs+qP/Yps,补糖的控制,把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。,补糖速率：依据微生物对养分的消耗速率及所设定的发酵液中的最低维持浓度。如产黄青霉菌，通过控制加糖速率，使青霉菌发酵处于半饥饿状态，发酵液中有足够的氧，并维持一定的PH，达到高产。,二、氮源的种类和浓度的影响和控制 氮源象碳源一样,也有迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源。迅速利用的氮源有：氨基态氮的氨基酸、硫酸铵、玉米浆。慢速利用的氮源有：黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉等蛋白质。,快速利用氮源容易被菌体所利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成，特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。如链霉菌的竹桃霉素发酵中，采用促进菌体生长的铵盐，能刺激菌丝生长，但抗生素产量下降。缓慢利用的氮源对延长次级代谢产物的分泌期，提高产物的产量是有好处的。但一次投入，也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，从而缩短产物的分泌期，因而要选择适当的氮源和适当的浓度。,发酵培养基一般是选用含有快速和慢速利用的混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐和麸皮水解液、玉米浆；链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。但也有使用单一的铵盐或有机氮源(如黄豆饼粉)。它们被利用的情况与快速和慢速利用的碳源情况相同。为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，生产中也要控制氮源的浓度，除了在基础培养基中控制氮源浓度外，在发酵过程中，补加氮源来控制浓度。,三、磷酸盐浓度的影响和控制,磷是微生物生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32-300 mmol，但对次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为1.0 mmol，提高到10mmol，就明显影响其合成。,磷酸盐浓度在初级代谢中的要求不如次级代谢严格。对抗生素来说，常常是采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量）磷酸盐浓度，其最适浓度取决于菌种特征、培养条件、培养基的组成和来源等因素。,6.2.2 灭菌情况,一般随灭菌温度的升高，时间的延长，对养分的破坏作用越大，从而影响产物的合成。如葡萄糖氧化酶发酵培养基的灭菌条件对产酶的影响：,6.2.3 种子质量,接种菌龄 一般，接种菌龄以对数生长期的后期，即培养液中菌浓接近高峰时所需的时间较为适宜。最适的接种菌龄要经多次试验，根据其最终发酵结果而定。接种量 接种量的大小是由发酵罐中菌的生长繁殖速度决定的。,菌体浓度 菌体浓度简称菌浓（cell concentration）是指单位体积培养液中菌体的含量。菌浓的大小与菌体生长速率有很大的关系，菌体生长速率与微生物的种类及遗传特性有关，不同种类的微生物的生长速率是不一样的，细胞越复杂，分裂所需的时间越长。,菌浓的大小对发酵产物有很重要的影响。在适当的比生长速率的条件下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系，即菌浓越大，产物的产量越大。但在好氧发酵中，菌浓太大，影响氧的传递，故在发酵中应控制适当的菌浓。,6.2.4 温度对发酵的影响和及其控制,微生物的生长和产物的合成都是在各种酶催化下进行的，温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中必须保证稳定而合适的温度环境。,(1)温度对微生物生长的影响,大多数微生物在20-40的温度范围内生长。嗜冷菌在温度低于20下生长速率最大，嗜中温菌在30-35左右生长，嗜热菌在50以上生长。,(2)温度对发酵过程的影响,温度对青霉菌生长速率、呼吸强度和青霉素生产速率的影响如上图所示。可以看出，温度对参与生长繁殖、呼吸和青霉素形成的各种酶的影响是不同的。,青霉菌：生长 E=34 kJ/mol 呼吸 E=71 kJ/mol 产物合成 E=112 kJ/mol 青霉素形成速率对温度最为敏感，偏离最适温度引起的生产率下降比其他两个参数的变化更为严重。,活化能E反映温度变化对酶反应速率的影响,(3)温度对发酵液物理性质的影响,影响氧在发酵液中的溶解度 温度 溶氧影响基质的分解速率 如菌体对硫酸盐吸收在25时最小,(4)温度对生物合成方向的影响,金色链丝菌,研究发现，温度与微生物的调节机制关系密切。