5氧的供需与传递.ppt

本章内容 一、微生物细胞对氧的需求和溶解氧的控制 二、培养过程中氧的传质理论 三、溶氧传递系数的测定方法 四、影响氧传递速率的主要因素 五、发酵液中溶解氧的测定和控制 一、微生物需氧量的表示方式 (1)呼吸强度（比耗氧速率） QO2 ：单位质量干菌体在单位时间内消耗氧的量。 单位：mmolO2/（kg干菌体·h）。 (2) 摄氧率γ（耗氧速率）：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。单位： γ=QO2·x x——细胞浓度，kg(干重)/m3  二、临界氧浓度Ccr的定义 微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，即不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，称为临界氧浓度，以C临界表示。 溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以必须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量。 空气中的氧在发酵液中的溶解度很低，大量经过净化处理的无菌空气在给发酵液通气过程中因溶解少，而被浪费掉。因此必须设法提高传氧效率。 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 氧传质方程 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 OTR = KL a ( C* －CL ) （1） 亚硫酸盐氧化法 原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。 当亚硫酸钠浓度为0.018～0.5kmol/m3、温度在20～45℃之间，反应速度与亚硫酸钠浓度无关。 用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率，即可求得氧传递速率OTR, 再由式OTR=KLaC*求出 KLa 。 2Na2SO3+O2→2Na2SO4 ?????H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI ???? 2Na2S2O3+ I2→Na2S4O6+2NaI 优点 氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快，不需特殊仪器。 缺点 不及极谱法准确； 只能评价发酵罐的传氧性能，且工作容积在4-80L以内才较准确可靠； 不能对发酵过程实测， （2）取样极谱法 原理 当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。 由式 求得KLa 优点：可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度，进而可计算出溶氧系数。 缺点：样品取出发酵罐后，外压自罐压降至大气压，测得的 氧浓度已不准确，且在静止条件下所测得的QO2与在发酵 罐中的实际情况不完全一致，因而误差较大。 (3)物料衡算法 对发酵液中的氧进行物料衡算 （4）动态法 发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求KLa。 优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解氧浓度，并可计算出溶氧系数。 缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定的误差。 KLa = K (P/V)?(Vs)? 5、 表面活性剂的影响 6、 离子强度对KLa的影响 电解质溶液浓度↑,则气泡变小↓,a↑, KLa↑，发酵液中含有多种盐类，Kla随着离子强度的增大而增大。 7. 菌体浓度 细胞浓度 x↑，KLa↓ （1）化学法 MnSO4+2NaOH→Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2→2MnO(OH)2↓ MnO(OH)2+Mn (OH)2 →MnMnO3+2H20 MnMnO3+3H2SO4+2KI →2MnSO4+I2+3H2O+K2SO4 I2+2Na2S2O3 →2NaI+Na2S4O6 （2）极谱法 给浸没在待测样品液体中的贵金属阴极和参考电极（阳极）加上直流电压，当电解电压固定在0.8v左右时，与阴极接触的液体中的溶解氧发生氧化还原反应而被消耗， 阴极表面酸性时：O2+2H++2e→H2O2； 碱性或中性时：O2+2H2O+2e→H2O2+2OH- 这样阴极表面与液体主体