第五章氧的供需與傳遞.ppt

1、第五章 氧的供需與傳遞,好氧微生物在新陳代謝過程中（基質(zhì)的氧化、菌體的生長、產(chǎn)物的形成）需要氧氣，而氧氣本身是難溶性的氣體，在培養(yǎng)過程中不能向其它的可溶性營養(yǎng)物質(zhì)一樣，一次供應(yīng)就滿足要求，而只能維持很短的時(shí)間（15-20 s）。因此，在生產(chǎn)過程中必須不斷地向培養(yǎng)基中提供足夠的氧,實(shí)驗(yàn)室：搖瓶。 中間生產(chǎn)規(guī)模/生產(chǎn)規(guī)模：通風(fēng)+攪拌。,提供微生物生長和代謝所需的氧，并提高營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物質(zhì)的傳遞速度。,一、供氧與微生物呼吸及代謝產(chǎn)物的關(guān)系 氧作為受氫體，氧直接參與一些生物反應(yīng)。 好氧微生物所含的氧化酶系：過氧化氫酶，細(xì)胞色素氧化酶，黃素脫氫酶，多酚氧化酶等。不同好氧微生物所含的氧化酶系的種類和數(shù)量

2、不同，在不同環(huán)境條件下，各種微生物的吸氧量或呼吸強(qiáng)度不同。 好氣性微生物深層培養(yǎng)時(shí)需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些代謝產(chǎn)物的合成，對多數(shù)發(fā)酵來說，氧的不足會導(dǎo)致代謝異常，產(chǎn)量降低。 不同種類的微生物的需氧量不同，一般為25-100mmolO2/(Lh)，但也有個(gè)別菌很高。同一種微生物的需氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。,二、溶解氧控制的原因 需氧微生物的氧化酶體系是存在細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)中，因此微生物只能利用溶解于液體中的氧。 氧是難溶氣體，在25、100MPa下，氧在純水中的溶解度為0.25mmol/L，在發(fā)酵液中的溶解度為0.2mmol/L；在谷氨酸發(fā)酵的操作條件下，發(fā)酵液中氧的飽和濃度約

3、為0.313mmol/L，這樣的溶氧濃度菌的正常呼吸只能維持20-30s。由于微生物不斷消耗發(fā)酵液中的氧，而氧的溶解度很低，就必須采用強(qiáng)化供氧。,氧的溶解度隨著溫度的升高而下降，隨著培養(yǎng)液固形物的增多、或粘度的增加而下降。 發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低。如抗生素發(fā)酵，被微生物利用的氧不超過經(jīng)過凈化處理的無菌空氣中含氧量的2%；在谷氨酸發(fā)酵方面氧的利用率為10%-30%。 對于好氣性發(fā)酵來說，氧傳遞速率已成為發(fā)酵產(chǎn)量和發(fā)酵周期的限制因素。同時(shí)，氧的供應(yīng)不足可能引起生產(chǎn)菌種的不可彌補(bǔ)的損失或?qū)е录?xì)胞代謝轉(zhuǎn)向不需要的化合物的生成。,供氧對谷氨酸發(fā)酵的影響 （1）通風(fēng)適量 生成谷氨酸 （2）通風(fēng)過量 生成

4、-酮戊二酸 （3）通風(fēng)不足 生成乳酸或琥珀酸,谷氨酸發(fā)酵時(shí)不同容積發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速和通風(fēng)比,氧的供需 （1）實(shí)驗(yàn)室中，通過搖瓶機(jī)往復(fù)運(yùn)動或偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動供氧。 （2）中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)裝置采用通入無菌壓縮空氣并同時(shí)進(jìn)行攪拌的方式。 （3）近年來開發(fā)出無攪拌裝置的節(jié)能培養(yǎng)設(shè)備，如氣升式發(fā)酵罐。 （4）細(xì)胞對鼓泡通氣和機(jī)械攪拌產(chǎn)生的剪切作用敏感。,微生物耗氧量的表示方法 1.攝氧率（r） 單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)消耗氧的量,單位為mmol(O2)/(Lh)。 2.呼吸強(qiáng)度（QO2） 單位重量的菌體（折干）每小時(shí)消耗氧的量，單位為mmol(O2)/g(干菌體)h。 亦稱為氧比消耗速率。,第一節(jié) 微生

