第七章氧的供需与传递

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1、生化生产工艺课程教案2006年5月胡斌杰第七章氧的供需与传递教学内容1、细胞对氧的需求2、培养过程中氧的传质理论3、溶解氧的测定方法4、氧传递系数的测定5、影响氧传递速率的主要因素6、控制溶氧的工艺手段一、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

2、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/m3·s]。2、摄氧率与呼吸强度之间的关系r=Qo2·X式中

3、：r---微生物耗氧速率[molO2/（m3·s）]；Qo2---菌体呼吸强度（比耗氧速率），molO2/（kg干细胞·s）；X---发酵液中菌体浓度，（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/m3·h，补料后（78h）升为40.9molO2/m3·h

4、，随着营养物质的消耗，在94h又降到15-20molO2/m3·h。Qo2干重PH疣孢漆斑霉在分批培养时比耗氧速率的变化Qo2干重r=Qo2·Xr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31)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

5、的微生物浓度（　）。213456789气液界面气泡液膜液相主体固液界面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。213456789气液界面气泡液膜液相主体固液界面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

6、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22、氧的传递速率总方程式OTR=KLα（c*-cL）式中：OTR---单位体积培养液中的传氧速率，[mol/m3·s]；KL---以浓度差为推动力的总传质系数（m/s)α–比表面积（m2/m3)KLα---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

7、4、压力法复膜氧电极测定的是氧的分压阅读课本P123-126KL---以浓度差为推动力的总传质系数（m/s)α–比表面积（m2/m3)KLα---以浓度差为推动力的体积传递系数，（s-1）；复习OTR=KLα（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/m3·s]；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1、化学法2、极谱法3、复膜氧电极