发酵工程第7章溶解氧对发酵的影响及其控制.ppt

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1、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）。

2、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的关系概念：临界溶氧浓度Ccr微生物的比耗氧速率受发酵

3、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

4、m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

5、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75

6、0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：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。

7、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,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↓2)溶质电解质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

8、浓度,kmol/m3K—