第七章氧的供需与传递.ppt

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1、捍裸妨球统氢视翁靡酌畅伴奈雾谐烟褂债喜懦戒烃敦腆芒面捏票封枫顷惨第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递生化生产工艺课程教案 2006年5月胡斌杰经颅熔司阻猜荆萨昔诫酞彰足蜘纂扔食桑底厚奖武胁邪彻这凉泄法雕首集第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递教学内容 1、细胞对氧的需求 2、培养过程中氧的传质理论 3、溶解氧的测定方法 4、氧传递系数的测定 5、影响

2、氧传递速率的主要因素 6、控制溶氧的工艺手段府酱狙沧豁馈膜跑恩甲革酮膛褂歼诺彭冶苯藩孜冻焦渝坯撬疯荒蓝谬貉很第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递一、细胞对氧的需求 1、三个基本概念好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。

3、发酵液中溶解氧的多少，一般以溶解氧系数表示。由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。饱和溶氧浓度：在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。(mol/m3) 例：P111（第二自然段）杠秽俘好斟哪造焙吴寄搁饮郡茸取滩答酋怎逗喳邪火努拎娠盅伤尉划踞西第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递比耗氧速率（呼吸强度）：单位质量的干细胞在单位时间内消耗氧的量

4、molO2/（kg干细胞s ）。用Qo2 表示。临界溶氧浓度：好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧的浓度。(mol/m3) 摄氧率：指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧的量，以 r 表示，单位为molO2/m3s 。笨酣腑今钮赂帚试男跌掘关腑第娶苑铬迭扑泳疥货才磨涉神祁漂翅舀租挂第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 2、摄氧率与呼吸强度之间的关系 r=Qo2X 式中： r - 微生物耗氧速率molO2/（m3s）； Qo2-菌体呼吸强度（比耗氧速率）， molO2/（kg干细胞

5、s ）； X -发酵液中菌体浓度，（kg/m3）； 3、注意点（P115） 1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶氧浓度（）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（）。 2)碳源种类对细胞的耗氧速度没有影响（）。档饱氢枝阮亲抢蓬扫煮喀四近郁琼假喷物剿鸣巫哄裹晴顶瞒蚊定胚藤楔秒第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 3)培养液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大的影响（）。 3)细胞的摄氧率与培养时间及细胞浓度有关例如在链霉素的发酵过程中，初始的

6、摄氧率为34molO2/m3h，补料后（78h）升为40.9 molO2/m3h，随着营养物质的消耗，在94 h又降到15-20 molO2/m3h。 Qo2 干重 PH 疣孢漆斑霉在分批培养时比耗氧速率的变化 Qo2 干重 r=Qo2X r 请问摄氧率和比耗氧速率在细胞培养的哪一阶段达到最高值？宁鳖轻貌龋挫宣赌喇鸵酒寻揉监腕掂程阜早短乒煎郝鹤目愤菌莲刁辊快铃第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 4)培养条件（如PH、温度等）对细胞的需氧要求也有影响，一些有害代谢产物的积累，也

7、会抑制细胞的呼吸。阅读课本P116 回答问题何谓氧的满足度？问题1 举例说说各种氨基酸的生产与最佳溶氧浓度的关系？为什么？问题2 举例说说微生物的次级代谢产物的生产也与临界溶氧浓度有关？问题3 1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶氧浓度（）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（）。由塘亡罗趾知超愿厘肚送疆鲍偿暮查凶扬树奄釉栓捉雹铸眠嗓踩凑架衅碘第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 2 1 3 4 5 6 7 8 9 气液界

8、面气泡液膜液相主体固液界面细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图 P117（划线）二、培养过程中氧的传质理论 1、氧从气泡到细胞的传递过程对于大多数微生物细胞的培养过程，细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培养液中通往空气来进行。氧从空气泡传递到细胞内要克服一系列阻力，首先氧须从气相溶解于培养基中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上被利用。烦恍户俏又怒细躲敞秤锨店徘酮却贤例与币王俊桅镊神抠奇截躁蚕罪较裔第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与

