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1、,生化生产工艺课程教案,2006年5月,胡斌杰,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。 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
2、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消耗氧的量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 。,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s ） ； X -发酵
3、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（ ）。,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,
4、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？,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（ ）。,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,
5、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。,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2,2、氧的传递速率总方程式,OTR=K L（c*-cL） 式中： OT
6、R-单位体积培养液中的传氧速率，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,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-以浓度差为推动力的总传质系数（m/s) 比表面积（m2/m3) KL
7、-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）； 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,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
8、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。,
9、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,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
10、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，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#,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
11、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2,4、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
12、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。,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
13、K L 。当发酵液浓度增大时，粘度也增大，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,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
14、是黑曲霉菌体浓度与K L的关系。,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,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,看书回答问题,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。,Thank you！,END,
