微生物工程第九章 发酵供氧幻灯片.pptVIP

一、微生物的临界氧浓度 1、临界氧浓度：各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，一般为饱和浓度的1%~25% 2、当不存在其它基质限制时，如果溶氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果低于临界值，细胞的比耗氧速率大大下降；细胞处于半厌氧状态，代谢活动可能受到影响。 3、不同种类的微生物的需氧量：一般在25~100 mmol O2/(L·h)之间，但也有个别菌很高。 4、同一种微生物的需氧量 幼龄菌生长旺盛，其呼吸强度大，但是种子培养阶段由于菌体浓度低，总的耗氧量也较低。 随着细胞浓度的不断增加，培养液的摄氧率迅速增高，在对数生长后期达到高峰。 平台期由于由于基质的消耗，以及培养装置氧传递能力的限制，细胞浓度增加减慢，耗氧速率下降；但是由于细胞总量仍大，耗氧量仍较大。 最后阶段，基质耗尽，细胞自溶，摄氧率迅速下降。 5、碳源种类和浓度对细胞需氧量的影响 含有葡萄糖的培养基：葡萄糖最易利用，耗糖量较高； 油脂或烃类碳源：需氧量更高 消耗不同碳源中一个原子碳所需的氧 甲醇：石蜡：碳水化合物=1.34：1.0：0.4 二、溶解氧控制的意义 1、氧是很难溶解的气体 28℃时空气中的氧在水中的溶解度只有0.25mmol O2/L,比糖的溶解度小7000倍。 粘稠的培养液中氧的溶解度比在水中更小，即使培养基中的氧被饱和，也只能维持20~30s； 高产菌株高浓度发酵，丰富培养基的采用，溶解氧的要求就更高。 2、氧气限制及其危害 氧气限制：氧的需求超过现有发酵设备的氧传递能力，使氧传递率成为发酵生产的限制因素。 氧限制的危害：可能引起生产菌种的不可弥补的损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。 3、溶氧限制的解除方法 了解菌体生长阶段和代谢产物形成阶段菌的临界氧浓度和达到最高发酵产物的临界氧浓度，即菌的生长和发酵产物形成过程中的最高需氧量； 调节通风和搅拌，分别地合理地供氧； 不必达到氧饱和，只要维持氧浓度在临界氧浓度以上即可。 4、供氧控制的意义 提高供氧效率，大大降低空气消耗量，从而降低设备费，减少动力消耗，提高设备利用率。 减少染菌机会，减少泡沫形成。 第二节 传质理论 一、氧的传递途径与传质阻力 1、供氧及供氧方面的阻力 (1)供氧：空气中的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。 (2)供氧方面的阻力 氧膜阻力1/k1。 气液界面阻力 1/k2 液膜阻力 1/k3 液流阻力 1/k4 由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个主要障碍，即1/k3是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生的湍动可以减少这方面的阻力。 2、耗氧及耗氧阻力 （1）耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。 细胞周围液膜阻力 1/k5 。 菌丝丛或团内的扩散阻力1/k6 。 细胞膜的阻力 1/k7 。 细胞内反应阻力1/k8 。 通常耗氧方面阻力主要是1/k6和1/k7 ，即菌丝丛内阻力与细胞膜阻力所引起的。搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。至于细胞内反应阻力1/k8可随下列因素中任一种而产生：培养基成分与其相应的酶的作用失活；一些生理条件如温度、pH值等不适于酶的反应；一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去。 二、气体溶解过程的双膜理论 1、氧首先由气相扩散到气液两相的接触界面，再进入液相，界面的一侧是气膜，另一侧是液膜，氧由气相扩散到液相必须穿过这两层膜。 2、氧从空气扩散到气液界面这一般的推动力是空气中氧的分压与界面处氧分压之差，即P－Pi，阻力是气膜阻力 1/kG 。 3、穿过界面溶于液体，继续扩散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之差，即Ci－CL。液膜阻力为1/kL。 4、当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相等。 第三节 影响氧传递速率的主要因素 一、搅拌 （1）机械搅拌可以从下列几个方面改善溶氧速率： 把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡慢，因此接触时间就增长。 使液体作涡流运动，气泡作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气泡的接触时间。 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KLa值。 使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一。同时，也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。 过度强烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细胞损伤，特别对丝状菌的发酵类型，更应考虑到剪切力对菌体细胞的损伤。 （2）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。 形