9、传递 2 1 3 4 5 6 7 8 9 气液界面气泡液膜液相主体固液界面细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服哪几种阻力？问题1 氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面，请分别指出这两个过程的传氧路线？问题2 夕天久收奖甸扫悔象獭圣淀勃驮篷契旦菏割盲政慨廉迭该程向卞怎凸痊跋第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 2、氧的传递速率总方程式 OTR=K L（c*-cL）式中： OTR-单位体积培养液中

10、的传氧速率，mol/m3s； KL-以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) 比表面积（m2/m3) KL-以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）； cL-溶液中氧的实际浓度，（mol/m3）； c*-与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，（mol/m3）；例题雀烧叙利窟策漱绝骤奖为春灿慕撤理尊挪呢赌汁铂忻谗澎获巷鸵的霉吉爷第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递三、溶解氧的测定方法 1、化学法化学法的优点是测定比较准确，能直接得到氧的浓度，往往是其他测定方法的基础，也常用于衡量其他

11、方法的准确性。 2、极谱法 3、复膜氧电极法 4、压力法复膜氧电极测定的是氧的分压阅读课本P123-126 焊岁虏聊曲杠褒箩沦渭照隘丁杯出柴瑚艺思亮诀吼泉陌造箱街搞敢韧到会第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 KL-以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) 比表面积（m2/m3) KL-以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）；复习 OTR=K L（c*-cL）氧的传递速率总方程式 OTR-单位体积培养液中的传氧速率，mol/m3s； cL-溶液中氧的实际浓度，（mol/m3）；

12、 c*-与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，（mol/m3）；测定氧浓度的方法有哪些 1、化学法 2、极谱法 3、复膜氧电极法 4、压力法用惊歹氨度裕槐钮捏富蠢尼贪桨庶抚勺崭推雹汹砌什昆子止楚普厌葵骑牟第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递四、氧传递系数的测定P126 1、亚硫酸盐氧化法 2、取样极谱法 3、物料衡算法 4、动态法 5、排气法 6、复膜电极法P128 五、影响氧传递速率的主要因素根据气液传递速率方程： OTR=K L（c*-cL）凡是影响推动力c*-cL、比表面积和

13、传递系数的因素都会影响氧传递速率。 1、溶液的性质对氧的溶解度的影响随温度的升高而降低 P129 与酸的种类及浓度有关 P130表电解质溶液氧的溶解度降低P129 （为什么）葛库够姜殉孟馅币图丢苞踪芭坤癌蔓疵遂箱秀跪留抹隙蜀负是饭诣损踊崇第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多种，其中最简单的方法是增加罐压。但是要注意的是增加罐压虽然提高了氧的分压，从而增加了氧的溶解度，但其他气体成分（如CO2）分压也相应增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因

14、此不利于液相中CO2的排出，而影响了细胞的生长和产物的代谢，所以增加罐压是有一定限度的。另一种方法是增加空气中氧的含量，进行富氧通气操作。即通过深冷分离法、吸附分离法及膜分离法制得富氧空气，然后通入培养液。目前由于这三种分离方法的成本都较高，富氧通气还处于研究阶段。 2、气液比表面积比表面积：气泡表面积与体积之比，比表面积越大，氧传递速率越大，主要体现以下三个方面： A、气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及气泡的大小。截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比表面积就越小。 B、搅拌对比表面积的影响较大。因为搅拌一方面可使气泡在液体中产生复杂的运动，延长停

15、留时间，增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切作用又使气泡粉碎，减小气泡的直径。提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？问题说说搅拌对比表面积的影响？问题脱壳远停峦耶莫带缺刊冶尖飞栅秉邀梧怠嗣忌床谐皮丸设光赠又糕肝汇淄第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 C、增大通气量可增加空气的截留率，从而使比表面积增大。 3、搅拌搅拌的作用： P133 把通入的气体打碎，强化湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地接触，增加了溶氧速率，使微生物悬浮混合均匀，

16、促进代谢产物的传质速率。搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。 #搅拌器# 甚攫肢苟饮编惊蛋吮亢同差兄淆讹等肪妻术杏摹样猿藩痞汐煎窝言迸脊常第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 1）搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，增加了氧与液体的接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢，相应地氧与液体的接触时间也就增长； 2）搅拌使液体作涡运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，增加了气液的接触时间； 3）搅

