微生物发酵氧的供需与传递.ppt

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1、第五章氧的供需与传递微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制培养过程中氧的传质理论溶氧传递系数的测定方法影响氧传递速率的主要因素发酵液中溶解氧的测定和控制第一节微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系微生物的临界氧浓度控制发酵液中溶解氧的意义一、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系无菌空气中的氧发酵液中的溶解氧溶解细胞内氧化酶系传递代谢产物菌体利用微生物吸氧量的表示r：微生物耗氧速率，mmol/(L·h)QO2：菌体呼吸强度，mmol/(g·h)cX：发酵液中菌体的质量浓度，g/L影响微生物耗氧速率的因素菌体浓度QO2：微生物种类和生长阶段

2、培养基的组成培养液中溶解氧浓度（cL）培养条件CO2微生物种类不同，QO2不同。对数期早期，QO2达到最大值。菌体生长时期＞产物合成时期cL>c临，呼吸不受影响；cL＜c临，微生物代谢受影响。与pH、培养温度有关。相同压力下，二氧化碳溶解度是氧气的30倍，所以必须及时除去二氧化碳，否则会影响微生物的呼吸，甚至是代谢。碳源摄氧速率，mol/(m3·s)葡萄糖3.72×10-3蔗糖1.9×10-3乳糖1.4×10-3碳源需氧量，分子氧/分子碳原子甲醇1.34石蜡1.0碳水化合物0.4碳源种类不同，QO2不同。一般，在一定范围内，碳源浓度越高，QO2越大。二、微

3、生物的临界氧浓度表示溶氧浓度的方法：氧分压或张力（DissolvedOxygenTension，DOT）：大气压或mmHg表示，100%空气饱和水中的DOT为159mmHg。绝对浓度：mgO2/L纯水或ppm表示。空气饱和度：以%表示。在一定的温度、罐压和通气搅拌下以消后培养基被空气100%饱和为基准。临界氧浓度（c临界）临界氧浓度：指不影响呼吸（或产物合成）所允许的最低溶氧浓度。微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L，为饱和浓度的1~25%。若不存在其他限制性基质时：CL＜Ccr时，QO2随CL的增加而增大；CL＞Ccr时，QO2恒定。

4、三、控制发酵液中溶解氧的意义温度溶液性质氧分压影响溶解度的主要因素温度升高，气体分子运动加快，会使氧的溶解度下降。溶液浓度mol/L盐酸硫酸氯化钠01.261.261.260.51.211.211.071.01.161.120.892.01.121.020.7125℃，1atm下纯氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)一般，溶质含量越高，氧的溶解度就越小。系统总压力小于0.5MPa，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。当向溶液中通入纯氧时，溶液中氧的溶解度可达43mg/L。25℃、1×105Pa时，空气中的氧在纯水中的溶解度为0.25mmol/L左右

5、，在培养基中的溶解度更低，约为0.21mmol/L。微生物的临界氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L，只能维持菌体正常生命活动20～50s。因此，必须采取强化供氧。微生物培养的供氧方式第二节培养过程中氧的传质理论氧的传递途径与传质阻力气体溶解过程的双膜理论一、氧的传递途径与传质阻力氧的传递途径：供氧：空气中氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。气相中的氧溶解氧呼吸酶溶解传递二、气体溶解过程的双膜理论溶氧速率方程：N：单位体积液体氧的传递速率，kmol/(m3·h)；KLa

6、:以浓度差为推动力的体积溶氧系数，h－1；KGa:以分压差为推动力的体积溶氧系数，kmol/(m3·h·MPa)；a:单位体积的内界面，m2/m3;cL:溶液中氧的实际浓度，kmol/m3；c*：与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度，kmol/m3；p:气相中氧的分压，MPa；p*：与液相中氧浓度c平衡时的氧分压，MPa；H：亨利常数，m3·MPa/kmol。发酵液中的供氧和需氧始终处于动态平衡中供氧：耗氧：某瞬间溶氧浓度变化：在稳定状态下：第三节溶氧传递系数的测定方法测定发酵设备的溶氧传递系数Kla（又称传氧系数）值对于确定其通气效率和确定操作变量对溶氧的

7、影响是十分必要的。亚硫酸盐氧化法取样极谱法物料衡算法动态法排气法复膜电极测定KLa和氧分析仪测定KGa一、亚硫酸盐氧化法在反应器中加入0.5mol/L的亚硫酸钠溶液，10-3mol/L的硫酸铜溶液（或镁离子、钴离子作催化剂），以固定速率进行通气搅拌，亚硫酸钠与溶解氧迅速生成硫酸钠。亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率，该反应的速度由气液相的氧传递速度控制，在一定范围内（0.018~0.5kmol/m3）与亚硫酸钠浓度无关。氧一溶解于液体中就立即被还原，溶液中氧浓度为0：剩余的Na2SO3与过量碘作用：用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘：N：平均溶氧速率，m

8、olO2/(ml·min)；VS：取样量，ml；c：Na2S2O3