第七节 溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧对发酵的影响及其控制
QO2
C临界
CL
满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度(c临界),当溶 氧溶度(cL)高于菌体生长的临界溶氧浓度(c临界)时,菌体 的各种代谢活动不受干扰,反之则反。
一般好氧微生物的c临界很低,大约为饱和氧浓度1%~25%。
定义:氧饱和度=发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
提高罐压
Pi增加则与之平衡的Ci也会增加,对提高(c* - c) 是有一定作用的。
利用纯氧,可以提高(c* - cL)
缺点:价格较高 易引起爆炸
可见,提高KLa最有效的方法是提高N与Vs,并 协调两者之间的关系,其他方法效果不大,且受 限制较多。
2、发酵液的需氧量
发酵液的需氧量(OUR),受c(X) 、基质的种
式中
KL
(c
cL
)
OTR-氧由气相向液相的传递速率(传氧速率,
oxygen take rate),mmol O2 /(L·h);
KLα-液相体积氧传递系数,1/h;
c*-液相饱和溶氧浓度,mmol O2 /L;
cL-液相实际溶氧浓度,mmol O2 /L;
OUR-菌的耗氧速率(摄氧速率,oxygen uptake
但不能够无限的增加通风量,研究表明,当通风量 增加到一定的量后,(Pg/V)会随着Q的增加而下 降。
也就是说单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下 降,不但不能提高kLa,甚至会造成kLa值的下降。
(2)提高(c* - cL),即氧传递动力
c*,改变c*是没有太大的余地的。因为,发酵温 度、浓度等严格的受到菌体生长和发酵工艺的限 制。
OTR = kLa×(P*-P)
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
• 此方法只是近似测量溶氧的方法。
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
2.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 因:耗氧或供氧出现了异常因素或 发生了障碍
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
溶氧异常下降的原因有哪些?
• 污染好气性杂菌 • 菌体代谢发生异常现象 • 某些设备或工艺控制发生故
障或变化
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧对发酵的影响 及控制
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
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%的空气饱 和浓度只有0.25mmol.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, 发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭,使溶氧 成为限制因素。
r= QO2 .X
X指发酵液的菌体浓度,单位为(g干菌体/L)
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
• 微生物对氧的需求
QO2
CCr
CL
CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。
第七章溶解氧对发酵的影响及控制
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 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 生物生长有利。
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 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 若污染了烈性噬菌体: 产生菌尚未裂解,呼吸就受到抑制→溶氧 明显上升 菌体破裂会完全失去呼吸能力→溶氧直线 上升
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及其控制The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth (Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation. According to the demand of dissolution characteristics and microbial oxygen on oxygen, analysis of the effects of dissolved oxygen on the fermentation and the effect on fermentation, and then determine the control of dissolved oxygen in the fermentation broth and transfer, the maximum production efficiency.Compared with normal PID controller, the new controller is of small overshoot and quick response, improved stability of the system andincrease the yield of products. Study the influence of dissolved oxygen and controlling the fermentation to improve production efficiency, improve product quality, etc. are important.溶氧浓度(DO)作为发酵控制中的一个关键参数,直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本,受到工业生产和实验室研究的重视,无论是厌氧还是需氧发酵,研究发酵液中溶氧对发酵的影响都有重要意义。