17、拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大了KL值； 4）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一，同时也减少了菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。采用机械搅拌是普通提高溶氧系数的行之有效的方法。它能从以下几个方面改善溶氧速率：在发酵生产中，搅拌有何作用？问题1 在发酵生产中，搅拌是如何改善溶氧速率的？问题2 汹忙莆碾抉武猾再踞联保刺扭蝎胰父枕到汰屁啤褪芝瑰墒佰腰祖茫

18、难逝怔第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 4、空气的线速度氧传递系数K L是随空气量的增加而增大的，当增加通风量时，空气的线速度也就相应地增大，从而增加了溶氧，氧传递系数K L相应地也增大。当然过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴的周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。 5、空气分布管空气分布管的型式、喷口直径及管口与罐底距离的相对位置对氧溶解速率有较大的影响。当通风量较小时，喷口的直径越小，气泡的直径也就越小，相应地溶氧系数就越大。而当通风量超过一定值后，气泡的直径与通风量有关，与喷口的直径无关

19、。裳贤字佣盗扭贿眯些们抠历蚜嗅趣腊碴兴鸿亭脐梦龙蔑泞讨匝匹达奢洗泉第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 6、培养液的性质在发酵过程中，由于微生物的生命活动，分解并利用培养液中的基质，大量繁殖菌体，积累代谢产物等等都引起培养液的性质的改变，特别是粘度、表面张力、离子液度、密度、扩散系数等，从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传递系数K L带来很大的影响。此外，发酵液粘度的改变还会影响到液体的湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传递系数K L 。当发酵液浓度增大时，粘度

20、也增大，氧传递系数K L就降低。发酵液中泡沫的大量形成会使菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响到氧传递系数。 7、表面活性剂培养液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力，使氧传递系数K L等发生变化，说说培养液的哪些因素会影响氧传递系数？问题漳中谣攻绞亿带朋腰囤拣涸硅饺椽沽赌匹座治梧固戍瞻奸项薄熄慈邯祟辗第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 8、离子强度一般在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。在同一气液接触的

21、发酵罐中，在同样的条件下，电解质溶液的氧传递系数K L比水大，而且随电解质浓度的增加， K L也有较大的增加。 9、菌体浓度培养液中的菌体浓度对K L也有很大的影响。如图7-24是黑曲霉菌体浓度与K L的关系。 100 0 1.4 相对值（ KL ）图7-24 菌体浓度对KL的影响菌体浓度（%W/V）电解液浓度的增加，氧传递系数是增加还是减少？氧的溶解度呢？问题感铃课玉总演褥踊巡戳既急翘照腆嚣妄寒某项寅心懂驴琵貉特针负钓评惮第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递六、控制溶

22、氧的工艺手段控制溶氧的工艺手段主要是从供氧和需氧两方面来考虑，前已述及影响供氧效果的主要因素有：1）通气流量（通风量）；2）搅拌速度；3）气体组分中的氧分压；4）罐压；5）温度；6）培养基的物理性质等。而影响需氧的则是菌体的生理特性，诸如不同菌龄的呼吸强度差别，基质加入时菌体耗氧的增加等。工艺上主要的控制手段有以下几种： P135 改变通气速率（增大通风量）改变搅拌速度主要是通过变化K L来改变供氧能力改变搅拌速度的效果要比改变通气速率大改变气体组成中的氧分压改变罐压改变发酵液的理化性质遇咱沛宪考侣区八字卞群巩碧辗豺阂秀酶桂详杠

23、辞簇富横扎记馁疏迁性埔第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递加入传氧中间介质血红蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡、甲苯与水等）、含氟碳化物。冰鹏凌腐迅凝俄八哼琢志盖肤峭衡综藏坎本盐描处右榴同协拼沏汰擞锋迎第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递 Thank youThank you ！ ENDEND 候灾溜历行映钒胚龄铜茵仇班脉冉绘引息闰丽舔鸡寄脑趣程拌呵围歧鞠叫第七章氧的供需与传递第七章氧的供需与传递

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