一种预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法与流程

1.本发明涉及生物反应器技术领域，具体涉及一种预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法。


背景技术：

2.在酵母发酵中kla表征氧气从气相进入到液相的速率，影响kla的因素有许多，如液相性能、气泡大小、体系几何结构和操作参数等。由于氧气在水中的低溶解度，氧气传质速率(otr)一直是好氧微生物培养的重要参数。细胞培养过程中氧气从气泡进入细胞分为两个过程：1)从气相进入液相；2)从液相进入细胞，可以用氧气传质速率(otr)和氧气吸收速率(our)表示。对于不同类型的发酵罐，其kla也有不同的差距，因此在设计发酵罐前需要了解酵母发酵对kla的要求。测定kla可以采用化学和物理方法。
3.化学方法，通过亚硫酸盐氧化法测定kla。物理方法，常见的为动态测定模型，而此时又分为两种情况：考虑our，即在活细胞存在的条件下，一定时间内停止泵入氧气，将our和otr分割开测定。第一阶段确定our，第二阶段根据our和do在测定kla。上述测试方法较为复杂，且测试会对细胞带来一定的损伤。
4.针对上述问题，尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法。酵母发酵主要分为三个阶段：甘油培养阶段、转换阶段、甲醇诱导阶段。本方法用于发酵的第三阶段甲醇诱导阶段的氧气传质效果预测。
6.甲醇诱导阶段，甲醇在细胞中的代谢初始阶段位于细胞过氧化物酶体中，过氧化物酶体在甲醇诱导条件下会大量增殖，最多可以占据细胞内部空间的80％。甲醇利用途径中的第一步酶醇氧化酶(aox)催化甲醇氧化生成甲醛和过氧化氢(h2o2),h2o2由过氧化氢酶(cat)催化分解成h2o和o2。甲醛则有两个去处：一是进入异化途径，经甲醛脱氢酶(fld)和甲酸脱氢酶(fdh)催化生成co2并为细胞提供能量；另一部分甲醛则进入同化途径，在二羟丙酮合酶(das)的作用下，与木酮糖-5-磷酸反应生成二羟丙酮(dha)和三磷酸甘油醛(gap)，之后中心碳代谢途径，用于提供细胞生长所需要前体以及能量。总体甲醇在细胞中的代谢及蛋白合成路径复杂，因此通过甲醇燃烧消耗的氧等效代替甲醇酵母发酵过程中氧的消耗。甲醇(methanol，ch3oh)是结构最为简单的饱和一元醇，甲醇是由甲基和羟基组成的，具有醇所具有的化学性质，在纯氧中剧烈燃烧，生成水蒸气和二氧化碳。其燃烧方程式为：2ch3oh+3o2＝2co2+4h2o。
7.在一个方面，本发明提供了一种预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，包括下列步骤：
8.步骤1：获取发酵设备在发酵过程中的甲醇的补料量；
9.步骤2：根据甲醇的补料量计算耗氧量；
10.步骤3：获取发酵设备处于稳定状态时的耗氧量；
11.步骤4：根据发酵设备处于稳定状态时的耗氧量获得氧气传质速率。
12.在一些实施例中，在步骤4之后还包括步骤5：根据氧气传质速率获得kla的预测值。
13.在一些实施例中，发酵设备处于稳定状态为：dc
l
/dt＝0，其中c
l
为液相溶氧浓度。
14.在一些实施例中，根据发酵设备处于稳定状态时的耗氧量获得氧气传质速率的计算公式为：
15.otr＝our＝u
o2
16.式中，otr为氧气传质速率，our为氧气吸收速率，u
o2
为发酵设备处于稳定状态时单位时间单位体积耗氧量。
17.在一些实施例中，根据氧气传质速率获得kla的预测值的计算公式为：
[0018][0019]
式中，kla预测为kla的预测值，otr为氧气传质速率，t为发酵温度，do实际为溶解氧实际饱和度，α为修正系数。
[0020]
在一些实施例中，修正系数α的取值范围为95％-97％。
[0021]
在一些实施例中，根据甲醇的补料量计算耗氧量的计算公式为：
[0022]fo2
＝f
甲醇
×
1.5
[0023]
式中，f
o2
为单位时间耗氧量，f
甲醇
为单位时间甲醇的补料量。
[0024]
在一些实施例中，发酵设备为发酵罐。
[0025]
在另一方面，本发明还提供了上述任一预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法在发酵设备优化或发酵工艺优化中的应用。
[0026]
通过实施本发明的上述方案，可以得到以下有益效果：
[0027]
利用甲醇燃烧方程式，通过甲醇的补料量直接计算出otr，并且利用otr直接求出kla的值，为工艺的优化和发酵设备的优化提供了数据。解决了化学法、物理法测量kla值对细胞存在损伤的问题。
具体实施方式
[0028]
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
在一些实施例中，本发明提供了一种发酵设备中发酵热预测方法，采用如下步骤制得：
[0030]
首先通过补料的甲醇量，计算甲醇燃烧时所消耗的氧，已知m
甲醇
：分子质量(g/mol)、ρ
甲醇
：密度(kg/m3)、w
甲醇
：补料量(l/h)、v：发酵罐工作体积(l)。可求得甲醇的mb：单位质量摩尔数(mol/kg)、c
甲醇
