第四章 氧的传递与供需.pptVIP

第四章氧的传递与供需;氧是一种难溶于水的气体，在25℃，1×105Pa条件下，氧在纯水中的溶解度仅为1.26mmol/L，空气中的氧在纯水中的溶解度更低（0.25mmol/L）。培养基因含有大量的有机和无机物质，氧的溶解度比水中还要低。这就决定了大多数微生物深层培养需要适当的通风条件，才能维持一定的生产水平。;4.1 细胞对氧的需求;当氧是限制性基质时，比耗氧速率;4.1 细胞对氧的需求;临界溶氧浓度：当氧为限制性基质时，维持细胞正常生长繁殖的最低氧浓度称为临界溶氧浓度。微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。 氧在培养液中的溶解度很低，但在培养过程中不需要使溶氧浓度达到或接近饱和值，而只要超过某一临界氧浓度即可。;细胞生长对比耗氧速率的影响;碳源种类对细胞比耗氧速率的影响 ;此外，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强度。;氧的满足度 ;氧的满足度;4.2 培养过程中氧的传递;氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服的阻力： 1）从气相主体到气液界面的气膜传递阻力 1／Ka 2）气液界面的传递阻力 1／Ki 3）从气液界面通过液膜的传递阻力 1／KL 4）液相主体的传递阻力 1／KLB 5）细胞或细胞团表面的传递阻力1／KLC 6）固液界面的传递阻力1／KIS 7）细胞团内的传递阻力1／KA 8）细胞壁的阻力1／KW 9）反应阻力1／KR;在以上的这些阻力中：1）－4）项是供氧方面的氧传递阻力；5）－9）项是耗氧方面的阻力，而氧从空气泡到细胞的总传递阻力为上述各项传递阻力的总和。 这种传递阻力有主次之分。当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细胞团内的传递阻力消失，而当细胞吸附在气液界面上时，阻力4）5）6）7）消失。;培养过程中氧的传质理论基础;4.2.1 气－液相间的氧传递;双膜理论的基本假设;根据双膜理论，氧分子是借助于扩散作用透过气膜，穿过界面进入液膜并形成溶液，然后再以扩散方式透过液膜到达液相主体，当气－液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的氧传递速率相等即:;;根据亨利定律：;对于难溶气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力相比可以忽略不计，即1／HkG1/kL，因此kL=KL在单位体积培养液中，氧的传递速率为： OTR－单位体积培养液中的氧传递速率mol/m3·s； －比表面积，m2/m3; 通常将KL与 合并在一起KLa作为一个参数处理，称为体积传递系数或容量传递系数（s-1）。;4.2.2 液－固相间的氧传递;;因为细胞密度和液体密度非常接近，相对运动速度ω很小，;4.2.3 细胞团内的氧传递;;4.2.4 氧传递速率与细胞呼吸关系;;4.2.5 氧传递系数的关联;4.3 培养基的流变特性;牛顿流体;牛顿流体;非牛顿型流体;非牛顿型流体;非牛顿型流体;非牛顿型流体;非牛顿型流体;非牛顿型流体;4.4 溶解氧的测定方法;化学法;化学法的优缺点 优点：测定比较准确，能直接得到氧的浓度，是其它测定方法的基础。也常用于衡量其它方法的准确性。 缺点：但是如果样品带有颜色时，这些颜色会干扰测定的终点的判断。除此之外，样品中如果有一些氧化还原性物质存在，也会影响测定的准确性。因此化学法不适用于直接测定发酵液中溶解氧的浓度。;极谱法;给浸在待测样品中的金属阴极和阳极加直流电压，当电压固定在0.8V左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生上述反应而被消耗，阴极表面与液体的主体间就产生一个浓度差，于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面参与电极上的反应，电路中能维持一定的电流。当样品的氧扩散过程达到稳定状态时，可测得回路中的扩散电流，并按下式计算：;;由于电极反应速度很快，实际上阴极表面的氧浓度Cc可视为零。因此有式：;复膜氧电极法;复膜氧电极所测得的实际上是氧从液相主体扩散到阴极的扩散速率。氧从液相主体到达阴极表面地推动力是氧的分压，氧从被测的介质经过电极膜外侧的滞留液膜、电极膜和电解质才扩散到阴极表面，当氧的扩散过程达到稳定状态时，单位面积氧的扩散速率为：;如果所用复膜氧电极的阴极面积为A，原电池氧电极的稳定电流为：;压力法;;4.5 氧传递系数的测定;计算时，常采用罐压P作为推动力，同时由于溶液中氧的分压为零，上式可写成： V=KGaP 优点: 氧溶解速度和亚硫酸盐的浓度无关，且反应速度快，不需特殊仪器。 缺点：亚硫酸盐对微生物的生长有影响，测定不能在真实的培养状态下进行，因此测得的数据不能完全反映真实培养状态下的溶氧情况，且仅能表示培养设备的通气效率的优劣。;物料衡算法;物料衡算法;动态法;动态法;排气法;排气法;4.6 影响氧传递速率主要因素;操作变量—搅拌;1）搅拌能把大的空气气泡打碎成微小的气泡，增加了氧与液体的接触面积。 2