氧的供需与传递ppt课件

1、生化消费工艺课程教案生化消费工艺课程教案20192019年年5 5月月胡斌杰胡斌杰第七章氧的供需与传送第七章氧的供需与传送教教 学学 内内 容容 1、细胞对氧的需求 2、培育过程中氧的传质实际 3、溶解氧的测定方法 4、氧传送系数的测定 5、影响氧传送速率的主要要素 6、控制溶氧的工艺手段 一、细胞对氧的需求 1、三个根本概念、三个根本概念 好气性微生物的生长发育和代谢活动都需求耗费氧气，由于好气性微生物只需氧分子存在情况下才干完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必需供应适量无菌空气，才干使菌体生长繁衍积累所需求的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生

2、质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。发酵液中溶解氧的多少，普通以溶解氧系数表示。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第二自然段比耗氧速率呼吸强度： 单位质量的干细胞在单位时间内耗费氧的量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衍所需求的最低溶解氧的浓度。(mol/m3)摄氧率： 指单位体积培育液在单位时间内的耗费氧的量，以 r

3、表示，单位为molO2/m3s 。2、摄氧率与呼吸强度之间的关系、摄氧率与呼吸强度之间的关系 r=Qo2X式中：式中： r - 微生物耗氧速率微生物耗氧速率molO2/m3s； Qo2-菌体呼吸强度比耗氧速率，菌体呼吸强度比耗氧速率， molO2/kg干细胞干细胞s ； X -发酵液中菌体浓度，发酵液中菌体浓度，kg/m3； 3、留意点、留意点P115 1)判别：在消费中，要保证最高产物产量，供氧时必需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。 3)培育液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大的影响。 3)细胞的摄氧率与培育时

4、间及细胞浓度有关 例如在链霉素的发酵过程中，初始的摄氧率为34molO2/m3h，补料后78h升为40.9 molO2/m3h，随着营养物质的耗费，在94 h又降到15-20 molO2/m3h。Qo2干重PH疣孢漆斑霉在分批培育时比耗氧速率的变化Qo2干重r=Qo2Xr 请问摄氧率和比耗氧速率在细胞培育的哪一阶段到达最高值？4)培育条件如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，也会抑制细胞的呼 吸 。阅读课本P116回答以下问题 何谓氧的满足度？问题问题1 举例说说各种氨基酸的消费与最正确溶氧浓度的关系 ？为什么？问题问题2 举例说说微生物的次级代谢产物的消费也与临

5、界溶氧浓度有关 ？问题问题31)判别：在消费中，要保证最高产物产量，供氧时必需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。213456789气液界面气泡液膜液相主体液相主体固液界面细胞团细胞团液膜细胞膜细胞生物反响氧从气泡到细胞的传送过程表示图 P117划线二、培育过程中氧的传质实际 1、氧从气泡到细胞的传送过程、氧从气泡到细胞的传送过程 对于大多数微生物细胞的培育过程，细胞分散在培育液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培育液中通往空气来进展。氧从空气泡传送到细胞内要抑制一系列阻力，首先氧须从气相溶解于培育基中，然后传送到细胞内的呼吸酶位置上被利用。2134567

6、89气液界面气泡液膜液相主体液相主体固液界面细胞团细胞团液膜细胞膜细胞生物反响氧从气泡到细胞的传送过程表示图 氧从空气泡传送到细胞的过程中需求抑制哪几种阻力？问题问题1 氧的整个传送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道路？问题问题22、氧的传送速率总方程式、氧的传送速率总方程式OTR=K Lc*-cL式中： OTR-单位体积培育液中的传氧速率，mol/m3s； KL-以浓度差为推进力的总传质系数m/s) 比外表积m2/m3) KL-以浓度差为推进力的体积传送系数，s-1； cL-溶液中氧的实践浓度，mol/m3； c*-与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，mol/m3；

7、例题例题三、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根底，也常用于衡量其他方法的准确性。 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 KL-以浓度差为推进力的总传质系数m/s) 比外表积m2/m3) KL-以浓度差为推进力的体积传送系数，s-1； 复习复习OTR=K Lc*-cL氧的传送速率总方程式OTR-单位体积培育液中的传氧速率，mol/m3s；cL-溶液中氧的实践浓度，mol/m3；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