07 第七章 发酵工艺过程控制 20171024 课后
第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料(基质浓度)控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容:最佳工艺条件的优选(即最佳工艺参数的确定)以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。
•过程控制的目的:就是要为生产菌创造一个最适的环境,使所需要的代谢活动得以最充分的表达,以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素:菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理:T 、Ws化学:pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素:生物热机械搅拌热散热因素:蒸发热辐射热7(1)生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中,菌体不断利用培养基中的营养物质,将其分解氧化产生能量,一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量,另一部分以热的形式散发,这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素:菌株发酵类型、培养基、发酵时期8生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2好氧:产生287.2千焦耳热量,–183千焦耳转变为高能化合物–104.2千焦以热的形式释放厌氧:产生22.6千焦耳热量,–9.6千焦耳转变为高能化合物–13千焦以热的形式释放9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关:1.在培养初期,菌体处于适应期,菌数少,呼吸作用缓慢,产生热量较少。
发酵工艺控制(溶氧)
(2)、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL,可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa,使发酵液中的CL降低。但是,发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界,否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备,其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一,故此种方法亦不理想。
(一)影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL),就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度:降低温度
B、溶液的性质:一般来说,发酵液中溶质含量越高,氧的溶解度越小。
C、氧分压:在系统总压力小于0.5MPa时,氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加,溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因,是由它们的生物合成途径不同所引起的,不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H,当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的,产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多,供氧愈多,合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统,产生的NADH量不多,因而与供氧量关系不明显。第三类,如苯丙氨酸的合成,并不经TCA循环,NADH产量很少,过量供氧,反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知,供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面,在界面的气泡一侧存在着一层气膜,在界面液体一侧存在着一层液膜,气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态,分子之间无对流运动,因此氧分子只能以扩散方式,即借助于浓度差而透过双膜,另外,气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态,称为气流主体,在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同,液流主体亦如此。
溶解氧对微生物发酵的影响及其控制
溶解氧对微生物发酵的影响及其控制一、溶解氧对发酵的影响在发酵过程中,影响耗氧的因素有以下几方面:⑴培养基的成分和菌浓显著影响耗氧培养液营养丰富,菌体生长快,耗氧量大;菌浓高,耗氧量大;发酵过程补料或补糖,微生物对氧的摄取量随之增大。
⑵菌龄影响耗氧呼吸旺盛时,耗氧量大。
发酵后期菌体处于衰老状态,耗氧量自然减弱。
⑶发酵条件影响耗氧在最适条件下发酵,耗氧量大。
发酵过程中,排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨,也有利于提高菌体的摄氧量。
在25℃,0.10MPa下,空气中的氧在水中的溶解度为0.25mmol /L,在发酵液中的溶解度只有0.22mmol/L,而发酵液中的大量微生物耗氧迅速(耗氧速率大于25~100mmol/L·h)。
因此,供氧对于好氧微生物来说是非常重要的。
