發(fā)酵工程-長沙醫(yī)學(xué)院

1、長沙醫(yī)學(xué)院教案課程名稱發(fā)酵工程授課題目（章節(jié)或主題）第5章氧的供需與傳遞授課教師賀氣志所屬系（部）基礎(chǔ)系所屬教研室生物技術(shù)職稱助教授課時間2013年4月5日第6周星期五第 35節(jié)第6次課授課時數(shù)3學(xué)時授課班級生物技術(shù)專業(yè)（本科?？疲?2010 級 1班教學(xué)課型理論課/實驗課 見習(xí)課習(xí)題課討論課其它教材名稱、作者、出版社及出版時間生化生產(chǎn)工藝學(xué)（第二版）梅樂和主編，科學(xué)出版社,2007教學(xué)目的要求:1. 了解細(xì)胞對氧的需求、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論、溶氧新概念 2、熟悉溶解氧、氧傳遞系數(shù)的測定方法 3、掌握影響氧傳遞速率的主要因素、控制溶氧的工藝手段重點與難點: 重點: 影響氧傳遞速率的主要因素、

2、控制溶氧的工藝手段 難點: 影響氧傳遞速率的主要因素、控制溶氧的工藝手段教學(xué)方法（請打"選擇）： 講授法少 討論法啟發(fā)式/自學(xué)輔導(dǎo)法 練習(xí)法（習(xí)題或操作）讀書指導(dǎo)法 PBL（以問題為中心 的教學(xué)法）其他教學(xué)手段（請打"選擇）：板書之 實物標(biāo)本掛圖模型投影幻燈之 錄像 CAI （計算機(jī)輔助教學(xué)）教學(xué)過程設(shè)計和教學(xué)內(nèi)容:第五章氧的供需與傳遞一、細(xì)胞對氧的需求（一）微生物對氧的需求氧是生物體內(nèi)重要的元素組成：它既是細(xì)胞的組成成分和各種產(chǎn)物的構(gòu)成元素， 同時還是生物能量代謝所必需的元素。微生物的耗氧量（用呼吸強(qiáng)度和攝氧率表示）呼吸強(qiáng)度（Q02）:單位質(zhì)量的干菌體在單位時間內(nèi)所吸取的

3、氧量，單位為 mmol （02） /g （干菌體） h，表示微生物的絕對耗氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成 分存在時，測定困難。攝氧率（Y）：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的耗氧量，單位為/ （L h）。在臨界氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。 生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的1-25%。對于牛頓型培養(yǎng)液， 如細(xì)菌和酵母菌培養(yǎng)液，其呼吸臨界氧濃度不受培養(yǎng)條件的影響；而非牛頓型培養(yǎng)液，其呼吸臨界氧濃度與攪拌器的直徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)。在抗生素發(fā)酵過程中，微生物生長階段和產(chǎn)物合成階段的呼吸臨界氧濃度 C長臨和C合臨表示）是不同的。的，一般有三種狀態(tài)： C長臨和 長臨小于C合臨。多數(shù)品種的發(fā)酵中（

4、二）氧在液體中的溶解特性氧溶解于水的過程是氣體分子的擴(kuò)散過程：氣體與液體相接觸，氣體分子就 會溶解于液體之中， 經(jīng)過一定時間的接觸， 氣體分子在氣液兩相中的濃度就會達(dá)到 動態(tài)平衡。若外界條件（如溫度、壓力等）不在變化，氣體在液相中的濃度就不再 隨時間而變化，此時的濃度為該條件下氣體在溶液中的飽和濃度，用C*表示，單位可用 mmol 02/L、mg 02/L或大氣壓表示。 氧是難溶氣體， 在25C和105 Pa時， 氧在純水中的溶解度為 0.25 mmol/L。對于發(fā)酵液中每小時在1 m3培養(yǎng)液中需要氧是溶解量的750倍。如果中斷供氧，菌體會在幾秒鐘內(nèi)耗盡溶氧。影響氧飽和濃度的主要因素有：溫度、

5、溶液性質(zhì)、氧分壓。（三）影響微生物需氧量的因素（1）微生物的種類和生長階段不同的菌種和生長階段，需氧量也不同。一般來說，菌體處于對數(shù)生長階段 的呼吸強(qiáng)度較高；生長階段的攝氧率大于產(chǎn)物合成期的攝氧率。因此認(rèn)為培養(yǎng)液的攝氧率達(dá)最高值時，培養(yǎng)液中菌體濃度也達(dá)到了最大值。（2）培養(yǎng)基的組成培養(yǎng)基中碳源的種類和濃度的影響量顯著。在一定范圍內(nèi)，需氧量隨碳源濃 度的增加而增加。（補料控DO ）培養(yǎng)液中溶質(zhì)濃度影響氧的溶解度，因而影響菌體的攝氧能力。（3）培養(yǎng)液中溶解氧濃度 CL的影響當(dāng)培養(yǎng)液中溶解氧濃度 CL高于菌體的C長臨時，菌體呼吸不受影響。如CLmmol(02)好氧微（分別以C長臨和C合臨是隨菌種的生

