发酵工程-长沙医学院

1、长沙医学院教案课程名称发酵工程授课题目 (章节或主题 )第 5 章氧的供需与传递授课教师贺气志所属系 （部） 基础系所属教研室生物技术职称助教授课时间2013 年 4 月 5 日第 6 周星期五第 35 节第 6 次课授课时数3 学时授课班级生物技术专业（本科 专科） 2010级 1 班教学课型理论课实验课见习课习题课讨论课其它教材名称、作者、出版社及出版时间生化生产工艺学 （第二版）梅乐和主编，科学出版社，2007教学目的要求：1.了解细胞对氧的需求、培养过程中氧的传质理论、溶氧新概念、熟悉溶解氧、氧传递系数的测定方法、掌握影响氧传递速率的主要因素、控制溶氧的工艺手段重点与难点：重点：影响氧

2、传递速率的主要因素、控制溶氧的工艺手段难点：影响氧传递速率的主要因素、控制溶氧的工艺手段教学方法（请打选择）：讲授法讨论法 启发式 自学辅导法练习法 ( 习题或操作 )读书指导法（以问题为中心的教学法）其他教学手段（请打选择）：板书实物 标本 挂图 模型 投影 幻灯录像 CAI（计算机辅助教学）教学过程设计和教学内容：此列为提示时间第五章氧的供需与传递栏（包括重分配一、细胞对氧的需求点、难点、（一）微生物对氧的需求氧是生物体内重要的元素组成：它既是细胞的组成成分和各种产物的构成元素，教学方法、同时还是生物能量代谢所必需的元素。微生物的耗氧量（用呼吸强度和摄氧率表示）教学手段、呼吸强度（ QO2

3、）：单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，单位为mmol （ O2） /g（干菌体） h，表示微生物的绝对耗氧量，但当培养液中有固体成分存在时，测定困难。更新教学内摄氧率（ ）：单位体积培养液在单位时间内的耗氧量，单位为mmol （ O2）/（ L h）。容、教书育在临界氧浓度以下， 微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。好氧微生物临界氧浓度大约是饱和浓度的1-25。人等）对于牛顿型培养液，如细菌和酵母菌培养液， 其呼吸临界氧浓度不受培养条件的影响；而非牛顿型培养液，其呼吸临界氧浓度与搅拌器的直径和转速有关。在抗生素发酵过程中，微生物生长阶段和产物合成阶段的呼吸临界氧浓度（分别以C

4、长临和 C 合临表示）是不同的。C 长临和 C 合临是随菌种的生理学特性而变化的，一般有三种状态： C 长临和 C 合临大致相同， C 长临大于 C 合临， C长临小于 C 合临。多数品种的发酵中C 长临大于 C 合临。（二）氧在液体中的溶解特性氧溶解于水的过程是气体分子的扩散过程：气体与液体相接触，气体分子就会溶解于液体之中，经过一定时间的接触， 气体分子在气液两相中的浓度就会达到20mi动态平衡。若外界条件（如温度、压力等）不在变化，气体在液相中的浓度就不再随时间而变化，此时的浓度为该条件下气体在溶液中的饱和浓度，用C* 表示，单n位可用 mmol O2/L 、mg O2/L 或大气压表示

5、。 氧是难溶气体， 在 25和 105 Pa 时，氧在纯水中的溶解度为0.25 mmol/L 。对于发酵液中每小时在 1 m3 培养液中需要氧是溶解量的 750 倍。如果中断供氧，菌体会在几秒钟内耗尽溶氧。影响氧饱和浓度的主要因素有：温度、溶液性质、氧分压。（三）影响微生物需氧量的因素（ 1）微生物的种类和生长阶段讲授不同的菌种和生长阶段，需氧量也不同。一般来说，菌体处于对数生长阶段的呼吸强度较高；生长阶段的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。因此认为培养液的摄氧率达最高值时，培养液中菌体浓度也达到了最大值。（ 2）培养基的组成培养基中碳源的种类和浓度的影响量显著。在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增