在好氧发酵中,微生物对氧有一个最低要求,满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度(criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration),用c临界表示。
在c临界以下,微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。
一般好氧微生物c临界很低,约为0.003~0.05mmol/L,需氧量一般为25~100mmol/(L·h)。
其c临界大约是氧饱和溶解度的1%~25%。
当不存在其他限制性基质时,溶氧高于c临界,细胞的比耗氧速率保持恒定;如果溶氧低于c临界,细胞的比耗氧速率就会大大下降,细胞处于半厌氧状态,代谢活动受到阻碍。
培养液中维持微生物呼吸和代谢所需的氧保持供氧与耗氧的平衡,才能满足微生物对氧的利用。
液体中的微生物只能利用溶解氧,气液界面处的微生物还能利用气相中的氧,故强化气液界面也将有利于供氧。
溶氧是好氧发酵控制最重要的参数之一。
由于氧在水中的溶解度很小,在发酵液中的溶解度更小,因此,需要不断调整通风和搅拌,才能满足不同发酵过程对氧的需求。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
溶氧对发酵的影响及其控制
溶氧对发酵的影响及其控制摘要:发酵液中的溶氧浓度(Dissolved Oxygen,简称DO)是影响发酵的关键因素,对微生物的生长和产物形成有重要的影响。
要根据氧的溶解特性及微生物对氧的需求,分析溶氧对发酵的影响及对发酵产物的影响,进而确定溶氧量的控制及在发酵液中的传递,使生产效益最大化。
关键词:溶氧发酵代谢溶氧量控制传递Abstrac t: The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth (Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation. According to the demand of dissolution characteristics and microbial oxygen on oxygen, analysis of the effects of dissolved oxygen on the fermentation and the effect on fermentation, and then determine the control of dissolved oxygen in the fermentation broth and transfer, the maximum production efficiency.Key words: dissolved oxygen; fermentation; metabolism;Dissolved oxygen control transfer溶氧浓度(DO)作为发酵控制中的一个关键参数,直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本,受到工业生产和实验室研究的重视,无论是厌氧还是需氧发酵,研究发酵液中溶氧对发酵的影响都有重要意义。
第七节 溶解氧对发酵的影响及控制
一、溶解氧浓度对发酵的影响
1、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 呼吸强度: /g干菌体 干菌体·h 呼吸强度:QO2(mmol O2/g干菌体 h) • 耗氧速率:r (mmol O2/L h) /L·h 耗氧速率:
r = QO2 • X
---发酵液中菌体浓度,(kg/m 发酵液中菌体浓度,( X ---发酵液中菌体浓度,(kg/m3);
• 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度,为了计算 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度, 方便,通常情况下,改用总传质系数和总推动力表示, 方便,通常情况下,改用总传质系数和总推动力表示, 在稳定状态时, 在稳定状态时,有:
N o 2 = K L (c − cL ) = K G ( p − p )
N = K Lα ( c − c L )
*
N:氧的传递速率[kmol/(m3·h)]; :氧的传递速率 ( ); KLa:以浓度差为动力的体积溶氧系数(h-1); :以浓度差为动力的体积溶氧系数( KGa:以分压差为动力的体积溶氧系数 :以分压差为动力的体积溶氧系数[kmol/(m3·h·M pa)]; ( ); cL:发酵液中氧浓度(kmol/m3); 发酵液中氧浓度( c*:与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度(kmol/m3); 平衡的发酵液氧浓度( :与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 p:气相中氧分压(M Pa); :气相中氧分压( ); p*:与液相中氧浓度 平衡的氧分压(M Pa); 平衡的氧分压( :与液相中氧浓度c平衡的氧分压 ); H:亨利常数(m3·M Pa/kmol) :亨利常数( )
1 1 H 所 : = 以 + KG kG kL
同样的方法可得出K 的表达式: 同样的方法可得出 L的表达式:
溶氧对发酵的影响及控制
溶氧对发酵的影响及控制好氧微生物细胞分散在培养液中,只能利用溶解氧,但是氧是一种难溶气体,并且培养基中一般含有大量的有机物和无机盐,由于盐析等作用造成氧在培养基中的溶解度更低,因此在好氧微生物的发酵过程中,氧的供应往往是成功与否的重要限制因素之一。
一般来说,在大规模发酵生产中,通常采用深层培养方式,氧的提供是给培养中的微生物通入无菌空气来进行。
此时需要不断通风和搅拌,才能满足不同发酵过程对氧的需求,而且为了提高供氧效率,还必须控制搅拌速率。
溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。
如谷氨酸发酵,供氧不足时,谷氨酸积累就会明显降低,产生大量乳酸和琥珀酸。
改变通气速率发酵前期菌丝体大量繁殖,需氧量大于供氧,溶氧出现一个低峰。
