7-微生物工程-第七章-发酵工业中氧的供给.pptVIP

一、微生物对氧的需求 二、发酵过程中氧的传递 三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系 四、影响氧传递的因素 五、发酵过程中氧的传递效率 六、溶解氧、摄氧率、KLa的测定 呼吸作用（末端电子受体） 直接参与一些生物合成反应 微生物的比耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响。 概念：各种微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界氧浓度（Ccr）。 CL Ccr，QO2 保持恒定 CL Ccr， QO2 大大下降 (1) 当CLCcr时， QO2＝ (QO2)m (2) 当CL Ccr时， k0： 亲和常数（半饱和常数），单位：mol/m3 k0特征： k0越大，亲和能力越小， QO2越小。 不同微生物的k0特征值不一样，可以此作为通气操作的依据。 培养初期： QO2逐渐增高，X较小。 在对数生长初期：达到(QO2 )m，但此时X较低，γ并不高。 在对数生长后期：达到γm, 此时 QO2 (QO2 )m ， XXm D. 对数生长期末：S↓, OTR↓, QO2 ↓ 而γ∝(QO2 , X , OTR), 虽然X=Xm,但 QO2、 OTR 占主导地位，所以 γ↓ (OTR: 单位体积培养液的氧传递速率） E. 培养后期：S→0，QO2 ↓↓, γ↓↓ 微生物本身遗传特征的影响：如 k0↑，QO2↓ 培养基的成分和浓度 碳源种类 耗氧速率：油脂或烃类葡萄糖 蔗糖 乳糖 培养基浓度 浓度大, QO2 ↑; 浓度小, QO2↓ 菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大,晚龄菌QO2小 发酵条件的影响 pH值→影响酶活; 温度→影响酶活及溶氧：T ↑, CL ↓? 代谢类型(发酵类型)的影响 若产物通过TCA循环获取,则QO2高,耗氧量大 谷氨酸、天冬氨酸 若产物通过EMP途径获取,则QO2低,耗氧量小 苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸 溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的（发酵不同阶段需氧要求不同）。 氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素。 提高传氧效率,能大大降低空气消耗量, 降低设备费和动力消耗,以及减少泡沫形成和染菌的机会, 提高设备利用率。 摇瓶水平：摇床转速慢，装量多 搅拌缓和，通气缓和 表面通气，膜透析（扩散） 摇瓶水平： 转速快，装量少 通无菌空气并搅拌 气升式 气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，一层气膜，,一层液膜； 氧以浓度差方式透过双膜； 气泡内气膜以外的任一点氧浓度，氧分压相等； 液膜以外的液体任一点氧浓度、氧分压相等。 2）在双膜之间界面上，氧分压与溶于液体中氧浓度处于平衡关系 ： 3）氧传递过程处于稳定状态时，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。 传质达到稳态时，总的传质速率与串联的各步传质速率相等，则单位接触界面氧的传递速率为 ： nO2—单位接触界面的氧传递速率， P、Pi—气相中和气、液界面处氧的分压，MPa CL、Ci—液相中和气、液界面处氧的浓度， kG—气膜传质系数， kL—液膜传质系数，m/h 在气液传质过程中，通常将KLa作为一项处理，称为体积溶氧系数或体积传质系数。 在单位体积培养液中，氧的传质速率（气液传质的基本方程式）为: 三、发酵过程耗氧与供氧的动态关系 氧传递特征（发酵罐传递性能） 若需氧量＞供氧量，则生产能力受设备限制，需进一步提高传递能力； 若需氧量＜供氧量，则生产能力受微生物限制，需筛选高产菌：呼吸强，生长快，代谢旺盛。 供氧与耗氧至少保证平衡，此时可用下式表示： Da为X的线性函数 在发酵过程中，培养液内某瞬间溶氧浓度变化可用下式表示： 在稳态时,则 ，则 非稳态过程，如图7-5 （1）温度 （2）溶质 （3）溶剂 （4）氧分压 氧在水中的溶解度随温度的升高而降低，在1.01×105Pa和温度在4～33℃的范围内，与空气平衡的纯水中，氧的浓度可由以下经验公式计算： A、电解质 1)对于单一电解质 式中 hi—第i种