氧的供需與傳遞ppt課件

1、生化消費工藝課程教案生化消費工藝課程教案20192019年年5 5月月胡斌杰胡斌杰第七章氧的供需與傳送第七章氧的供需與傳送教教 學(xué)學(xué) 內(nèi)內(nèi) 容容 1、細胞對氧的需求 2、培育過程中氧的傳質(zhì)實際 3、溶解氧的測定方法 4、氧傳送系數(shù)的測定 5、影響氧傳送速率的主要要素 6、控制溶氧的工藝手段 一、細胞對氧的需求 1、三個根本概念、三個根本概念 好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動都需求耗費氧氣，由于好氣性微生物只需氧分子存在情況下才干完成生物氧化作用。因此，供氧對需氧微生物是必不可少的，在發(fā)酵過程中必需供應(yīng)適量無菌空氣，才干使菌體生長繁衍積累所需求的代謝產(chǎn)物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于細胞內(nèi)原生

2、質(zhì)中，因此，微生物只能利用溶解于液體中的氧。發(fā)酵液中溶解氧的多少，普通以溶解氧系數(shù)表示。由于各種好氣微生物所含的氧化酶體系如過氧化氫酶、細胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化酶等的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。 飽和溶氧濃度： 在一定溫度和壓力下，空氣中的氧在水中的溶解度。(mol/m3)例：P111第二自然段比耗氧速率呼吸強度： 單位質(zhì)量的干細胞在單位時間內(nèi)耗費氧的量molO2/kg干細胞s 。 用Qo2 表示。臨界溶氧濃度： 好氧性微生物生長繁衍所需求的最低溶解氧的濃度。(mol/m3)攝氧率： 指單位體積培育液在單位時間內(nèi)的耗費氧的量，以 r

3、表示，單位為molO2/m3s 。2、攝氧率與呼吸強度之間的關(guān)系、攝氧率與呼吸強度之間的關(guān)系 r=Qo2X式中：式中： r - 微生物耗氧速率微生物耗氧速率molO2/m3s； Qo2-菌體呼吸強度比耗氧速率，菌體呼吸強度比耗氧速率， molO2/kg干細胞干細胞s ； X -發(fā)酵液中菌體濃度，發(fā)酵液中菌體濃度，kg/m3； 3、留意點、留意點P115 1)判別：在消費中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時必需使溶氧濃度大于臨界溶氧濃度。溶氧濃度大于臨界溶氧濃度可以得到最高的微生物濃度。2)碳源種類對細胞的耗氧速度沒有影響。 3)培育液中基質(zhì)濃度對細胞的耗氧速度有很大的影響。 3)細胞的攝氧率與培育時

4、間及細胞濃度有關(guān) 例如在鏈霉素的發(fā)酵過程中，初始的攝氧率為34molO2/m3h，補料后78h升為40.9 molO2/m3h，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的耗費，在94 h又降到15-20 molO2/m3h。Qo2干重PH疣孢漆斑霉在分批培育時比耗氧速率的變化Qo2干重r=Qo2Xr 請問攝氧率和比耗氧速率在細胞培育的哪一階段到達最高值？4)培育條件如PH、溫度等對細胞 的需氧要求也有影響，一些有害代 謝產(chǎn)物的積累，也會抑制細胞的呼 吸 。閱讀課本P116回答以下問題 何謂氧的滿足度？問題問題1 舉例說說各種氨基酸的消費與最正確溶氧濃度的關(guān)系 ？為什么？問題問題2 舉例說說微生物的次級代謝產(chǎn)物的消費也與臨

5、界溶氧濃度有關(guān) ？問題問題31)判別：在消費中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時必需使溶氧濃度大于臨界溶氧濃度。溶氧濃度大于臨界溶氧濃度可以得到最高的微生物濃度。213456789氣液界面氣泡液膜液相主體液相主體固液界面細胞團細胞團液膜細胞膜細胞生物反響氧從氣泡到細胞的傳送過程表示圖 P117劃線二、培育過程中氧的傳質(zhì)實際 1、氧從氣泡到細胞的傳送過程、氧從氣泡到細胞的傳送過程 對于大多數(shù)微生物細胞的培育過程，細胞分散在培育液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培育液中通往空氣來進展。氧從空氣泡傳送到細胞內(nèi)要抑制一系列阻力，首先氧須從氣相溶解于培育基中，然后傳送到細胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用。2134567