在生长阶段,产物合成期,需氧量减少,溶氧稳定,但受补料、加油等条件大影响。
补糖后,摄氧率就会增加,引起溶氧浓度的下降,经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。
如继续补糖,又会继续下降,甚至引起生产受到限制。
发酵后期,由于菌体衰老,呼吸减弱,溶氧浓度上升,一旦菌体自溶,溶氧浓度会明显上升。
好氧微生物的酶的活性对氧有着很强的依赖性。
以谷氨酸发酵为例,高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低,产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。
[1 ]下图1 和图2 所示的分别是在不同溶氧条件下的谷氨酸发酵的谷氨酸浓度和乳酸浓度的变化曲线图。
从图1 中可以看出,溶氧水平对谷氨酸发酵中谷氨酸的生成量有很大的影响。
低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,谷氨酸生成速度明显比高溶氧(DO = 50 %) 条件下要高,并且最终谷氨酸浓度也比高溶氧条件下的高;从图2 可以看出,低溶氧(DO = 10 %) 控制条件下,主要代谢副产物乳酸的生成速度比高溶氧条件下要高出许多,乳酸积累量也很大,而高溶氧条件下则积累很少。
溶氧对发酵的影响及控制读书报告
溶氧对发酵的影响极其控制的读书报告摘要:发酵液中的溶氧浓度(Dissolved Oxygen,简称DO)是影响发酵的关键因素,对微生物的生长和产物形成有重要的影响。
在发酵过程中,必须供给适量的无菌空气,菌体才能繁殖和积累所需代谢产物,因此,了解溶氧对发酵的影响极其控制对微生物发酵有重要意义。
关键字:溶氧、发酵、溶氧控制Abstrac t: The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth (Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation.During fermentation, it is necessary to supply the right amount of aseptic air, bacteria can multiply and accumulate the metabolites, therefore, to understand the effects of dissolved oxygen on fermentation extremely control microbial fermentation has important significance. Key words: dissolved oxygen, fermentation, dissolved oxygen control一、微生物对氧的需求好氧微生物的的生长发育和合成代谢产物都需要消耗氧气,它们只有在氧分子的存在下才能完成生物氧化作用,因此,供氧对微生生物必不可少。
微生物的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的溶氧浓度有一个最低要求,这一溶氧浓度叫做临界氧浓度。
发酵工程 第7章 溶解氧对发酵的影响及其控制
2009年6月9日
2
(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
2009年6月9日
3
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。
KLa
k(
PG V
)
Ws
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以小型罐中牛顿型流体测定的结果为例:
KLad 2 DL
=0.06( Nd 2 )1.5
( N 2d )0.19 g
(
DL
)0.5
(Ws
)0.6
( NDi )0.32 Ws
合并化简得:
KLa=0.0 6
N
2.2d
D W 1.51 0.5 0.28 Ls
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。 CL> Ccr,QO2 保持恒定 CL< Ccr, QO2 大大下降
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发酵行业用空气饱和度(%)来表示DO含量的单位
第八章 发酵过程控制
2009年6月9日
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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
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略
好氧发酵过程中溶氧的影响因素和控制策略好氧发酵是指在氧气的存在下,通过微生物来进行发酵过程。
溶氧的含量和控制在好氧发酵中起着非常重要的作用。
本文将从溶氧的影响因素和控制策略两个方面对其进行详细阐述。
一、影响因素1.溶氧供应速率:溶解氧的供应速率是影响好氧发酵过程中溶氧含量的关键因素之一、溶氧供应速率过低会导致微生物无法充分利用氧气,影响发酵产物的生成效率。
而供氧速率过高则容易导致增氧设备能耗增加,设备投资成本增加。
2.发酵液的搅拌强度:搅拌强度对于好氧发酵过程中溶氧含量的影响也是十分重要的。
搅拌强度越大,气液传质越充分,溶氧含量越高。
因此,合适的搅拌强度对于保持溶氧含量在适宜范围内非常重要。
3.液体温度:液体温度对微生物的生长和代谢过程有着重要影响。
通常情况下,液体温度越高,微生物的代谢速度越快,溶氧含量也会有所提高。
4.液体的粘度:液体的粘度也会影响溶氧的含量。
当液体粘度较高时,气液传质受到一定程度的限制,溶氧含量可能会下降。
5.液面高度:好氧发酵过程中,液面高度对于溶氧的传输也有一定的影响。
通常情况下,液面越低,气液交换的面积越小,氧气的传输也越有限。
二、控制策略1.调整气体供给:增加气体供给速率是提高好氧发酵中溶氧含量的有效方法之一、可以通过增大气体流量或增加氧气浓度来实现。
2.调节搅拌强度:根据具体情况,合理调节搅拌的转速和时间,以改善气液传质效果,提高溶氧效率。
