发酵工程 第7章 溶解氧对发酵的影响及其控制

第八章发酵过程控制本章内容一、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、CO2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（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.溶解氧控制实例氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa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。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COOHCHOHCHCHO3232只有溶解状态的氧才能被微生物利用2.微生物需氧量的表示方式呼吸强度QO2（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γ（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。QO2和γ的关系2OQx概念：临界溶氧浓度Ccr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CL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Ccr表示。CLCcr，QO2保持恒定CLCcr，QO2大大下降对于微生物：CCr:＝1～15%饱和浓度例：细菌和酵母,3%~10%放线菌，5%~30%霉菌，10%~15%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3.培养过程中细胞耗氧的一般规律培养初期：QO2逐渐增高，x较小在对数生长初期：达到(QO2)m，但此时x较低,γ并不高在对数生长后期：达到γm,此时QO2(QO2)m，xxm对数生长期末：S↓,OTR↓,QO2↓而γ∝(QO2,x,OTR),虽然x=xm,但QO2、OTR占主导地位，所以γ↓培养后期：S→0，QO2↓↓,γ↓↓影响微生物耗氧的因素微生物本身遗传特征的影响培养基的成分和浓度碳源种类耗氧速率：油脂或烃类葡萄糖蔗糖乳糖培养基浓度浓度大,QO2↑;浓度小,QO2↓菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小发酵条件的影响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QO2高,耗氧量大若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小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25℃，1×106Pa下，空气中氧在纯水中的溶解度仅0.25mol/m3好氧发酵中，若菌体浓度1015个/m3，呼吸强度QO2=2.6×10-3mol/(kg·S),则每立方米发酵液中菌体的需氧量约187mol/（m3·h）即：1m3发酵液中每小时需要的氧是溶解量的750倍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KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数)(*LLCCaKOTR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：2OQx)(*LLCCaKOTR传递消耗对于一个培养物来说，最低的通气条件可由式求得：kLa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。LOLCCxQaK*2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,xQCCaKdtdCOLLL`2)(*0dtdCLaKxQCCLOL2*)(*LLCCaKOTR2.kLa的影响因素7.4影响氧传递的因素1.影响推动力C*-CL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kL的因素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1.01×105Pa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↑，Cw*↓，推动力↓6.316.14*tCw2)溶质A.电解质1)对于单一电解质Ce*—氧在电解质溶液中的溶解度,mol/m3Cw*—氧在纯水中的溶解度,mol/m3CE—电解质溶液的浓度,kmol/m3K—Sechenov常数,随气体种类,电解质种类和温度变化.E*e*wKCCClg)C,C(*eE影响推动力C*-CL的因素2)溶质2）对于几种电解质的混合溶液：式中hi—第i种离子的常数,m3/kmol离子强度,kmol/m3Zi—第i种离子的价数,—第i种离子的浓度,kmol/m3iii*e*wIhCClgEiiiCZ21IEiC影响推动力C*-CL的因素2)溶质B.非电解质式中Cn*—氧在非电解质溶液中的溶解度,mol/m3CN—非电解质或有机物浓度,kg/m3k—非电解质的Sechenov常数,m3/kgNnwKCCC**lg)C,C(*nN影响推动力C*-CL的因素2)溶质C.