《氧的供需與傳遞》PPT課件.ppt

1、,生化生產(chǎn)工藝課程教案,2006年5月,胡斌杰,一、細胞對氧的需求,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

2、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)消耗氧的量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/m3s 。,2、攝氧率與呼吸強度之間的關(guān)系,r=Qo2X 式中： r - 微生物耗氧速率molO2/（m3s）； Qo2-菌體呼吸強度（比耗氧速率）， molO2/（kg干細胞s ） ； X -發(fā)酵

3、液中菌體濃度，（kg/m3）；,3、注意點（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)碳源種類對細胞的耗氧速度沒有影響（）。,3)培養(yǎng)液中基質(zhì)濃度對細胞的耗氧速度有很大的影響（）。,3)細胞的攝氧率與培養(yǎng)時間及細胞濃度有關(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)的消耗，在94 h又降到15-20 molO2/m3h。,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

4、=Qo2X,r,請問攝氧率和比耗氧速率在細胞培養(yǎng)的哪一階段達到最高值？,4)培養(yǎng)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3,1)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（）。,2,1,3,4,5,6,7,8,9,氣液界面,氣泡,液膜,液相主體,固液界面,細胞團,液膜

5、,細胞膜,細胞,生物反應(yīng),氧從氣泡到細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、氧從氣泡到細胞的傳遞過程,對于大多數(shù)微生物細胞的培養(yǎng)過程，細胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培養(yǎng)液中通往空氣來進行。氧從空氣泡傳遞到細胞內(nèi)要克服一系列阻力，首先氧須從氣相溶解于培養(yǎng)基中，然后傳遞到細胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用。,氧從氣泡到細胞的傳遞過程示意圖,氧從空氣泡傳遞到細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2,2、氧的傳遞速率總方程式,OTR=K L（c*-cL） 式中： OTR-單位體積

6、培養(yǎng)液中的傳氧速率，mol/m3s； KL-以濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s) 比表面積（m2/m3) KL-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,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-以濃度差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s) 比表面積（m2/m3) KL-以濃度差為

7、推動力的體積傳遞系數(shù)，（s-1）；,復(fù)習(xí),OTR=K L（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/m3s；,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,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=K L（c*-cL） 凡是影響推動力c*-cL、比表面積和傳遞系數(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

8、,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

9、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,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，強化湍流程度，使空

10、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#,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）攪拌使液體作渦運動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運動上升，延長了氣泡的運動路線，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，有利于固液傳遞中的接

11、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2,4、空氣的線速度,氧傳遞系數(shù)K L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)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

12、。,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)。,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，進而對氧傳遞系數(shù)K L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)K L 。當(dāng)

13、發(fā)酵液濃度增大時，粘度也增大，氧傳遞系數(shù)K L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)K L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,8、離子強度,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)K L比水大，而且隨電解質(zhì)濃度的增加， K L也有較大的增加。,9、菌體濃度,培養(yǎng)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。,菌體濃度（%W/V）,電解液濃度的增加，氧傳遞系數(shù)是增加還是減少？氧的溶解度呢？,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考慮，前已述及影響供氧效果的主要因素有：1）通氣流量（通風(fēng)量）；2）攪拌速度；3）氣體組分中的氧分壓；4）罐壓；5）溫度；6）培養(yǎng)基的物理性質(zhì)等。而影響