同时,选择合适的搅拌设备和搅拌方式也是重要的。
3.控制液体温度:通过调节发酵液的温度可以控制微生物的生长速率和代谢过程。
通常情况下,将温度保持在适宜范围内,如30-37摄氏度,可以提高好氧发酵中的溶氧含量。
4.添加表面活性剂:表面活性剂能够降低液体的表面张力,促进气体在液体中的传质。
适量添加表面活性剂可以提高好氧发酵中的溶氧含量。
5.优化好氧反应器的设计:根据不同的发酵工艺和物料特性,对好氧反应器进行合理的设计,包括反应器的体积和形状、进气和搅拌装置等,以提高氧气的传质效果,保持适宜的溶氧含量。
溶氧对发酵的影响及其控制
溶氧对发酵的影响及其控制发酵影响因素很多,其中发酵液中的溶氧浓度是最关键因素。
发酵液中的溶氧浓度,简称OD,对微生物的生长和产物形成有重要的影响。
在发酵过程中,必须供给适量的无菌空气,菌体才能繁殖和积累所需代谢产物。
不同菌种及不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的,发酵液的DO值直接影响微生物的酶活性、代谢途径及产物产量,要根据氧的溶解特性及微生物对氧的需求,分析溶氧对发酵的影响及对发酵产物的影响,进而确定溶氧量的控制及在发酵液中的传递,使生产效益最大化。
溶解氧是指溶解于水中分子状态的氧, 是一种难溶气体,在常压、25℃的条件下,空气中的氧在纯水中的溶解仅约为0.25mmol/L,好氧微生物细胞分散在培养液中,只能利用溶解氧。
但是,氧是一种难溶气体,并且培养基中一般含有大量的有机物和无机盐,由于盐析等作用造成氧在培养基中的溶解度更低,此外,溶氧浓度会随着温度、气压、盐分的变化而变化。
一般说来,温度越高,溶解的盐分越大,水中的溶解氧越低;气压越高,水中的溶解氧越高。
好氧微生物生长和代谢均需要氧气,因此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要,在不同的环境条件下,各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。
微生物的吸氧量常用呼吸强度和摄氧率两种方法来表示。
发酵前期菌丝体大量繁殖,需氧量大于供氧,溶氧出现一个低峰。
在生长阶段,产物合成期,需氧量减少,溶氧稳定,但受补料、加油等条件大影响。
补糖后,摄氧率就会增加,引起溶氧浓度的下降,经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。
如继续补糖,又会继续下降,甚至引起生产受到限制。
发酵后期,由于菌体衰老,呼吸减弱,溶氧浓度上升,一旦菌体自溶,溶氧浓度会明显上升。
因此在好氧微生物的发酵过程中,氧的供应往往是成功与否的重要限制因素之一。
在需氧微生物发酵过程中影响微生物需氧量的因素很多,除了和菌体本身的遗转特性有关外,还与培养基、菌龄及细胞浓度、培养条件、有毒产物的形成及积累、挥发性中间产生的损失等因素相关。
溶氧对赖氨酸发酵工艺的影响及控制措施
溶氧对赖氨酸发酵工艺的影响及控制措施摘要:文章简述了赖氨酸的发展现状,包括赖氨酸的化学名称、作用,赖氨酸生产工艺先后经历的四个阶段,并对发酵法生产赖氨酸工艺的特点进行分析。
阐述了溶解氧含量在赖氨酸发酵工艺中的重要性,并分析了影响溶解氧含量的因素,列举了赖氨酸发酵过程中溶解氧异常情况及其处理措施。
关键词:赖氨酸发酵工艺溶解氧浓度能量代谢控制Abstract: This paper introduces the development status of lysine, comprising lysine chemical name, role, lysine production technology has experienced four stages. Elaborated the content of dissolved oxygen in lysine fermentation process in importance, and analyzed the influence factors of dissolved oxygen content, enumerates the lysine fermentation process of dissolved oxygen in the abnormal condition and its treatment measures.Key words: lysine fermentation process dissolved oxygen energy metabolism control1、赖氨酸发酵工艺的发展赖氨酸的化学名称为2,6-二氨基己酸,有L型和D型两种光学异构体。
L-赖氨酸是人和动物营养的8种必须氨基酸之一,它对调节体内代谢平衡,提高体内对谷类蛋白质的吸收,促进生长发育均有重要作用。
其生产工艺先后经历了水解、合成、酶法和发酵法四个阶段,生产工艺越来越复杂,生产效率越来越高。
有机酸工艺学-溶解氧对发酵的影响及其控制
A. 酸碱调节,使蛋白质与盐或离子形成沉淀。
在酸性溶液中,蛋白质与一些阴离子,如三氯乙酸盐、水 杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉 淀;
在碱性溶液中,蛋白质与一些阳离子,如Ag+、Cu2+、 Zn2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。
2. 变性法
① 加热, ② 大幅度调节pH值, ③ 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
磷酸盐浓度的控制,一般是在基础培养基中采用适当的浓度。
柠檬酸发酵终点控制:
• 当通风搅拌培养50-72H柠檬酸产酸达140-180G/L,柠檬酸产量不再上升, 残糖降至2 G/L以下,可升温终止发酵,泵送至储罐中,及时进行提取。
1. 发酵温度为36±1℃。 2.PH5.0, 3.溶氧控制通风搅拌 通风量0.08-0.15M3/M3MIN。50M3罐搅拌器3挡,转速90-100R/MIN 4.发酵终点控制 残糖降至2 G/L以下,每两小时产酸不增加。
工业上使用的絮凝剂可分为三类:
1)有机高分子聚合物,如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙 烯类衍生物; 2)无机高分子聚合物,如聚合铝盐、聚合铁盐等; 3)天然有机高分子絮凝剂,如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、 明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等。
目前最常见的高分子聚合物絮凝剂
有机合成的聚丙烯酰胺(polyacrylamide)类衍生物
1.降低液体粘度
根据流体力学原理,滤液通过滤饼的速率与液体的粘度成反比,降低 液体粘度(加水稀释法和加热法等)可有效提高过滤速率。注意加热 温度与时间,不影响产物活性和细胞的完整性。
2.调整pH
pH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质,适当调节pH值 可改善其过滤特性。氨基酸、蛋白质等电点的调节;在膜过滤中,发酵 液中的大分子物质易与膜发生吸附,通过调整pH值改变易吸附分子的电 荷性质,即可减少堵塞和污染;细胞、细胞碎片及某些胶体物质等在某 个pH值下也可能趋于絮凝而成为较大颗粒,有利于过滤的进行。
发酵过程的控制
【例】: 在GA(谷氨酸)发酵的合成期,过量供氧会使NADPH(还原型辅酶Ⅱ)进入呼吸链被氧化,减少了其数量,而NADPH与α-KGA(α-酮戊二酸)的还原氨基化是相偶联的,必然会影响α-KGA →GA的合成。
要指出的是,需氧发酵并不是溶解氧越高越好,适宜的溶氧水平有利于菌体生长和产物形成。但溶氧太高,有时反而抑制产物的形成。即使是专性好气菌,过高的DO对生长也可能不利。因为过量的氧会形成新生态[O]、活性氧自由基 O2 ·和 OH· ,造成许多细胞组分破坏,反而不利于微生物的生长。 发酵过程需氧程度产生差异的原因是:微生物的代谢途径不同所引起的。由于不同代谢途径产生不同数量的还原型NAD(P)H,它再氧化所需要的溶氧量当然也不同。由此可知,供氧大小与产物的生物合成途径有关。
三、发酵过程氧的传质理论
(一)氧从气泡至细胞的传递过程
供氧:空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中。
耗氧:氧从液相主体通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内,才能被微生物利用。 以上氧传递的整个过程必须克服一系列的阻力。
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
O2
气膜
发酵罐的温度传感器、耐高温pH和溶氧传感器
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气,它们只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此,供氧对需氧微生物是必不可少的,在发酵过程中必须供给适量无菌空气,才能使菌体生长繁殖、积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中,因此,微生物只能利用溶解于液体中的氧。 溶氧(Dissolved Oxygen , DO)是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素,而溶氧往往是制约发酵进行的重要限制因素。
一、溶氧对发酵的影响 氧对微生物发酵的影响是多方面的,不同的菌、不同的发酵阶段对于氧的要求也不相同,氧对其的影响也不相同,表现如下: 1、影响菌系的酶活性 在微生物的代谢过程中,许多参与催化脱氢氧化反应的酶都是以NAD(P)为辅酶的,NAD(P)的数量是保证酶活力的基础。NAD(P)作为H的受体,脱氢后成为还原的NAD(P)H。NAD(P)H只有在有氧条件下才能通过呼吸链被氧化,生成氧化型NAD(P)后又重新参加脱氢反应,一旦发酵液中的氧的浓度不够,与NAD(P)相关的酶促反应就会停止。
第七章 发酵过程的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三.发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响,如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大,体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中,CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多,因此,一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一.二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡,使发酵液的 pH值下降,或与其他化学物质发生化学反 应,或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因,造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二.呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量,即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液, 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下,摄氧率越大, 呼吸商越大,发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性,使得发酵过程的控制较为复杂, 目前生产中较常见的参数主要包括:温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
发酵工艺控制讲义——氧对发酵的影响及控制
发酵工艺控制讲义——氧对发酵的影响及控制氧是发酵过程中重要的因子之一,对发酵的影响及其控制具有重要意义。
本文将从氧对发酵的影响、氧的供给方式以及氧的控制等方面进行讲解。
发酵过程中,微生物需要通过氧气来进行呼吸作用,产生能量。
氧气的供给不足或过量都会对发酵过程产生一定影响。