例如，在20时，氨基酸末端产物对其合成途径的第一个酶的反馈抑制作用，比在其正常生长温度37时更大。因此，考虑在抗生素发酵的后期降低温度，加强氨基酸的反馈抑制作用，使蛋白质和核酸的正常合成途径关闭得早些，从而使发酵代谢转向抗生素的合成。,（5）影响发酵温度的因素,发酵热,发酵热指的是发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3h)为单位表示。,生物热：生产菌在生长繁殖过程中产生的热叫生物热。营养基质被菌体分解产生大量的热能，部分用于合成高能化合物ATP，供给合成代谢所需要的能量，多余的热量则以热能的形式释放出来，形成生物热。搅拌热：搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热能。Q搅拌 P,蒸发热：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，进行热交换，必然引起水分的蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量。Q蒸发=G（I出-I进）辐射热：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的热量。显热：废气因温度差异所带走的热量。,发酵热在整个发酵过程中是随时间变化的。所以，为使发酵在一定温度下进行，必须采取措施在夹套或蛇管内通入冷水加以控制（小型的发酵罐，在冬季和发酵初期，散热量大于产热量则需用热水保温。）,（6）最适温度的选择,所谓最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的合成。对不同的菌种、不同的培养条件、不同的酶反应以及不同的生长阶段，最适温度有所不同。,根据菌种及生长阶段选择,1)微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为370C，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C，青霉菌生长温度为300C。,最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的。如乳酸发酵，乳链球菌最适生长温度是34C，而产酸最多的温度是30 C，但发酵速度最高的温度达40 C。青霉素产生菌的最适生长温度为30，但产生青霉素的最适温度是24.7。发酵温度的确定，在理论上，整个发酵过程中不应只选一个培养温度，应根据发酵的不同时期，选择不同的培养温度。生长阶段，选最适生长温度，在产物分泌阶段，选最适生产生产温度。即变温控制。,2）不同的发酵阶段选择不同的温度,在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。,e.g 青霉素变温发酵 起初5小时，维持在30 C，以后降到25 C培养5小时，再降到到20 C培养28小时，最后又提高到25 C，培养40小时，放罐。青霉素的产量比在25 C恒温发酵条件下提高14.7%。如四环素生长阶段280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖化酶32340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30320C，产酸34370C。,发酵前60h按31控制，缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础 中期60小时后将罐温降至3O使与抗生素合成有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生素 发酵进入后期60h罐温再回升至31 使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。,林可霉素发酵的变温培养,根据培养条件选择,温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。,根据菌生长情况菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。,发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数，它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。,6.2.5 pH对发酵的影响和及其控制,（1）pH对发酵过程的影响,pH影响菌体的生长和产物的合成：（1）影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；（2）菌体的形态：pH值还会影响某些霉菌的形态，如细胞壁厚度、菌丝直径。（3）细胞膜的电荷状态：引起膜渗透性的变化，从而影响菌对养分的吸收和代谢产物的分泌（4）产物的稳定性（5）对某些生物合成途径有显著影响：pH值往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的产量和比例发生改变。