6、89氣液界面氣泡液膜液相主體液相主體固液界面細胞團細胞團液膜細胞膜細胞生物反響氧從氣泡到細胞的傳送過程表示圖 氧從空氣泡傳送到細胞的過程中需求抑制哪幾種阻力？問題問題1 氧的整個傳送過程可分為供氧和耗氧兩個方面，請分別指出這兩個過程的傳氧道路？問題問題22、氧的傳送速率總方程式、氧的傳送速率總方程式OTR=K Lc*-cL式中： OTR-單位體積培育液中的傳氧速率，mol/m3s； KL-以濃度差為推進力的總傳質(zhì)系數(shù)m/s) 比外表積m2/m3) KL-以濃度差為推進力的體積傳送系數(shù)，s-1； cL-溶液中氧的實踐濃度，mol/m3； c*-與氣相中氧分壓p平衡時溶液中氧濃度，mol/m3；

7、例題例題三、溶解氧的測定方法 1、化學(xué)法 化學(xué)法的優(yōu)點是測定比較準(zhǔn)確，能直接得到氧的濃度，往往是其他測定方法的根底，也常用于衡量其他方法的準(zhǔn)確性。 2、極譜法 3、復(fù)膜氧電極法 4、壓力法 復(fù)膜氧電極測定的是氧的分壓 閱讀課本P123-126 KL-以濃度差為推進力的總傳質(zhì)系數(shù)m/s) 比外表積m2/m3) KL-以濃度差為推進力的體積傳送系數(shù)，s-1； 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)OTR=K Lc*-cL氧的傳送速率總方程式OTR-單位體積培育液中的傳氧速率，mol/m3s；cL-溶液中氧的實踐濃度，mol/m3；c*-與氣相中氧分壓p平衡時溶液中氧濃度，mol/m3； 測定氧濃度的方法有哪些1、化學(xué)法 2、極

8、譜法 3、復(fù)膜氧電極法 4、壓力法 四、氧傳送系數(shù)的測定P126 1、亞硫酸鹽氧化法 2、取樣極譜法 3、物料衡算法 4、動態(tài)法 5、排氣法 6、復(fù)膜電極法P128 五、影響氧傳送速率的主要要素 根據(jù)氣液傳送速率方程： OTR=K Lc*-cL凡是影響推進力c*-cL、比外表積和傳送系數(shù) 的要素都會影響氧傳送速率。1、溶液的性質(zhì)對氧的溶解度的影響、溶液的性質(zhì)對氧的溶解度的影響 隨溫度的升高而降低 P129 與酸的種類及濃度有關(guān) P130表 電解質(zhì)溶液氧的溶解度降低P129 為什么 要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多種，其中最簡單的方法是添加罐壓。但是要留意的是添加罐壓雖然提高了氧的分壓，從而添

9、加了氧的溶解度，但其他氣體成分如CO2分壓也相應(yīng)添加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影響了細胞的生長和產(chǎn)物的代謝，所以添加罐壓是有一定限制的。 另一種方法是添加空氣中氧的含量，進展富氧通氣操作。即經(jīng)過深冷分別法、吸附分別法及膜分別法制得富氧空氣，然后通入培育液。目前由于這三種分別方法的本錢都較高，富氧通氣還處于研討階段。 2、氣液比外表積、氣液比外表積 比外表積：氣泡外表積與體積之比，比外表積越大，氧傳送速率越大，主要表達以下三個方面：A、氣液比外表積的大小取決于截留在培育液的氣體體積以及氣泡的大小。截留在液體中的氣體越多，氣泡的直徑越小，那么氣泡比外表積就越

10、小。 B、攪拌對比外表積的影響較大。由于攪拌一方面可使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運動，延伸停留時間，增大氣體的截留率，另一方面攪拌的剪切作用又使氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。 提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？問題問題說說攪拌對比外表積的影說說攪拌對比外表積的影響？響？問題問題C、增大通氣量可添加空氣的截留率，從而使比外表積增大。 3、攪拌、攪拌 攪拌的作用：攪拌的作用： P133 把通入的氣體打碎，強化湍流程度，使空把通入的氣體打碎，強化湍流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，添加了

