1、,生化生產工藝課程教案,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物。而需氧微 生物的氧化酶系是存在于細胞內原生質中，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）： 單位質量的干細胞在單位時間內消耗氧的量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：在生產中，要保證最高產物產量，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,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與最佳溶氧濃度的關系 ？為什么？,問題2,舉例說說微生物的次級代謝產物的生產也與臨界溶氧濃度有關 ？,問題3,1)判斷：在生產中，要保證最高產物產量，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,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、化學法,化學法的優(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，也常用于衡量其他方法的準確 性。,2、極譜法,3、復膜氧電極法,4、壓力法,復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）；,復習,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 P130表,電解質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生復雜的運動，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，促進代謝產物的傳質速率。 攪拌器的型式、直徑大小、轉速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內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、轉速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內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)酵生產中，攪拌有何作用？,問題1,在發(fā)酵生產中，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，當增加通風量時，空氣的線速度也就相應地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)K L相應地也增大。 當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。 當通風量較小時，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，相應地溶氧系數(shù)就越大。而當通風量超過一定值后，氣泡的直徑與通風量有關，與噴口的直徑無關。,6、培養(yǎng)液的性質,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，大量繁殖菌體，積累代謝產物等等都引起培養(yǎng)液的性質的改變，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

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，電解質溶液的氧傳遞系數(shù)K L比水大，而且隨電解質濃度的增加， 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)基的物理性質等。而影響