5、物對氧的需求,攝氧率與呼吸強(qiáng)度之間的關(guān)系： r QO2X 其中，X：發(fā)酵液中菌絲體濃度，g（干菌體）/L 呼吸強(qiáng)度表示微生物的絕對吸氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，測定有困難，可用耗氧速率表示。,一、微生物對氧的需求,溶解氧的飽和濃度： 一定溫度與壓力下，氣體分子在氣液兩相中擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡，此時(shí)液相中氣體分子的濃度。 符號為：C* C*影響因素： 1.溫度 溫度，氧飽和度 2.溶液性質(zhì) 溶質(zhì)含量，氧飽和度 3.氧分壓 氣相中氧濃度，氧飽和度,呼吸臨界氧濃度（C臨界） 在溶氧濃度低時(shí)，呼吸強(qiáng)度隨溶解氧濃度增加而增加，當(dāng)溶氧濃度達(dá)到某一值后，呼吸強(qiáng)度不再隨溶解氧濃度的增強(qiáng)而變化，此時(shí)的溶解氧

6、濃度稱為呼吸臨界氧濃度，以C臨界表示。 其為微生物對發(fā)酵液中溶氧濃度的最低要求。在臨界溶氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。 微生物的臨界氧濃度一般為0.003-0.05（mmol/L），為飽和濃度的1-25。,臨界濃度,在培養(yǎng)過程中不需要使溶解氧濃度達(dá)到或接近飽和值，而只要超過某一臨界氧濃度即可。 當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，如果溶氧濃度高于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率保持恒定； 如果溶氧濃度低于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率大大下降，這時(shí)細(xì)胞處于半?yún)捬鯛顟B(tài)。,第二節(jié)傳質(zhì)理論,一、氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力 分為供氧和耗氧 供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流

7、中。 耗氧：氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi),1.傳遞途徑,O2,氣膜,氣液界面,細(xì)胞膜,菌絲團(tuán),發(fā)酵液,液膜,O2,O2,細(xì)胞,液膜,氧在溶液中的傳遞（氣體溶解過程：雙膜理論） 氧氣的溶解過程是一個(gè)由氣相進(jìn)入液相的過程，為實(shí)現(xiàn)這一過程，氧氣需要跨過由氣-液界面構(gòu)成的屏障，在界面的一側(cè)有氣膜，另一側(cè)為液膜，氧的溶解需要經(jīng)過這兩層膜才能實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)這一模型建立起來的氣體溶解理論稱為雙膜理論。,雙膜理論的基本前提 （1）在氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)，分

8、子間無對流運(yùn)動，因此氧的分子只能以擴(kuò)散方式，即在濃度差推動下而透過雙膜。 （2）在空氣主流空間的任一點(diǎn)氧分子的濃度相同，液體主流中也是如此。 （3）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡狀態(tài)。 （4）傳質(zhì)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧的濃度不隨時(shí)間而變。,二、氣體溶解過程：雙膜理論,氣液界面,氣膜動力：P-Pi,液膜動力：Ci-CL,阻力：1/kG,阻力：1/kL,氣體擴(kuò)散方向,氣膜,液膜,Ci,CL,空氣泡PO2,P,Pi,發(fā)酵液,氧傳遞的阻力,供氧：空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。耗氧：氧自液體主流通過液膜、菌絲叢、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)

