氧的供需與傳遞

氧的供需與傳遞第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日生化生產(chǎn)工藝課程教案2006年5月胡斌杰第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日第七章氧的供需與傳遞教學(xué)內(nèi)容

1、細(xì)胞對氧的需求2、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論3、溶解氧的測定方法4、氧傳遞系數(shù)的測定5、影響氧傳遞速率的主要因素6、控制溶氧的工藝手段

第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日一、細(xì)胞對氧的需求

1、三個基本概念

好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動都需要消耗氧氣，因為好氣性微生物只有氧分子存在情況下才能完成生物氧化作用。因此，供氧對需氧微生物是必不可少的，在發(fā)酵過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長繁殖積累所需要的代謝產(chǎn)物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于細(xì)胞內(nèi)原生質(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，一般以溶解氧系數(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(xì)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）第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日比耗氧速率（呼吸強(qiáng)度）：單位質(zhì)量的干細(xì)胞在單位時間內(nèi)消耗氧的量molO2/（kg干細(xì)胞·s）。用Qo2表示。臨界溶氧濃度：好氧性微生物生長繁殖所需要的最低溶解氧的濃度。(mol/m3)攝氧率：指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的消耗氧的量，以r表示，單位為[molO2/m3·s]。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日2、攝氧率與呼吸強(qiáng)度之間的關(guān)系

r=Qo2·X式中：r---微生物耗氧速率[molO2/（m3·s）]；

Qo2---菌體呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率），molO2/（kg干細(xì)胞·s）；

X---發(fā)酵液中菌體濃度，（kg/m3）；3、注意點(diǎn)（P115）

1)判斷：在生產(chǎn)中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時必須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(xì)胞的耗氧速度沒有影響（）。

第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日3)培養(yǎng)液中基質(zhì)濃度對細(xì)胞的耗氧速度有很大的影響（）。

3)細(xì)胞的攝氧率與培養(yǎng)時間及細(xì)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/m3·h，補(bǔ)料后（78h）升為40.9molO2/m3·h，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，在94h又降到15-20molO2/m3·h。Qo2干重PH疣孢漆斑霉在分批培養(yǎng)時比耗氧速率的變化Qo2干重r=Qo2·Xr請問攝氧率和比耗氧速率在細(xì)胞培養(yǎng)的哪一階段達(dá)到最高值？第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日4)培養(yǎng)條件（如PH、溫度等）對細(xì)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(xì)胞的呼吸。閱讀課本P116回答問題何謂氧的滿足度？問題1舉例說說各種氨基酸的生產(chǎn)與最佳溶氧濃度的關(guān)系？為什么？問題2舉例說說微生物的次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)也與臨界溶氧濃度有關(guān)？問題31)判斷：在生產(chǎn)中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時必須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（）。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日213456789氣液界面氣泡液膜液相主體固液界面細(xì)胞團(tuán)液膜細(xì)胞膜細(xì)胞生物反應(yīng)氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖

P117（劃線）二、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論

1、氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程對于大多數(shù)微生物細(xì)胞的培養(yǎng)過程，細(xì)胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培養(yǎng)液中通往空氣來進(jìn)行。氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞內(nèi)要克服一系列阻力，首先氧須從氣相溶解于培養(yǎng)基中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日213456789氣液界面氣泡液膜液相主體固液界面細(xì)胞團(tuán)液膜細(xì)胞膜細(xì)胞生物反應(yīng)氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖

氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞的過程中需要克服哪幾種阻力？問題1

氧的整個傳遞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路線？問題2第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日2、氧的傳遞速率總方程式OTR=KLα（c*-cL）式中：OTR---單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率，[mol/m3·s]；

KL---以濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s)

α–

比表面積（m2/m3)KLα---以濃度差為推動力的體積傳遞系數(shù)，（s-1）；

cL---溶液中氧的實際濃度，（mol/m3）；

c*---與氣相中氧分壓p平衡時溶液中氧濃度，（mol/m3）；例題第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日三、溶解氧的測定方法1、化學(xué)法

化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)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基礎(chǔ)，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第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日

KL---以濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s)

α–

比表面積（m2/m3)KLα---以濃度差為推動力的體積傳遞系數(shù)，（s-1）；

復(fù)習(xí)OTR=KLα（c*-cL）氧的傳遞速率總方程式OTR---單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率，[mol/m3·s]；cL---溶液中氧的實際濃度，（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、極譜法3、復(fù)膜氧電極法4、壓力法第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日四、氧傳遞系數(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、影響氧傳遞速率的主要因素根據(jù)氣液傳遞速率方程：

OTR=KLα（c*-cL）凡是影響推動力c*-cL、比表面積α和傳遞系數(shù)的因素都會影響氧傳遞速率。1、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）

第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日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增加罐壓。但是要注意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓，從而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分（如CO2）分壓也相應(yīng)增加，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(xì)胞的生長和產(chǎn)物的代謝，所以增加罐壓是有一定限度的。

另一種方法是增加空氣中氧的含量，進(jìn)行富氧通氣操作。即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富氧空氣，然后通入培養(yǎng)液。目前由于這三種分離方法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。2、氣液比表面積

比表面積：氣泡表面積與體積之比，比表面積越大，氧傳遞速率越大，主要體現(xiàn)以下三個方面：A、氣液比表面積的大小取決于截留在培養(yǎng)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，那么氣泡比表面積就越小。B、攪拌對比表面積的影響較大。因為攪拌一方面可使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動，延長停留時間，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？問題說說攪拌對比表面積的影響？問題第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日C、增大通氣量可增加空氣的截留率，從而使比表面積增大。

3、攪拌

攪拌的作用：P133

把通入的氣體打碎，強(qiáng)化湍流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，增加了溶氧速率，使微生物懸浮混合均勻，促進(jìn)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)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳遞速率都有影響。##攪拌器##第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日1）攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，增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(yùn)動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運(yùn)動上升，延長了氣泡的運(yùn)動路線，增加了氣液的接觸時間；3）攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動，從而減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因而增大了KL值；4）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動力均一，同時也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。

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遞速率都有影響。

采用機(jī)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)酵生產(chǎn)中，攪拌有何作用？問題1在發(fā)酵生產(chǎn)中，攪拌是如何改善溶氧速率的？問題2第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日4、空氣的線速度

氧傳遞系數(shù)KLα是隨空氣量的增加而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時，空氣的線速度也就相應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)KLα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，氣流形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

空氣分布管的型式、噴口直徑及管口與罐底距離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)量超過一定值后，氣泡的直徑與通風(fēng)量有關(guān)，與噴口的直徑無關(guān)。

第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日6、培養(yǎng)液的性質(zhì)

在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等等都引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子液度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對氧傳遞系數(shù)KLα帶來很大的影響。此外，發(fā)酵液粘度的改變還會影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力，從而影響到氧傳遞系數(shù)KLα

。當(dāng)發(fā)酵液濃度增大時，粘度也增大，氧傳遞系數(shù)KLα就降低。發(fā)酵液中泡沫的大量形成會使菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響到氧傳遞系數(shù)。7、表面活性劑

培養(yǎng)液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳遞的阻力，使氧傳遞系數(shù)KLα等發(fā)生變化，說說培養(yǎng)液的哪些因素會影響氧傳遞系數(shù)？問題第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日8、離子強(qiáng)度

一般在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積。在同一氣液接觸的發(fā)酵罐中，在同樣的條件下，電解質(zhì)溶液的氧傳遞系數(shù)KLα比水大，而且隨電解質(zhì)濃度的增加，KLα也有較大的增加。

9、菌體濃度

培養(yǎng)液中的菌體濃度對K