6、理學(xué)特性而變化C合臨大致相同，C長臨大于C合臨，C C長臨大于C合臨。此列為提示欄（包括重點、難點、教學(xué)方法、教學(xué)手段、更新教學(xué)內(nèi)容、教書育人等）講授時間分配20mi嚴(yán)重時產(chǎn)生不可逆的抑制菌體生低于C長臨時，菌體的多種生化代謝就要受影響， 長和產(chǎn)物合成的現(xiàn)象。（4）培養(yǎng)條件影響pH30倍,溫度愈高，營養(yǎng)成分愈豐富，微生物呼吸強(qiáng)度的臨界值也相應(yīng)增長；最適 值時需氧量也最大。（5）CO2的影響微生物呼吸作用產(chǎn)生 CO2，在相同條件下，CO2在水中的溶解度是氧的 需及時除去。二、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論（一）供氧的實現(xiàn)形式（二）發(fā)酵過程中氧的傳遞1. 氧傳遞的阻力需氧發(fā)酵過程中，氧必須先溶解于培養(yǎng)液，

7、才可能傳遞至細(xì)胞表面，再經(jīng)過擴(kuò) 散作用進(jìn)入細(xì)胞，參與菌體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)。微生物發(fā)酵過程中，氧需克服從氣 態(tài)7液體7菌體多方面的阻力， 才能參與各種生化反應(yīng)氧的這一系列傳遞過程, 克服供氧方面和需氧方面的各種阻力才能完成。影響氧傳遞的因素：流動模型、粘度、濃度、顆粒尺寸、密度等。2. 氧的傳遞方程式氣態(tài)氧轉(zhuǎn)變成溶解態(tài)氧的過程與液體吸收氣體的過程相同，可用傳質(zhì)公式表 示：N = KL a （C * CL ）N :氧的傳遞速率， mmol O2/L hC*:溶液中溶氧飽和濃度，mmol O2/L hCLKL:溶液主流中的溶氧濃度，mmol O2/L h:以濃度差為推動力的氧傳質(zhì)系數(shù)，m/h:比表面

8、積，難測定，m2/m3。1/h。將KL a當(dāng)作一項，稱為液相體積氧傳遞系數(shù)，總耗氧速率為:當(dāng)發(fā)酵液中的溶解氧濃度不是菌體生長和產(chǎn)物合成的限制因素時，15miN = Q02 X = YN :需氧速率， mmol O2/L h難點QO2：氧的比消耗速率（呼吸強(qiáng)度），mmol O2/g（干菌絲）-hX :培養(yǎng)液中菌體濃度，g（干菌絲）/L丫 ：攝氧率，mmol O2/（L h）由于微生物的種類不同或培養(yǎng)環(huán)境條件的差異，各種微生物對氧的最大比消耗速 率也有所不同。三、溶解氧的測定方法（一）化學(xué)法在樣品中加入 MnSO4和堿性KI溶液，生成MnOH沉淀，與溶解氧反應(yīng)生成錳酸, 再在反應(yīng)液中加入 H2SO

9、4,釋放出游離的碘，然后用標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3液滴定。優(yōu)點：測定較準(zhǔn)確，且能直接得到氧的濃度值，往往是其它測定方法的基礎(chǔ)。缺點：當(dāng)樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有偏差；當(dāng)樣品帶有顏色時，會 影響測定終點的判斷，故不適用于直接測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。（二）極譜法由于電極反應(yīng)速度很快，CC實際上可視為0,故上式可轉(zhuǎn)化為：由此可見：溶解氧濃度與測得的擴(kuò)散電流成正比。根據(jù)對一系列已知氧濃度的樣品的電流測定，將獲得的電流值對氧濃度作圖就可得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線， 液的氧濃度測定。（三）復(fù)膜氧電極法復(fù)膜電極主要由兩個金屬電極、電解質(zhì)和透氣的塑料薄膜構(gòu)成。 電解質(zhì)溶液裝入一個殼體，用能透過氧分子的塑料薄膜封

10、閉起來，用于未知溶將陰極和陽極、 就成了復(fù)膜氧電極。復(fù)膜氧電極類型：極譜型（使用時需要外界加給一定的電壓才能工作）和原電 池型（使用時不需外界再施加點解電壓）。dCL*（四）壓力法"dLKeQ -Cl）Q。2 ”X四、氧傳遞系數(shù)的測g定1L、 一（一）亞硫酸鹽氧化法需）（一d廠+ Qo2議）十C利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時被氧迅速氧化的特性來估計發(fā)酵設(shè) 備的通氣效果。當(dāng)亞硫酸鹽濃度為dCL0P颯匚C47mol/L，溫度2045C之間時，與氧 反應(yīng)的速度幾乎不變，K碘量法測定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧 化量來求得氧的溶解量。LcICl（二）取樣極譜法當(dāng)電壓為0.6