:单位体积摩尔数(mol/l)、f
甲醇
：单位时间补料量(mol/h)。
[0031]
mb＝1000/m
甲醇
[0032]c甲醇
＝(ρ
×
mb)/1000
[0033]f甲醇
＝c
甲醇
×w甲醇
[0034]
根据甲醇的燃烧方程式可知，1mol的甲醇燃烧需要消耗1.5mol的氧气，且可求得f
o2
:单位时间耗氧量(mol/h)，u
o2
:单位时间单位体积耗氧量(mmol/l/h)。设备设备
[0035]fo2
＝f
甲醇
×
1.5
[0036]uo2
＝(f
o2
×
1000)/v
[0037]
由发酵体系中氧气质量平衡可知：dc
l
/dt＝otr-our；c
l
为液相溶氧浓度。根据双模理论和亨利定律,otr＝kla(c*-c),c*为溶液的饱和溶氧量，c为溶液中的溶解氧浓度。
[0038]
发酵设备处于稳态是：dc
l
/dt＝0、otr＝our＝kla(c*-c)。
[0039]
将甲醇燃烧时，单位时间单位体积耗氧量等效于发酵罐中细胞单位时间单位体积耗氧量，则otr＝our＝u
o2
,则可以求出kla。不同温度下，水中溶解氧饱和度dof＝486/(31.6+t)。
[0040]
则
[0041][0042]
α为修正系数，可以通过小试实验进行确定。
[0043]
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0044]
实施例1
[0045]
已知分子质量m
甲醇
：32g/mol、密度ρ
甲醇
：792kg/m3、补料量w
甲醇
：80l/h、发酵罐工作体积v：20000l、发酵温度t:25℃、溶解氧do:30％。
[0046]
可求得甲醇的mb：单位质量摩尔数(mol/kg)、c
甲醇
:单位体积摩尔数(mol/l)、f
甲醇
：单位时间补料量(mol/h)。
[0047]
mb＝1000/32g/mol＝31.25mol/kg
[0048]c甲醇
＝(ρ
×
mb)/1000＝(792kg/m3×
31.25mol/kg)/1000＝24.75mol/l
[0049]f甲醇
＝c
甲醇
×w甲醇
＝24.75mol/l
×
80l/h＝1980mol/h
[0050]fo2
＝f
甲醇
×
1.5＝1980mol/h
×
1.5＝2970mol/h
[0051]uo2
＝(f
o2
×
1000)/v＝(2970mol/h
×
1000)/20000l＝148.5mmol/l/h
[0052]
otr＝u
o2
＝148.5mmol/l/h
[0053]
kla
预测
/α＝(148.5mmol/l/h
×
(31.6+25)
×
32g/mol)/(468mg/l
×
(10
[0054]
0％-30％))≈821.01h-1
。
[0055]
在发酵过程中通过溶氧电极的动态法测定实际的kla，方法是先停止通入气体，在溶氧电极数值下降的过程中利用dc
l
/dt＝our，测定实际的our值，然后再恒定通入一定流量的气体，根据dc
l
/dt＝kla(c*-c)-our，带入之前求得的our值，根据溶氧的变化可以计算出实际的kla为789.22h-1
，该方法预测的结果比实测的偏大了4.0％，即α约为96.1％。
[0056]
实施例2
[0057]
已知分子质量m
甲醇
：32g/mol、密度ρ
甲醇
：792kg/m3、补料量w
甲醇
：6.2l/h、发酵罐工作
体积v：1000l、发酵温度t:25℃、溶解氧do:20％。
[0058]
可求得甲醇的mb：单位质量摩尔数(mol/kg)、c
甲醇
:单位体积摩尔数(mol/l)、f
甲醇
：单位时间补料量(mol/h)。
[0059]
mb＝1000/32g/mol＝31.25mol/kg
[0060]c甲醇
＝(ρ
×
mb)/1000＝(792kg/m3×
31.25mol/kg)/1000＝24.75mol/l
[0061]f甲醇
＝c
甲醇
×w甲醇
＝24.75mol/l
×
6.2l/h＝153.45mol/h
[0062]fo2
＝f
甲醇
×
1.5＝153.45mol/h
×
1.5＝230.18mol/h
[0063]uo2
＝(f
o2
×
1000)/v＝(230.18mol/h
×
1000)/1000l＝230.18mmol/l/h
[0064]
kla
预测
/α＝otr/(c*-c)＝(otr
×
(31.6+t)
×
32)/(468
×
(1-do
实际
))＝
[0065]
(230.18mmol/l/h
×
(31.6+25)
×
32g/mol)/(468mg/l
×
(100％-20％))≈1113.52h-1
。
[0066]
与实施例1测试方法相同，根据溶氧的变化可以计算出实际的kla为1067.21h-1
，该方法预测的结果比实测的偏大了4.3％，即α约为95.8％。
[0067]
实施例3
[0068]
已知分子质量m
甲醇
：32g/mol、密度ρ
甲醇
：792kg/m3、补料量w
甲醇
：0.75l/h、发酵罐工作体积v：100l、发酵温度t:25℃、溶解氧do:15％。
[0069]
可求得甲醇的mb：单位质量摩尔数(mol/kg)、c
甲醇
:单位体积摩尔数(mol/l)、f
甲醇
：单位时间补料量(mol/h)。