,微生物生长和生物合成的最适pH,微生物生长：细菌（6.37.5),霉菌和酵母菌（36),放线菌（78)微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不一样，这不仅与菌种的特性有关，也取决于产物的化学性质。,e.g.Clostridium acetobutylicum fenmentation:pH在中性时，菌种生长良好，但产物产量很低，实际发酵合适的pH值。Streptomyces grisus fermentation 生产链霉素（streptomycin）:菌体生长的合适pH 值为6.36.9，而合成链霉素的pH 值为6.77.3。因此，应根据发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH 值。在生产过程中，及时进行调节和控制合适的pH值，以满足不同阶段的需要。,但同一产品的合适pH 值，还因菌种、培养基组成和培养条件有关。在确定合适的pH 值时，还要考虑培养温度的影响，若温度不同合适的pH 值也可能发生变动。,几种抗生素发酵的最适pH范围,（2）发酵过程中pH的变化,发酵过程中，由于菌种在一定温度及通气条件下对培养基中碳、氮源等的利用，随着有机酸或氨基氮的积累，会使pH产生一定的变化。这种变化的根源是培养基的成分和微生物的代谢特性。,引起培养液的pH发生波动的因素,引起pH下降的因素：1）培养基中碳、氮比例不当，碳源过多，特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一2）消沫油加得过多3）生理酸性物质的存在4）酸性产物引起pH上升的因素：1）氮源过多 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。2）生理碱性物质存在3）中间补料中氨水或尿素等的碱性物质加入过多4）菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。5）碱性产物,（3）最适pH的选择和调节,选择最适pH的原则：既有利于菌体的生长繁殖，又要最大限度地使产物合成获得高的产量。,在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值与微生物的生长和产物的形成中3个参数的相互关系有四种情况：第一种情况是菌体的比生长速率（）和产物比生产速率（Qp）的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内（a），这种发酵过程易于控制；第二种情况是（或Qp）的最适pH值范围很窄，而Qp（或）的范围较宽（b）；第三种情况是和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的（c），第二和第三模式的发酵pH值应严格控制；第四种情况更复杂，和Qp有各自的最适 pH值(d),应分别严格控制各自的最适pH值，才能优化发酵过程。,合适的p值是根据实验结果来确定。将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH，以分别维持出发pH 值，或者利用缓冲液配制培养基以维持之。到时观察菌体生长的情况，以菌体生长达到最高值的pH 值为菌体生长的最适pH 值。以同样的方法，可测得产物合成的合适PH值。,pH对产海藻酸裂解酶的影响,1、考虑发酵培养基的基础配方，使之有适当的比例，使发酵过程pH 的变化在适合的范围内。因为培养基中含有代谢产酸如葡萄糖产生酮酸、(NH4)2 SO4 和产碱 如NaNO3、尿素的物质以及缓冲剂如CaCO3 等成分，它们在发酵过程中要影响pH的变化，特别是CaCO3能与酮酸等反应，而起到缓冲作用，所以它的用量比较重要。在分批发酵中，常采用这种方法来控制pH的变化。,控制pH的方法,利用上述方法调节pH值的能力是有限的，如果达不到要求，可以用在发酵过程直接补加酸或碱和补枓的方式来控制，特别是补料的方式，效果比较明显。过去是直接加入酸或碱来控制，但现在常用的是以生理酸性物质(硫酸铵)和碱性物质(氨水)来控制。它们不仅可以凋节pH值，还可以补充氮源。当发酵的pH值和氨氮含量都低时，补加氨水，就可以达到调节pH 和补充氨氮的目的。反之，pH值较高，氨氮含量又低时，就补加硫酸铵。,2、采取补料的方法调节PH,目前，已比较成功地采用补枓的方法来调节pH值，如氨基酸发酵采用流加尿素的方法，特别是次级代谢产物抗生素发酵，更常用此法。这种方法，既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性（如菌浓等）等几个目的。最成功的例子就是青霉素的补枓工艺，利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化范围（现已实现自动化），其青霉素产量比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH值的产量高25%。