9、胞內(nèi)。整個(gè)過程必須克服一系列的阻力，才能被微生物利用。,（1）供氧方面的阻力 1/kG 氣流主體與氣-液界面間的氣膜阻力 1/kI 氣-液界面阻力 1/kL 從氣-液界面至液體主流間的液膜阻力，是氧溶于水時(shí)的限制因素 1/kIB 液體主流中的傳遞阻力,（2）耗氧方面的阻力 1/kIC 液膜阻力 1/kIS 固-液界面阻力 1/kA 菌絲叢或細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻 1/kW 細(xì)胞壁的阻力 1/kR 細(xì)胞呼吸酶與氧反應(yīng)的阻力 1/kIS，1/kA是該過程的主要的耗氧阻力。,氧在傳遞過程中要克服的總阻力： R=1/kG+1/kI+ +1/kR 當(dāng)總推動力為C時(shí)，氧的傳遞速率： N=C/R= C1/(1/k

10、G)= = C9/(1/kR) C1 、C2 C9分別為各傳遞階段的氧濃度之差。,氧的傳遞方程式： 式中，N A:氧的傳遞速率，mmol O2/Lh C*:溶液中溶氧飽和濃度，mmol O2/L CL:溶液主流中的溶氧濃度， mmol O2/L KLa :液相體積氧傳遞系數(shù)，又稱通氣效率，單位為1/h。KLa可以用來衡量發(fā)酵罐的通氣效率， KLa越大，通氣效率越高。,NA = KLa(C*-CL),一、亞硫酸鹽氧化法 1.原理 利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時(shí)被氧迅速氧化的特性來估計(jì)發(fā)酵設(shè)備的通氣效果。 當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.018-0.47mol/L，溫度20-45之間時(shí)，與氧反應(yīng)的速度在

11、較大范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無關(guān)，用碘量法測定未經(jīng)氧化的亞硫酸鈉，便可根據(jù)亞硫酸鈉的氧化量來求得氧的溶解量。,第三節(jié)溶氧傳遞系數(shù)測定方法,2.操作,反應(yīng)原理：,剩余的亞硫酸根與過量的碘反應(yīng)：,再用Na2S2O3滴定剩余的碘：,將一定溫度（20-45）的自來水加入實(shí)驗(yàn)罐，加入化學(xué)純的Na2SO3晶體，使亞硫酸根約為1M，再加化學(xué)純的CuSO4晶體，使Cu2+濃度約為10-3 M，待完全溶解后，開閥通氣，空氣閥一開就接近預(yù)定流量。當(dāng)氣泡從噴管中冒出的同時(shí)，立即計(jì)時(shí),氧化時(shí)間控制在520min。,3.計(jì)算方法:,N：體積溶氧系數(shù),S：取樣量,C：硫代硫酸鈉濃度mol/L,t：兩次取樣的時(shí)間間隔,P

12、：發(fā)酵罐的罐壓,實(shí)驗(yàn)前后各用移液管取10-100mL樣液，立即移入新吸取的過量標(biāo)準(zhǔn)碘液中，以淀粉為指示劑，用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：氧溶解和亞硫酸鹽濃度無關(guān)，反應(yīng)速度快，不需要特殊儀器。測定方法簡單，測定的是亞硫酸鹽的水溶液，不是發(fā)酵醪，具有相對意義。 缺點(diǎn)：影響因素多，工作容積只能在4-80L以內(nèi)測定才比較可靠,kLa測定的其他方法,二、取樣極譜法 三、物料衡算法 四、排氣法 五、復(fù)膜電極法,第四節(jié)影響氧傳遞速率的主要因素,液體的性質(zhì)對氧的溶解度的影響 液體的比表面積 氧傳遞系數(shù),OTR= KLa(C*-CL),液體的性質(zhì)對氧的溶解度的影響,溶液的溫度：氧氣的溶解度隨溫度的升高

13、而降低。 CW*=14.6/(t+31.6),溶液中電解質(zhì)的濃度：單一電解質(zhì)(CW* / Ce*) =KCE Ce*：氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度（mol/m3) CE：電解質(zhì)溶液的濃度（kmol/m3); CW*：與空氣平衡的水中氧濃度（ mol/m3)； K: Sechenov常數(shù)； 多元電解質(zhì)( CW* / Ce*) =hiIi, Ii=(1/2)ZiCEi; 式中hi: 第I種離子的Sechenov常數(shù)，m3/kmol, Ii；離子強(qiáng)度kmol/m3; CEi；第I種離子的濃度,kmol/m3,非電解質(zhì)溶液中，氧氣的溶解度隨溶質(zhì)濃度的升高而降低。(CW* / Cn*) =KCN, Cn*氧