8、谱法 3、复膜氧电极法 4、压力法 四、氧传送系数的测定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、影响氧传送速率的主要要素 根据气液传送速率方程： OTR=K Lc*-cL凡是影响推进力c*-cL、比外表积和传送系数 的要素都会影响氧传送速率。1、溶液的性质对氧的溶解度的影响、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 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添加罐压。但是要留意的是添加罐压虽然提高了氧的分压，从而添

9、加了氧的溶解度，但其他气体成分如CO2分压也相应添加，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，而影响了细胞的生长和产物的代谢，所以添加罐压是有一定限制的。 另一种方法是添加空气中氧的含量，进展富氧通气操作。即经过深冷分别法、吸附分别法及膜分别法制得富氧空气，然后通入培育液。目前由于这三种分别方法的本钱都较高，富氧通气还处于研讨阶段。 2、气液比外表积、气液比外表积 比外表积：气泡外表积与体积之比，比外表积越大，氧传送速率越大，主要表达以下三个方面：A、气液比外表积的大小取决于截留在培育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，那么气泡比外表积就越

10、小。 B、搅拌对比外表积的影响较大。由于搅拌一方面可使气泡在液体中产生复杂的运动，延伸停留时间，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？提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？问题问题说说搅拌对比外表积的影说说搅拌对比外表积的影响？响？问题问题C、增大通气量可添加空气的截留率，从而使比外表积增大。 3、搅拌、搅拌 搅拌的作用：搅拌的作用： P133 把通入的气体打碎，强化湍流程度，使空把通入的气体打碎，强化湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地接触，添加了

11、溶氧速率，使微生物悬浮混合均接触，添加了溶氧速率，使微生物悬浮混合均匀，促进代谢产物的传质速率。匀，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搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传送速率都有影响。送速率都有影响。 #搅拌器搅拌器#1搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡，添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，延伸了气泡的运动道路，添加了气液的接触时间；3搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气

12、泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因此增大了KL值；4搅拌使菌体分散，防止结团，有利于固液传送中的接触面积的添加，使推进力均一，同时也减少了菌体外表液膜的厚度，有利于氧的传送。 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送速率都有影响。 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：在发酵消费中，搅拌有何作用？在发酵消费中，搅拌有何作用？问题问题1在发酵消费中，搅拌是如何改善溶氧速在发酵消费中，搅拌是如何改善溶氧速率的？率的？问题问题24、空气的线速度、空气的线速度 氧传送系数K L是随空气量的添加而增大的，当添加通风量时，空气

13、的线速度也就相应地增大，从而添加了溶氧，氧传送系数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，气流构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 空气分布管的型式、喷口直径及管口与罐底间隔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。而当通风量超越一定值后，气泡的直径与通风量有关，与喷口的直径无关。 6、培育液的性质、培育液的性质 在发酵过程中，由于微生物的生命活动，分解并利用培育液中的基质，大量繁衍菌体，积累代谢产物等等都引起培育液的性质的改动，特别是粘度、外表张

14、力、离子液度、密度、分散系数等，从而影响到气泡的大小、气泡的稳定性，进而对氧传送系数K L带来很大的影响。 此外，发酵液粘度的改动还会影响到液体的湍流性以及界面或液膜阻力，从而影响到氧传送系数K L 。当发酵液浓度增大时，粘度也增大，氧传送系数K L就降低。 发酵液中泡沫的大量构成会使菌体与泡沫构成稳定的乳浊液，影响到氧传送系数。 7、外表活性剂、外表活性剂 培育液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的外表活性物质分布在气液界面，增大了传送的阻力，使氧传送系数K L等发生变化， 说说培育液的哪些要素会影响氧传送系数？说说培育液的哪些要素会影响氧传送系数？问题问题8、离子强度、离子强度 普通在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因此有较大的比外表积。在同一气液接触的发酵罐中，在同样的条件下，电解质溶液的氧传送系数K L比水大，而且随电解质浓度的添加， K L也有较大的添加。 9、菌体浓度、菌体浓度 培育液中的菌体浓度对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。 10001.4相对值 KL 图7-24 菌体浓度对KL的影响 菌体浓度%W/V电解液浓度的添加，氧传送系数是添加还是减少？氧的溶解度呢？电解液浓度的添加，氧传送系数是添加还是减少？氧的溶解度呢？问题问题六、控制溶氧的工艺手段 控制溶氧的工艺手段主要是从供氧和需氧两方面来思索，前已述及影响供氧效果的主要