,例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）,菌株最适生长pH控制在6.87.0,3、发酵的不同阶段采取不同的pH值,不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于75时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于65时菌体同样受抑制，易于老化。而在72左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在69左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。,pH69时，菌体生长旺盛，pH715时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为715，到80h后pH值为725。产率2227g/L，产酸率提高1223。,例：克拉维酸发酵中pH变换控制,问题的提出：在pH低时菌体生长受抑制，在高pH时克拉维酸要分解,用2.5升罐进行的不控制pH的发酵发现，前期由于微生物产生的酸性副产物和有机酸使pH降至6.5。在达到最高细胞浓度后，pH开始从6.5升至8.3。CA产量达最高水平时，pH不再升高。在发酵终止时，pH再次升至8.5。随着pH升高，CA迅速分解。,研究不同pH对发酵的影响分别配置pH为6.0，7.0，8.0的培养基测定菌的生长和产物合成,pH6.0时，生长受抑制，产物降解少,pH8.0时生长良好产量低，产物降解,pH7.0时的状况,控制pH7.0和8.0时，最高细胞浓度接近相同(约16PMV)，但控制pH60时细胞生长受抑制。在25升生物反应器内，不控制pH时247g(m1h)控制pH7.0时的产率337g(m1h)最高控制pH8.0时，产率202g(m1h)在控制pH60时，CA产生被抑制,但降解少因此对细胞生长和CA产生最好将pH控制于7.0，但在控制pH7.0时，仍出现CA的迅速分解。,由于CA生产的最适pH和减少CA分解的pH各不相同，因此在分批发酵中应用了pH变换策略，使发酵pH由中性pH70变换为酸性pH6.0。在发酵前期，在细胞生长和产生CA期间控制pH7.0，4d后，当CA产量达最高值时，变换pH为6.0，以减少CA分解。最高CA浓度可保持24h。由于改变pH，使CA分解速率明显降低。,氧是一种难溶于水的气体。在25，1105Pa条件下，纯氧在水中的溶解度为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的溶解度更低（0.25mmol/L）。在28氧在在发酵液中的溶解度只有0.22 mmol/L，而发酵液中的大量微生物耗氧迅速（耗氧速率大于25100 mmol/L.h），因此，供氧对于好氧微生物来说是非常重要的。在对数生长期，即使发酵液被空气饱和，若此时停止供氧，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。,6.2.6 溶氧对发酵的影响和及其控制,表示溶氧浓度的方法氧分压或氧张力绝对浓度空气饱和度百分数：在一定的温度、罐压和通气搅拌条件下，以消后培养基被空气百分之百饱和为基准。,1、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞（折干）所消耗的氧气，mmol O2g菌-1h-1,摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。,r=QO2.X,临界溶氧浓度,CCr,QO2,CL,CCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，又称临界氧值。,一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度,例：37大肠杆菌8.2*10-3mmolO2L-1 35酵母 4.6*10-3 mmol.L-1,1.8%30产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1,8.8%,定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧浓度,所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.,影响需氧的因素,r=QO2.X,菌体浓度:浓度大时，耗氧量大。,QO2,1）微生物的种类：如需氧菌与兼性厌氧菌耗氧量不同；同样是需氧菌，细菌、放线菌和真菌的耗氧量不同，如产黄青霉的 QO2=3.9、啤酒酵母的 QO2=8.0，大肠杆菌 QO2=10.8一般来说，细胞越简单，生长速度就越快 QO2就越高。,2）不同的生长阶段：延迟期QO2 低，对数生长期QO2高，稳定期QO2不再增加。菌体生长期的耗氧率大于产物合成期。因此培养液的QO2达到最大值时，培养液中菌体的浓度也达到了最大值。