页数：63页文件大小：4.34 MB来源： 发酵工程ppt课件
本课件讲解发酵过程中的氧供需，先给出比耗氧速度与摄氧率等需氧物理量，再展开氧的传递方程与平衡，进而分析影响体积溶氧系数的因素，最后介绍溶氧参数的测定与控制实例。
氧的供需及对发酵的影响：溶氧(DO)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，而溶氧往往是最易成为控制因素。
在28℃氧在发酵液中的100％空气饱和浓度只有0.25 mmol·L⁻¹左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中的溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。
氧的供需及对发酵的影响
第一节 微生物对氧的需求 一、描述微生物需氧的物理量
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
图示CL与CCr的关系及QO2随溶氧浓度变化的曲线。
一般对于微生物：CCr＝1～15%饱和浓度。
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。
问题：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？
例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O₂·L⁻¹·S⁻¹计，0.25/0.052=4.8秒。
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件常常不一样——头孢菌素：生长5%（相对于饱和浓度），产物>13%；卷须霉素：生长13%，产物>8%。
氧对鱼类的影响：以鲤鱼、鲢鱼、鲫鱼为例，对照其窒息点（相当于饱和浓度的百分比与mmol/l）与测定水温。
说明：原页为三列数据表（品种、窒息点、水温），源文件文字与数值严重粘连，无法安全切分为列对齐的表格，此处按原页意图作文字概述，建议对照原课件图片核对后补充为表格。引自胡隐昌，《水产养殖》，2003。
三、影响需氧的因素：r = QO2·X
第二节 反应器中氧的传递 一、发酵液中氧的传递方程
图示气膜与液膜两侧的分压P、Pi与浓度C、Ci的分布。
C*＝P*H，即与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度；Kl为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）：
二、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。
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面。
三、供氧的调节：CL有一定的工艺要求，所以可以通过KLa和C*来调节，其中C*＝P*H。
调节KLa是最常用的方法，KLa反映了设备的供氧能力，不同的设备供氧能力不一样。
| 设备规模 | 搅拌速度 (rpm) | 供氧速率 |
|---|---|---|
| 45升 | 250 | 7.6 |
| 1吨 | 120 | 10.7 |
| 10吨 | 120 | 20.1 |
第三节 影响KLa的因素：KLa反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。
一、影响摇瓶KLa的因素为装液量和摇瓶机的种类。
装液量，一般取1/10左右：250ml装15-25 ml、500ml装30 ml、750ml装80 ml。
例：500 ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响
| 装液量 (ml) | 酶活力 |
|---|---|
| 30 | 713 |
| 60 | 734 |
| 90 | 253 |
| 120 | 92 |
二、影响发酵罐中KLa的因素：本节讨论通风搅拌发酵罐中影响体积溶氧系数的各项因素。
已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下成立相应的KLa经验关联式。
KLa的经验关联式：以搅拌功率与通气量等参数表达的体积溶氧系数关联式。
已知在通风搅拌发酵罐中，全挡板条件下：KLa 与搅拌功率、通气量之间存在经验关联关系。
1、理论上分析KLa与通气量：提高搅拌，调节KLa的效果显著。
例：某一产品的发酵
| d | n | p₀/v | c | 产量 |
|---|---|---|---|---|
| 450 | 180 | 1.62 | 20% | 4978 |
| 450 | 280 | 2.12 | 40% | 5564 |
| 550 | 180 | 2.61 | 60% | 8455 |
例：黑曲霉生产糖化酶
| n | 通气比 | 产量 |
|---|---|---|
| 230 | 1:0.8 | 1812 |
| 230 | 1:1.2 | 2416 |
| 270 | 1:0.8 | 2846 |
提高d、n显著提高C，提高了产量；提高N比提高Q有效。
对于转速的调节有时是有限度的，通风的增加也是有限的：蒸发量大，中间挥发性代谢产物带走。
例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培养，比色法测定产量：通气量较小阶段OD值提高，通气量继续增大后产量下降。
说明：原页为通气量与OD值的对照数据，源文件数值严重粘连，无法安全切分为列对齐的表格，此处按原页「提高—下降」的结论作文字概述，建议对照原课件图片核对后补充为表格。
所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的。