[0070]
mb＝1000/32g/mol＝31.25mol/kg
[0071]c甲醇
＝(ρ
×
mb)/1000＝(792kg/m3×
31.25mol/kg)/1000＝24.75mol/l
[0072]f甲醇
＝c
甲醇
×w甲醇
＝24.75mol/l
×
0.75l/h＝18.56mol/h
[0073]fo2
＝f
甲醇
×
1.5＝18.56mol/h
×
1.5＝27.84mol/h
[0074]uo2
＝(f
o2
×
1000)/v＝(27.84mol/h
×
1000)/100l＝278.44mmol/l/h
[0075]
otr＝u
o2
＝278.44mmol/l/h
[0076]
kla
预测
/α＝otr/(c*-c)＝(otr
×
(31.6+t)
×
32)/(468
×
(1-do
实际
))＝
[0077]
(278.44mmol/l/h
×
(31.6+25)
×
32g/mol)/(468mg/l
×
(100％-15％))≈1267.75h-1
。
[0078]
与实施例1测试方法相同，根据溶氧的变化可以计算出实际的kla为1213.56h-1
，该方法预测的结果比实测的偏大了4.5％，即α约为95.7％。
[0079]
上述实施例表明，可以用甲醇的燃烧热来等效酵母发酵过程中的产热，并指导新建发酵罐的换热能力的设计。
[0080]
在发酵过程中细胞的代谢途径十分复杂，酵母的o2消耗以及甲醇在细胞中的运转难以预估。本发明利用甲醇燃烧方程式，通过甲醇的补料量，可以直接求出otr，为工艺优化和发酵罐的优化提供了数据。kla反应了设备的供氧能力，通过化学法和物理法会造成细胞损伤。本发明可以通过计算的otr，直接求出kla。
[0081]
至此，已经详细描述了本发明的实施例。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里发明的技术方案。
[0082]
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技
术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：获取发酵设备在发酵过程中的甲醇的补料量；步骤2：根据甲醇的补料量计算耗氧量；步骤3：获取发酵设备处于稳定状态时的所述耗氧量；步骤4：根据发酵设备处于稳定状态时的所述耗氧量获得氧气传质速率。2.根据权利要求1所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，在步骤4之后还包括步骤5：根据所述氧气传质速率获得kla的预测值。3.根据权利要求1所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，所述发酵设备处于稳定状态为：dc
l
/dt＝0，其中c
l
为液相溶氧浓度。4.根据权利要求1所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，所述根据发酵设备处于稳定状态时的所述耗氧量获得氧气传质速率的计算公式为：otr＝our＝u
o2
式中，otr为氧气传质速率，our为氧气吸收速率，u
o2
为发酵设备处于稳定状态时单位时间单位体积耗氧量。5.根据权利要求2所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，所述根据氧气传质速率获得kla的预测值的计算公式为：式中，kla预测为kla的预测值，otr为氧气传质速率，t为发酵温度，do实际为溶解氧实际饱和度，α为修正系数。6.根据权利要求5所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，修正系数α的取值范围为95％-97％。7.根据权利要求1所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，根据甲醇的补料量计算耗氧量的计算公式为：f
o2
＝f
甲醇
×
1.5式中，f
o2
为单位时间耗氧量，f
甲醇
为单位时间甲醇的补料量。8.根据权利要求1所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法，其特征在于，所述发酵设备为发酵罐。9.如权利要求1～8任一项所述的预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法在发酵设备优化或发酵工艺优化中的应用。

技术总结
本发明涉及一种预测甲醇酵母发酵过程中氧传质效果的方法。包括，步骤1：获取发酵设备在发酵过程中的甲醇的补料量；步骤2：根据甲醇的补料量计算耗氧量；步骤3：获取发酵设备处于稳定状态时的耗氧量；步骤4：根据发酵设备处于稳定状态时的耗氧量获得氧气传质速率。该方法能够通过甲醇的补料量直接计算出OTR，并且利用OTR直接求出Kla的值，为工艺的优化和发酵设备的优化提供了数据。备的优化提供了数据。


技术研发人员：卢卫东 王成 梁朗
受保护的技术使用者：安及义实业（上海）有限公司
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/11