首先,缺氧对发酵过程会产生不利影响。
微生物进行发酵作用时,需要大量的氧气来满足能量需求。
如果氧气供给不足,会导致微生物代谢和生长速率减慢,进而影响发酵产物的生成。
此外,缺氧还会导致乳酸、乙醇等代谢产物的积累增加,影响发酵过程的效率和产物品质。
其次,过量氧气也会对发酵产生负面影响。
过量的氧气会导致微生物产生过多的氧自由基,从而加速细胞氧化损伤的发生,降低细胞代谢的活性。
此外,过量的氧气还容易引起微生物DNA的氧化损伤,降低细胞的生存能力。
针对氧对发酵的影响,发酵过程中需要进行氧的供给和控制。
氧的供给方式可以通过气体通气或溶氧控制来实现。
气体通气是通过将氧气通入反应器中,供给微生物所需的氧气量。
气体通气的主要优点是供给灵活、操作简单。
但是,在气体通气过程中,氧气的传质效率较低,容易产生氧催化剂,进而加速微生物氧化损伤的发生。
溶氧控制是通过调整溶解氧的含量来控制氧的供给。
溶氧控制可以通过调整搅拌速度、改变气体通气速率等方式来实现。
溶氧控制的优点是能够更加准确地控制氧的供给量,避免过量或不足。
但是,溶氧控制需要较为复杂的设备和操作步骤,成本较高。
在发酵工艺中,可以根据具体情况选择合适的氧供给方式和控制策略。
对于一些需求较高氧气的发酵过程,如酒精发酵、乳酸发酵等,通常会采用气体通气供氧;而对于一些对氧敏感的发酵过程,如抗生素发酵、干酪起始菌发酵等,通常会采用溶氧控制的方法。
总而言之,氧是发酵过程中重要的因子之一,对发酵的影响及其控制具有重要意义。
合理的氧供给和控制策略,可以提高发酵过程的效率和产物品质,是发酵工艺控制中不可忽视的一环。
最佳氧的供给和控制方式需要根据具体发酵过程的要求而定,需要深入研究和实践。
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2、微生物的临界氧浓度(C临界) 微生物的临界氧浓度(
菌体进行某种生理活 动时, 动时,对发酵液中溶氧 浓度的最低要求; 浓度的最低要求; 不同菌种、 不同菌种、同种菌在 不同生理期具有不同的 C临界值; 一般来说, 一般来说, C临界为 0.003-0.05mmol/L 而r为25~100mmol/L.h 为
• 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度,为了计算 由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度, 方便,通常情况下,改用总传质系数和总推动力表示, 方便,通常情况下,改用总传质系数和总推动力表示, 在稳定状态时, 在稳定状态时,有:
N o 2 = K L (c − cL ) = K G ( p − p )
3、溶氧浓度对产物合成的影响 、
根据需氧不同,可将初级代谢发酵分为: 根据需氧不同,可将初级代谢发酵分为: 供氧充足条件下,产量最大;若供氧不足, a. 供氧充足条件下,产量最大;若供氧不足,合成受强烈 抑制; 抑制; 如:谷氨酸,精氨酸,脯氨酸等 谷氨酸,精氨酸, b.供氧充足条件下,可得最高产量;若供氧受限,产量受 b.供氧充足条件下,可得最高产量;若供氧受限, 供氧充足条件下 影响不明显; 影响不明显; 如:异亮氨酸,赖氨酸,苏氨酸等 异亮氨酸,赖氨酸, c.若供氧受限,细胞呼吸受抑制时,才获得最大量产物; c.若供氧受限,细胞呼吸受抑制时,才获得最大量产物; 若供氧受限 若供氧充足,产物形成反而受抑制; 若供氧充足,产物形成反而受抑制; 如:亮氨酸,缬氨酸,苯丙氨酸等 亮氨酸,缬氨酸,
1 1 H 所 : = 以 + KG kG kL
同样的方法可得出K 的表达式: 同样的方法可得出 L的表达式:
1 1 1 = + KL H ⋅ kG kL
对难溶气体来讲: 对难溶气KG Hk G k L
对易溶气体来讲: 对易溶气体来讲:
KG ≈ kG
• 在实际应用中,常以包含传质界面积的容积传质系数 在实际应用中, 计算,因此,在单位体积的培养液中, 计算,因此,在单位体积的培养液中,氧的传质速率 可表示为: 可表示为:
P − Pi ci − cL NO2 = = = kG ( p − pi ) = kL (ci − cL ) 1 kG 1 kL
NO2-单位接触界面的氧传递速率,kmol/(㎡ );P,Pi-气相中及 单位接触界面的氧传递速率, /(㎡·h); 气相中及 单位接触界面的氧传递速率 /(㎡ ); 气、液界面处氧的分压,MPa;CL,Ci-液相中及气、液界面处氧的 液界面处氧的分压, ; 液相中及气、 液相中及气 浓度,kmol/m3;kG-气膜传质系数,kmol/(㎡.h.MPa); kL-液膜 浓度, / 气膜传质系数, /㎡ ; 液膜 气膜传质系数 传质系数,m/h。 传质系数, 。
(1).供氧方面的阻力 ) 供氧方面的阻力
1 1 1 1 液膜; : 气膜; 气液界面; : 发酵液 气膜; k :气液界面; k : 液膜; k1 k4 2 3
1 是该过程的主要阻力 k3
(2).耗氧方面的阻力 ) 耗氧方面的阻力
1 胞外液膜; : 胞外液膜; k5
1 : 胞内传递; 胞内传递; k8
气体扩散方向
气—液界面 液界面 气相 P 空气 泡PO2 Pi
气 液 膜 膜
液相 Ci 发 酵 液 CL 液膜动力: 液膜动力:Ci-CL 阻力: 阻力:1/kL
气膜动力: 气膜动力:P-Pi 阻力: 阻力:1/kG
• 微生物发酵过程中,通入发酵罐内的氧不断溶解于培 微生物发酵过程中, 养液中,以供菌体细胞代谢之用。 养液中,以供菌体细胞代谢之用。这种由气态氧转变 成溶解态氧的过程与液体吸收气体的过程相同, 成溶解态氧的过程与液体吸收气体的过程相同,所以 可用描述气体溶解于液体的双膜理论中的传质公式表 示发酵过程氧的传质速率: 示发酵过程氧的传质速率:
1 1 细胞膜; : 菌丝丛; : 细胞膜; 菌丝丛; k6 k7
1/ k6 ,1/ k7 是该过程的主要的耗氧阻力
由此可见, 由此可见,氧从空气泡到达细胞的总传递阻力为 上述各阻力之和: 上述各阻力之和:
1 1 1 1 1 1 1 1 1 = + + + + + + + k t k1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 k 7 k 8
思考: 思考:溶氧明显下 降的原因? 降的原因? 从溶氧浓度变化如 何判断菌体生长情 况?