3、小型发酵罐和大型发酵罐调节KLa的特点
4、生物反应器放大的基本思想：小型反应器和大型反应器的差异在于传动、传热、传递，以及生物反应过程中的剪切、混合、供氧。
生物反应器放大中的差异：小型与大型反应器在混合、传质与剪切环境上的差别示意。
箭叶与平叶搅拌桨：两种常用搅拌桨的型式对比。
不同搅拌桨对菌体浓度的影响：图示箭叶与平叶两种搅拌桨下菌体浓度随发酵时间的变化曲线。
发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化
平叶与箭叶的发酵结果对比：庆大霉素的生产水平提高了40%以上。
搅拌桨与流场：不同搅拌桨型式下反应器内流场与混合效果示意。
反应器流场模拟：搅拌反应器内流场、混合与供氧分布的模拟结果。
计算流体力学：用CFD方法对反应器内的流动、混合与传质过程进行数值模拟。
发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似。当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败（供氧、混合、剪切）。
计算流体力学的应用研究
引自张嗣良，《中国生物工程杂志》，2005。
根据r、KLa、搅拌桨特性→搅拌功率：KLa、N、D（搅拌功率）与Q（通气量）之间的大小对应关系。
5、影响KLa的其它因素
空气分布器：不同型式的空气分布器对气泡分散与传氧效果的影响。
通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧阻力，从而提高传氧效率（Menge et al., 2001；Lowe et al., 1998）。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧载体（oxygen-vector）。
通常使用的氧载体主要有：液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。
溶氧水平提高，虾青素合成增加：图示溶氧水平与虾青素合成量之间的正相关关系。
读书报告：溶氧对发酵的影响及其控制
第四节 CL、r和KLa的测定 一、CL的测定 1、化学法：以碘量法测定溶解氧，I₂ + 2… 的反应体系。
2、溶氧电极
极谱型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，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响，这点正是原电池型电极所不具备的。
原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5～30μA（主要取决于阴极的表面积和测试温度），可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录仪上便可直接使用。
二、r的测定 1、物料衡算
r = 流量×（进口空气中氧的氧含量－出口空气中的氧含量）/发酵液体积
氧的浓度可用氧分压仪测定。
2、溶氧电极：停止供气时，dCL/dt = －r，由溶氧浓度随时间的下降速率即可求出摄氧率。
三、KLa的测定 1、亚硫酸盐法（冷膜）：利用氧→亚硫酸钠的氧化反应，KLa·C* = 亚硫酸浓度的降低速率。
在Cu²⁺催化下：2Na₂SO₃+O₂→2Na₂SO₄
2、平衡法：KLa = r/(C*-CL)
例：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为1VVM（标态），发酵液的CL＝25%、空气进入时的氧含量为21%，废气排出的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的KLa。
3、动态法：通过动态响应过程求取KLa。
不同的测定方法得出的KLa是不一样的。
第五节 溶氧浓度的变化及其控制 一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定KLa下）：菌体浓度X、摄氧率r与QO2、溶氧CL随时间变化，一般有一个低谷，出现在对数生长的末期。
分批发酵中溶氧变化的实例曲线：图示发酵过程中溶氧与摄氧率的实测变化。
引自《华东理工大学学报》，2000。
发酵过程的在线参数
结论：当OUR(r)与DO反向变化时，表明其限制因素为细胞水平的菌体代谢问题；当OUR(r)与DO同向变化时，表明其限制因素为工程水平的氧传递问题，此时溶氧处于临界氧以下。
这一结论可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的制约因素。
二、发酵过程中溶氧的控制 1、溶氧控制的策略
微生物反应：S → P + X，π = a+bμ
溶氧控制的策略示意：菌体生长与产物合成两个阶段对溶氧的需求不同，需分段控制。
菌体生长期：涉及酶系统Ⅰ与酶系统Ⅱ。关键因子：开始时的细胞生长，之后的细胞产物合成。
产物形成期：底物→产物，由酶系统Ⅱ催化，属于反应动力学问题。
发酵过程的控制一般策略：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。
2、溶氧控制的实例：谷氨酸发酵（GA、X、DO）
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。
例：生产肌苷酸，通气量不变时24小时增加为17.15 mg/ml、30小时增加为22.55 mg/ml、36小时增加为18.25 mg/ml、更晚增加为12.34 mg/ml。
例：哈药青霉素发酵的工艺研究
引自杜文双，《中国抗生素杂志》，2002。
三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}