6、加而增加。 （补料控 DO ）培养液中溶质浓度影响氧的溶解度， 因而影响菌体的摄氧能力。（ 3）培养液中溶解氧浓度CL 的影响当培养液中溶解氧浓度CL 高于菌体的C 长临时， 菌体呼吸不受影响。如 CL低于 C 长临时， 菌体的多种生化代谢就要受影响，长和产物合成的现象。（ 4）培养条件影响严重时产生不可逆的抑制菌体生温度愈高，营养成分愈丰富，微生物呼吸强度的临界值也相应增长；最适值时需氧量也最大。（ 5）CO2 的影响pH微生物呼吸作用产生 CO2，在相同条件下， CO2 在水中的溶解度是氧的 30 倍，需及时除去。二、培养过程中氧的传质理论（一）供氧的实现形式（二）发酵过程中氧的传递氧传递

7、的阻力需氧发酵过程中，氧必须先溶解于培养液，才可能传递至细胞表面，再经过扩散作用进入细胞，参与菌体内的生物化学反应。微生物发酵过程中，氧需克服从气态液体菌体多方面的阻力， 才能参与各种生化反应氧的这一系列传递过程， 需克服供氧方面和需氧方面的各种阻力才能完成。影响氧传递的因素：流动模型、粘度、浓度、颗粒尺寸、密度等。氧的传递方程式气态氧转变成溶解态氧的过程与液体吸收气体的过程相同，可用传质公式表示：N KL （C CL ）N：氧的传递速率，mmol O2/L hC：溶液中溶氧饱和浓度，mmol O2/L hCL ：溶液主流中的溶氧浓度，mmol O2/L hKL：以浓度差为推动力的氧传质系数，

8、m/h ：比表面积，难测定，m2/m3 。将 KL 当作一项，称为液相体积氧传递系数，1/h。当发酵液中的溶解氧浓度不是菌体生长和产物合成的限制因素时，总耗氧速率为：N QO2X 15miN ：需氧速率， mmol O2/L hQO2：氧的比消耗速率（呼吸强度） ， mmol O2/g( 干菌丝 ) h难点nX ：培养液中菌体浓度，g(干菌丝 ) /L ：摄氧率， mmol O2/(L h)由于微生物的种类不同或培养环境条件的差异，各种微生物对氧的最大比消耗速率也有所不同。三、溶解氧的测定方法（一）化学法在样品中加入 MnSO4 和碱性 KI 溶液， 生成 MnOH 沉淀，与溶解氧反应生成锰酸

9、，再在反应液中加入 H2SO4, 释放出游离的碘，然后用标准 Na2S2O3 液滴定。优点：测定较准确，且能直接得到氧的浓度值，往往是其它测定方法的基础。缺点：当样品中存在氧化还原性物质，测定结果会有偏差；当样品带有颜色时，会影响测定终点的判断，故不适用于直接测定发酵液的溶解氧浓度。（二）极谱法由于电极反应速度很快，CC 实际上可视为0，故上式可转化为：由此可见： 溶解氧浓度与测得的扩散电流成正比。根据对一系列已知氧浓度的样品的电流测定， 将获得的电流值对氧浓度作图就可得到相应的标准曲线，用于未知溶液的氧浓度测定。（三）复膜氧电极法复膜电极主要由两个金属电极、电解质和透气的塑料薄膜构成。将阴极

10、和阳极、电解质溶液装入一个壳体，用能透过氧分子的塑料薄膜封闭起来，就成了复膜氧电极。复膜氧电极类型：极谱型（使用时需要外界加给一定的电压才能工作）和原电池型（使用时不需外界再施加点解电压） 。dCLK L a(C*CL ) QO2 x（四）压力法 dt四、氧传递系数的测定1 )( dCLQO 2 x) C*CL(（一）亚硫酸盐氧化法dtK L a利用亚硫酸根在铜或镁离子作为接触剂时被氧迅速氧化的特性来估计发酵设备的通气效果。当亚硫酸盐浓度为0.018 0.47mol/L ，温度 20 45之间时，与氧() C)(便可根据亚硫酸钠的氧反应的速度几乎不变，用碘量法测定未经氧化的亚硫酸钠，K L a