11、1.0V時，其擴(kuò)散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。由 于氧的分解電壓最低，培養(yǎng)液中的其它物質(zhì)對測定的影響甚微，培養(yǎng)狀態(tài)下氧傳遞系數(shù)的測定。故此法可直接用于Cl = 2FDl A（三）物料衡算法（四）動態(tài)法發(fā)酵過程中停止通氣片刻，人為制造一個不穩(wěn)定狀態(tài)來求 發(fā)酵液中某一時間間隔的溶氧量為：KLa 。不穩(wěn)定狀態(tài)時可改寫為:（五）排氣法在被測定的發(fā)酵罐中先用氮氣趕去液體中的溶解氧或裝入已除去溶解氧的O.1mol/L的KC1溶液，當(dāng)開始通氣及攪拌后， 定時取樣用極譜儀或其它溶氧測定儀 測出溶氧濃度cl，同時通過將cl對t作圖求出溶液中飽和的溶氧濃度 C*。 缺點：結(jié)果不真實，不能代表發(fā)酵過程

12、中的實際情況，也不能反映當(dāng)時發(fā)酵液的特性，同重占.IA 八、時也沒有考慮到氧濃度差 C對KLa的影響。（六）復(fù)膜電極法五、影響氧傳遞速率的主要因素（一）溶液的性質(zhì)對氧的溶解度的影響氧是一種難溶氣體，其在水中的溶解度隨溫度的升高而降低；在電解質(zhì)溶液中，鹽析作用也使氧的溶解度降低；在非電解質(zhì)溶液中，氧的溶解度一般隨溶質(zhì)濃度的增加而下降。（二）氣液比表面積截留在液氣液比表面積的大小決定于截留在培養(yǎng)液的氣體體積及氣泡的大小。 體中的氣體越多，氣泡的直徑越小，則氣泡比表面積就越大。攪拌對比表面積的影響較大，一方面延長停留時間，增大氣體的截留率；另- 方面又使氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。措施：增大通氣量。（

13、三）影響氧傳遞系數(shù)的一些因素攪拌、空氣流速的影響、發(fā)酵液性質(zhì)的影響、泡沫的影響、發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的影 響、表面活性劑、離子強(qiáng)度、菌體濃度六、控制溶氧的工藝手段（一）改變通氣速率（增大通風(fēng)量）改變通氣速率主要是通過變化 KLa來改變供氧能力，有兩種情況：（1）在低通氣量的情況下，增大通氣量對提高溶氧濃度有十分顯著的效果；（2）在空氣流速已經(jīng)十分大的情況下，再增加通氣速率，作用便不明顯，反而此 時會產(chǎn)生某些副作用，比如泡沫的形成、水分的蒸發(fā)、罐溫的增加、以及雜菌概率 增加等。（二）改變攪拌速度改變攪拌速度的效果要比改變通氣速率大，因為：（1）通氣泡沫被充分粉碎，增加有效氣液接觸面積；（2）液流滯留增

14、加，氣泡周圍液膜厚度和菌絲表面液膜厚度減小，并延長了氣泡在液體中的停留時間，因而就較明顯地增加KLa，提高了供氧能力。重占.IA 八、（三）改變氣體組成中的氧分壓 改變攪拌速度的效果要比改變通氣速率大，因為：（1）通氣泡沫被充分粉碎，增加有效氣液接觸面積；（2）液流滯留增加，氣泡周圍液膜厚度和菌絲表面液膜厚度減小，并延長了氣泡在液體中的停留時間，因而就較明顯地增加KLa，提高了供氧能力。（四）改變罐壓（五）改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)（六）加入傳氧中間介質(zhì)七、溶氧新概念25mi空氣的壓縮、冷卻、過濾、攪拌等都要消耗大量的能量，而結(jié)果僅有極小的一 部分的氧能得到利用，造成能量浪費的根本原因是氧在水相中的溶解度太低所致， 因而在深層發(fā)酵中提高溶氧就成為高產(chǎn)發(fā)酵的限制因素。在液相中加入氧載體， 在菌體內(nèi)也導(dǎo)入與氧有高度親和力的血紅蛋白便是溶氧新概念。20min20min20min復(fù)習(xí)思考及作業(yè)題布置 11、增加溶氧常采用的工藝措施？2、臨界溶氧濃度、飽和溶氧濃度、傳氧系數(shù)？3、在發(fā)酵過程中，微生物對氧的需求是否不變？4、發(fā)酵過程中氧的傳遞可劃分為哪幾個步驟？潛在的限制性步驟是哪一個？5、 簡述實驗方法確定發(fā)酵過程某狀