11、溶氧速率，使微生物懸浮混合均接觸，添加了溶氧速率，使微生物懸浮混合均勻，促進代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。勻，促進代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。 攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳送速率都有影響。送速率都有影響。 #攪拌器攪拌器#1攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，添加了氧與液體的接觸面積，而且小氣泡的上升速度要比大氣泡慢，相應(yīng)地氧與液體的接觸時間也就增長；2攪拌使液體作渦運動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運動上升，延伸了氣泡的運動道路，添加了氣液的接觸時間；3攪拌使發(fā)酵液呈湍流運動，從而減少氣

12、泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因此增大了KL值；4攪拌使菌體分散，防止結(jié)團，有利于固液傳送中的接觸面積的添加，使推進力均一，同時也減少了菌體外表液膜的厚度，有利于氧的傳送。 攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳送速率都有影響。 采用機械攪拌是普通提高溶氧系數(shù)的行之有效的方法。它能從以下幾個方面改善溶氧速率：在發(fā)酵消費中，攪拌有何作用？在發(fā)酵消費中，攪拌有何作用？問題問題1在發(fā)酵消費中，攪拌是如何改善溶氧速在發(fā)酵消費中，攪拌是如何改善溶氧速率的？率的？問題問題24、空氣的線速度、空氣的線速度 氧傳送系數(shù)K L是隨空氣量的添加而增大的，當(dāng)添加通風(fēng)量時，空氣

13、的線速度也就相應(yīng)地增大，從而添加了溶氧，氧傳送系數(shù)K L相應(yīng)地也增大。 當(dāng)然過大的空氣線速度會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流構(gòu)成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。 5、空氣分布管、空氣分布管 空氣分布管的型式、噴口直徑及管口與罐底間隔的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。 當(dāng)通風(fēng)量較小時，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，相應(yīng)地溶氧系數(shù)就越大。而當(dāng)通風(fēng)量超越一定值后，氣泡的直徑與通風(fēng)量有關(guān)，與噴口的直徑無關(guān)。 6、培育液的性質(zhì)、培育液的性質(zhì) 在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動，分解并利用培育液中的基質(zhì)，大量繁衍菌體，積累代謝產(chǎn)物等等都引起培育液的性質(zhì)的改動，特別是粘度、外表張

14、力、離子液度、密度、分散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進而對氧傳送系數(shù)K L帶來很大的影響。 此外，發(fā)酵液粘度的改動還會影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力，從而影響到氧傳送系數(shù)K L 。當(dāng)發(fā)酵液濃度增大時，粘度也增大，氧傳送系數(shù)K L就降低。 發(fā)酵液中泡沫的大量構(gòu)成會使菌體與泡沫構(gòu)成穩(wěn)定的乳濁液，影響到氧傳送系數(shù)。 7、外表活性劑、外表活性劑 培育液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的外表活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳送的阻力，使氧傳送系數(shù)K L等發(fā)生變化， 說說培育液的哪些要素會影響氧傳送系數(shù)？說說培育液的哪些要素會影響氧傳送系數(shù)？問題問題8、離子強度、離子強度 普通在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因此有較大的比外表積。在同一氣液接觸的發(fā)酵罐中，在同樣的條件下，電解質(zhì)溶液的氧傳送系數(shù)K L比水大，而且隨電解質(zhì)濃度的添加， K L也有較大的添加。 9、菌體濃度、菌體濃度 培育液中的菌體濃度對K L也有很大的影響。如圖7-24是黑曲霉菌體濃度與K L的關(guān)系。 10001.4相對值 KL 圖7-24 菌體濃度對KL的影響 菌體濃度%W/V電解液濃度的添加，氧傳送系數(shù)是添加還是減少？氧的溶解度呢？電解液濃度的添加，氧傳送系數(shù)是添加還是減少？氧的溶解度呢？問題問題六、控制溶氧的工藝手段 控制溶氧的工藝手段主要是從供氧和需氧兩方面來思索，前已述及影響供氧效果的主要