混合溶液(电解质+非电解质):叠加Cm*—氧在混合溶液中的溶解度,mol/m3jnjwiiimwCCIhCC****lglg溶质↑，Cm*↓影响推动力C*-CL的因素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*-CL的因素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*-CL的因素2.影响KLa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PG发酵液体积V，液柱高度HL如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量①设备参数②操作条件③发酵液的性质：综合①②③三类影响因素，有其中d—搅拌器直径，m;Ν—搅拌器转速，s-1;ρ—液体密度，kg/m3;—液体粘度，Pa·s;DL—扩散系数,m2/s;σ—界面张力，N/m;Ws—表观线速度，m/s;g—重力加速度,9.81m/s2),,,,,,,(gDWNdfaKLsLsGLWVPkaK)(以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例：合并化简得：LLDdaK2＝0.065.12)(Nd19.02)(gdN5.0)(LD6.0)(sW32.0)(siWND6.019.04.028.05.051.12.2gWDdNsLKLa=0.06A.设备规模的影响单位体积的液体的搅拌功率的指数α随培养装置的规模而相应变化如:小试9L→α=0.95中试500L→α=0.67生产规模27T～54T→α=0.50可见,在放大过程中,KLa在相同条件下会减小.设备参数kLa的影响因素B.设备形状结构的影响如20T的伍式发酵罐:α=0.72,ß=0.11设备参数kLa的影响因素C.搅拌器形式的影响:α、β数值不同对于α值:弯叶平叶箭叶对于β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KLa都有影响.设备参数kLa的影响因素平叶箭叶弯叶设备参数kLa的影响因素A.搅拌对KLa的影响转速N↑→PG↑→KLa↑搅拌作用(影响KLa原理)a↑→KLa↑→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，KLa↑→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kLa的影响因素搅拌对KLa的影响N并不是越大越好剪切力↑，对细胞损伤↑，对形态破坏↑PG↑,发酵期间搅拌热↑,增加传热负荷N↑操作条件kLa的影响因素B.通气对KLa的影响在通气量Q较低时,Q↑→Ws↑→KLa↑操作条件kLa的影响因素C.通气、搅拌的关联对KLa的影响从公式上看,PG↑,Ws↑,KLa↑,但Ws的增加是有上限的,当Ws＞(Ws)m,会导致PG严重下降.∴Ws＞(Ws)m，PG↓，KLa↓操作条件kLa的影响因素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PG会大大下降,KLa也会大大下降。只有Q↑，N↑同时提高，PG才不会大大下降，KLa↑。C.通气、搅拌的关联对KLa的影响操作条件kLa的影响因素sGLWVPKaKlg)(lglg表观空气速度与KLa的关系操作条件kLa的影响因素A.表面活性剂的影响气液界面厚度↑,1/kL↑,kL↓气泡变小↓,a↑低浓度表面活性剂时,以a为主,KLa↑添加至一定量时,kL降至最低,KLa下降显著再继续增加时，kL维持最低水平不再下降，而a↑↑，此时KLa从最低点有所回升表面活性剂的浓度↑KLa受两种趋势影响发酵液的性质kLa的影响因素表面活性剂月桂基磺酸钠（NaLSO4）浓度对KLa、KL和da的影响发酵液的性质kLa的影响因素B.离子强度对KLa的影响电解质溶液浓度↑,则气泡变小↓,a↑,KLa↑;有机溶质浓度↑,则气泡变小↓,a↑,KLa↑∴电解质溶液浓度↑，传氧特性好(KLa↑),溶氧特性C*E↓差.具体的，离子强度I影响KLa公式中的α,β,k值.I=0～0.4时,α=0.40+0.862I/(0.274+I),且I↑,常数k↑.I0.4时,α=0.9,k值不再变化.β也随I增大而增大，但I对β的影响较小，β在0.35~0.39之间变化，不如α变化大.发酵液的性质kLa的影响因素sGLWVPkaK)(C.菌体浓度细胞浓度x↑，KLa↓(∵μ↑)菌丝浓度对KLa的影响发酵液的性质kLa的影响因素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：xQCCKOTRdtdC2OLLaLC*-CL温度、溶质、溶剂、氧分压KLa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γ2.溶解氧对发酵的影响（1）溶解氧对生长的影响临界氧浓度（CCr）：当时,当时,∴对生长应满足,但并不是越高越好CrLCCm2O2OQQCrLCCm2OL0Lm2O2OQCKCQQ呼吸抑制呼吸不受抑制CrLCC指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度。（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，CL过高或过低，对合成都不利。e.g.卷须霉素：12~70h之间，维持CL在10%比在0或45%的产量要高。QO2(QO2)mCcrCLPCmCL生长阶段要求CLCCr，生产阶段满足CL≥Cm。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