11、dt化量来求得氧的溶解量。（二）取样极谱法当电压为 0.61.0V 时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。由于氧的分解电压最低， 培养液中的其它物质对测定的影响甚微， 故此法可直接用于培养状态下氧传递系数的测定。CLi L（三）物料衡算法（四）动态法2FDLA发酵过程中停止通气片刻， 人为制造一个不稳定状态来求 KLa 。不稳定状态时发酵液中某一时间间隔的溶氧量为：可改写为：重点（五）排气法在被测定的发酵罐中先用氮气赶去液体中的溶解氧或装入已除去溶解氧的0.1mol/L 的 KCl 溶液，当开始通气及搅拌后，定时取样用极谱仪或其它溶氧测定仪测出溶氧浓度CL ，同时通过将CL 对

12、t 作图求出溶液中饱和的溶氧浓度C* 。缺点：结果不真实，不能代表发酵过程中的实际情况，也不能反映当时发酵液的特性，同时也没有考虑到氧浓度差C 对 KLa 的影响。（六）复膜电极法五、影响氧传递速率的主要因素（一）溶液的性质对氧的溶解度的影响氧是一种难溶气体，其在水中的溶解度随温度的升高而降低；在电解质溶液中，盐析作用也使氧的溶解度降低； 在非电解质溶液中， 氧的溶解度一般随溶质浓度的增加而下降。（二）气液比表面积气液比表面积的大小决定于截留在培养液的气体体积及气泡的大小。 截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，则气泡比表面积就越大。搅拌对比表面积的影响较大，一方面延长停留时间，增大气体的截

13、留率；另一方面又使气泡粉碎，减小气泡的直径。措施：增大通气量。（三）影响氧传递系数的一些因素.搅拌、空气流速的影响、发酵液性质的影响、泡沫的影响、发酵罐设备结构的影响、表面活性剂、离子强度、菌体浓度六、控制溶氧的工艺手段（一）改变通气速率（增大通风量）改变通气速率主要是通过变化KLa 来改变供氧能力，有两种情况：1）在低通气量的情况下，增大通气量对提高溶氧浓度有十分显著的效果；2）在空气流速已经十分大的情况下，再增加通气速率，作用便不明显，反而此时会产生某些副作用，比如泡沫的形成、水分的蒸发、罐温的增加、以及杂菌概率增加等。（二）改变搅拌速度改变搅拌速度的效果要比改变通气速率大，因为：1）通气

14、泡沫被充分粉碎，增加有效气液接触面积；2）液流滞留增加，气泡周围液膜厚度和菌丝表面液膜厚度减小，并延长了气泡在液体中的停留时间，因而就较明显地增加 KLa ，提高了供氧能力。（三）改变气体组成中的氧分压改变搅拌速度的效果要比改变通气速率大，因为：重点1）通气泡沫被充分粉碎，增加有效气液接触面积；2）液流滞留增加，气泡周围液膜厚度和菌丝表面液膜厚度减小，并延长了气泡在液体中的停留时间，因而就较明显地增加KLa ，提高了供氧能力。（四）改变罐压（五）改变发酵液的理化性质（六）加入传氧中间介质七、溶氧新概念空气的压缩、冷却、过滤、搅拌等都要消耗大量的能量，而结果仅有极小的一25mi部分的氧能得到利用，造成能量浪费的根本原因是氧在水相中的溶解度太低所致，因而在深层发酵中提高溶氧就成为高产发酵的限制因素。n在液相中加入氧载体，在菌体内也导入与氧有高度亲和力的血红蛋白便是溶氧新概念。20min20min20min复习思考及作业题布置11、增加溶氧常采用的工艺措施？2、临界溶氧浓度、饱和溶氧浓度、传氧系数？3、在发酵过程中，微生物对氧的需求是否不变？4、发酵过程中氧的传递可划分为哪几个步骤？潜在的限制性步骤是哪一个？5、简述实验方法确定发酵过程某