二、发酵液溶氧浓度的控制
• (一)、氧的传递途径与传质阻力 )、氧的传递途径与传质阻力 • 分为供氧和耗氧两方面 • 供氧:空气中的氧从空气泡里通过气膜、 供氧:空气中的氧从空气泡里通过气膜、 气液界面和液膜扩散到液体主流中。 气液界面和液膜扩散到液体主流中。 • 耗氧:氧分子自液体主流通过液膜、菌丝 耗氧:氧分子自液体主流通过液膜、 丛、细胞膜扩散到细胞内
一、溶解氧浓度对发酵的影响
1、供氧与微生物呼吸代谢产物的关系 呼吸强度: /g干菌体 干菌体·h 呼吸强度:QO2(mmol O2/g干菌体 h) • 耗氧速率:r (mmol O2/L h) /L·h 耗氧速率:
r = QO2 • X
---发酵液中菌体浓度,(kg/m 发酵液中菌体浓度,( X ---发酵液中菌体浓度,(kg/m3);
N O2
N O2
推动力 ∆pi = = 阻力 1 k i
-氧的传递通量,mol/(m2.s);∆pi-各阶段的推动力 氧的传递通量, 氧的传递通量 ; 各阶段的推动力 分压差), ),Pa; 各阶段的传递阻力, (分压差), ;1/ki-各阶段的传递阻力,N.s/mol。 各阶段的传递阻力 。
气体溶解过程: 气体溶解过程:双膜理论
• 主要是设法提高氧传递的推动力和液相 体积氧传递系数KLα。 体积氧传递系数 。 • 发酵液中氧的饱和度 主要受温度、罐 发酵液中氧的饱和度C*主要受温度、 主要受温度 压及发酵液性质的影响。 压及发酵液性质的影响。而这些参数在 优化了的工艺条件下,已经很难改变。 优化了的工艺条件下,已经很难改变。 因此, 因此,在实际生产中通常从提高氧的体 积传质系数KLα着手,提高设备的供氧 着手, 积传质系数 着手 能力。 能力。
最低通气条件) 供氧与耗氧至少必须平衡 (最低通气条件 最低通气条件
N = KLa c − cL = QO2 ⋅ X
KLa = QO2 ⋅ X c∗ − cL
(
∗
)
dcL ∗ = KLa c − cL − QO2 ⋅ X dt dcL 在 定状 下 恒 态 , =0 dt QO2 ⋅ X ∗ ⇒ cL = c − KL a
p = Hc∗ 根据亨氏定律, 根据亨氏定律,有: ∗ p = Hcl pi = Hci
的表达式可以写为: 则NA的表达式可以写为:
p − pi pi − p* p − pi H(ci − cL ) = + = + NA NA NA NA
1 p − p* = kG NA
p − pi 1 ci − cL 1 因 : = 为 , = kG NA kL NA
• 氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力,传递 氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力, 过程中的总推动力就是气相与细胞内的氧分压之差, 过程中的总推动力就是气相与细胞内的氧分压之差,这 一总推动力消耗于从气相到细胞内的各项串联的传递阻 当氧的传递达到稳态时, 力。当氧的传递达到稳态时,总的传递速率与串联的各 步传递速率相等,这时通过单位面积的传递速率为: 步传递速率相等,这时通过单位面积的传递速率为:
* *
KG-以氧分压差为总推动力的总传质系数,kmol/(㎡·h·MPa); 以氧分压差为总推动力的总传质系数, 以氧分压差为总推动力的总传质系数 /㎡ ); KL-以氧浓度差为总推动力的总传质系数,m/h;cL-发酵液中氧的 以氧浓度差为总推动力的总传质系数, 以氧浓度差为总推动力的总传质系数 ; 发酵液中氧的 实际浓度, 与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 实际浓度,kmol/m3; c*-与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度, ; 与气相中氧分压 平衡的发酵液氧浓度, kmol/m3;p-气相中氧分压,MPa;p*-与液相中氧浓度 平衡的氧分 气相中氧分压, 与液相中氧浓度c平衡的氧分 ; 气相中氧分压 ; 与液相中氧浓度 压,MPa。 。
1.传递途径 传递途径
气 胞
→气膜 气液界面 气膜→气液界面 气膜 气液界面→ 液膜→细胞膜 细胞膜→细胞 液膜 细胞膜 细胞 菌 丝 细胞膜 团
液→ 液
气液界面 气膜 发 酵 液 O2 液膜 O2 液膜 O2 细胞
问题:氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面, 问题:氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面,请 分别指出这两个过程的传氧路线? 分别指出这两个过程的传氧路线?
(
)
二、发酵液溶氧浓度的控制
氧传质方程
Nv = K l a (c * − c )
Nv:体积传氧速率 kmol/m3.h Kla: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1 为推动力的体积溶氧系数 根据气液传递速率方程: 根据气液传递速率方程: N=K Lα(c*-cL) ( 凡是影响推动力c*比表面积α 凡是影响推动力c*-cL、比表面积α和传递系数的因素 c* 都会影响氧传递速率。 都会影响氧传递速率。
Ccritical
Dissolved Oxygen Concentration
一般微生物生长临界氧浓度是饱和浓度的1%-30%。 。 一般微生物生长临界氧浓度是饱和浓度的
某 些 微 生 物 的 临 界 氧 浓 度
温度( ) 微 生 物 温度(˚C) 临界氧浓度 (mmol/L) ) 固氮菌 30 0.018 大肠杆 菌 酵 母 产黄青 霉 37 30 24 0.008 0.004 0.022
3、溶氧浓度对产物合成的影响 、