3）培养基的组成：培养基中碳源的种类和浓度对微生物的需氧量影响尤为重要。一般地，在一定范围内，QO2随碳源浓度的增加而增加。其他也有影响。,4）培养条件：温度越高，营养成分越丰富QO2的临界值越高；当PH最适时，微生物的需氧量最大。5）二氧化碳浓度：浓度高时影响菌体呼吸6）培养液中溶解氧浓度CL大于CCr时，正常发酵；CL小于CCr时，影响发酵。但不是CL越高越好，过高时，会形成超氧基、过氧基、羟自由基等，对细胞成分特别是带巯基的酶都有危害。,2 反应器中氧的传递,1）发酵液中氧的传递方程,C,Ci,P,Pi,气膜,液膜,N：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数 m/h,C*P*H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度,Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h),再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3),Nv：体积传氧速率 kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的液相体积氧传递系数系数 h-1,2）发酵液中氧的平衡,发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中,传递：,消耗：,r=QO2.X,氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面,Kla:以(C*-C)为推动力的液相体积氧传递系数 h-1,3 溶氧作为发酵异常的指标,生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌的生长生理状况。发酵溶氧变化异常，可及时预告生产可能出现的问题。操作故障或事故中间补料是否得当污染杂菌：溶氧会反常地迅速（一般25h)跌到零，并长时间不回升。这比无菌试验发现染菌要提前几个小时。但有时会出现染菌后溶氧反而升高的现象。,4溶氧的控制,在发酵工业中，耗氧对于菌体生长和产物生成之间的关系有三种类型：产物生成期的耗氧与菌体生长期的耗氧一致。产物生成期的耗氧超过菌体生长期的耗氧量。产物生成期的最适耗氧量低于菌体生长期的耗氧量。,影响需氧的工艺条件,式中，dc/dt单位时间内发酵液溶氧浓度的变化mmol/(Lh)KL氧传质系数，m/h；a比表面积（m2/m3)c*氧在水中的饱和浓度，mmol/L；cL发酵液中的溶氧浓度，mmol/L。,在稳定情况下，氧分子从气体主体扩散到液体主体的传递速率即氧的传质方程式为：,溶氧的控制,凡是使KLa和c*增加的因素都能使发酵供氧改善。,供氧方面,增加C*的办法：,在通气中掺入纯氧，提高氧分压；提高罐压,提高KLa(提高设备的供氧能力）的办法：,与氧传质有关的工程参数,影响KL a的因素 1、搅拌：（1）增加气液接触面积（打碎气泡），增加氧传递面积。（2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。（3）增加液体的湍流程度，降低气泡 周围的液膜阻力、液体主流中液体阻力、从而增加KL a值。,（4）减少菌丝结团，降低细胞壁表面的液膜阻力。改善细胞对氧和营养物质的吸收，同时降低细胞周围的“废物”和“废气“的浓度，有利于微生物代谢。2、空气的流速 KL a 随空气流速的增加而增大，但空气速度过大，则可使叶轮 发生过载，即叶轮不能分散空气，气体不经分散而沿搅拌器缓慢运动的中心迅速上升而逸出。,3、培养液的物理性质 发酵液的表面张力、粘度、离子浓度等都会影响气体的溶解度，还影响液体的湍动以及界面和液膜的阻力，因而影响传递效率。发酵液中菌丝浓度增大，表观粘度增大，通气效率下降。发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质。,4、空气分布器对通气效率的影响 发酵罐中装有多孔分布器和单孔分布器，在气流速度很低时，多孔分布器有较高的通气效率。但两者的区别随着气流速度的增加而逐渐减少。可能是低气流时多孔分布器可形成更大的传递面积，而当通气量增大时，单孔分布器能更大的增加发酵液的湍动程度。,控制溶氧的工艺手段,（1）改变通气速率（增大通风量）：增大KLa值。注意，过分增大通气速率会产生副作用，如泡沫生成、罐温增高等。（2）改变搅拌速度：转速较低时，增大搅拌速度对提高溶氧浓度有明显作用；当转速很高时，再增大搅拌速度起不到调节作用，反而打碎菌丝体，使菌体自溶并减少产量。（3）改变气体组成中的氧分压（4）改变罐压：提高C*。不是十分有效（5）改变发酵液的理化性质：如加消沫剂、补加无菌水、改变培养基的成分等（6）加入传氧中间介质：一般是不溶于培养液的液体，呈乳化状态来提高气液相之间的传递。传氧中间介质有：血红蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡等）、含氟碳化物。,各种溶氧控制方法的比较,