14、在非電解質(zhì)溶液中的溶解度（mol/m3)；CN：非電解質(zhì)溶液的濃度（kg/m3);,i,培養(yǎng)基中含有電解質(zhì)和非電解質(zhì)，氧的溶解度 (CW* / Cm*) = hiIi+ (CW* / Cnj*) , 式中Cm*氧在混合溶液中的溶解度（mol/m3),液體的比表面積,=VG/(/6)dB3 (dB2)/V=6 VG/(dBV), 令H0= VG/V, =6 H0/ dB 氣液比表面積與氣體的截流率成正比，與氣泡的平均直徑成反比. 通常，氣泡的dB與液體的流體性質(zhì)（表面張力，密度，黏度）和外部操作條件H0 和攪拌功率PG、發(fā)酵液的高度HL,，氣泡的上升速度B，通氣量QG相關(guān)， =6 QG HL /

15、 (dB B V),氣泡個(gè)數(shù),如何提高飽和溶氧濃度C*？,1.降低培養(yǎng)溫度 2.降低培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量 3.提高發(fā)酵罐內(nèi)的氧分壓 以上三種方法有較大的局限性 4.通入富集氧的空氣：值得深入研究,氧傳遞系數(shù),攪拌：使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動，延長氣體的停 留時(shí)間，增大氣體的截流率，同時(shí)將氣泡粉碎，減小氣泡 的直徑。,空氣的線速度：,在一定的范圍內(nèi)，速度的提高會導(dǎo)致氧傳遞系數(shù)的提高。,當(dāng)超過一定的范圍，反而會降低,空氣分布管： 與分布管的形式、噴口直徑、管口與罐低的相對距離對氧傳遞系數(shù)有影響。,培養(yǎng)液的性質(zhì)：包括表面張力，密度，黏度，離子濃度，擴(kuò)散系數(shù)等，這些會影響氣泡的大小和穩(wěn)定性和液體的

16、團(tuán)流性以及界面活膜的阻力。,表面活性劑：,具有親水端和疏水端的物質(zhì)，分布在氣液界面，增大了傳質(zhì)阻力，使氧的傳遞系數(shù)KLa發(fā)生改變(下降）,離子強(qiáng)度：,菌體濃度：,在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小，因而有較大的比表面積。因而在同樣的條件下， 電解質(zhì)溶液的KLa比水大，并且隨著電解質(zhì)濃度的增加， KLa也有較大的增加。,培養(yǎng)液中的菌體濃度隊(duì)也有很大的影響。一般地，菌體濃度高， KLa降低。如圖所示。,第五節(jié)溶氧的測定和控制,化學(xué)法 極譜法 壓力法,測定方法,MnSO4+2NaOH-Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2-MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2-MnMnO

17、3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI-2MnSO4+I2+3H2O+K2SO4 I2+2Na2S2O3-2NaI+NaS4O6,受樣品顏色和還原性的影響,一分子的溶氧-一分子的碘-兩分子的硫代硫酸鈉,化學(xué)法,溶解氧在一定的條件下，被還原成H2O2 酸性時(shí)：O2+2H+2e-H2O2 中性或堿性時(shí)：O2+2H2O+2e-H2O2+OH-,在待測樣液中，加入一個(gè)固定電壓（0.8V)，在陰極處發(fā)生上述反應(yīng)，使待測液主體與陰極表面附近的液體存在溶氧濃度差，通過測定電流的大小，求出液體的溶氧濃度。,CL=(iL)/(2FDLA),式中：i;電流(A); F:法拉第常數(shù)；A:陰極表面的表面積；

18、CL: 待測液的溶氧濃度（mol/m3), L: 液膜厚度（m） DL氧在液相中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;.,反映的準(zhǔn)確性受溶液的其它氧化還原物質(zhì)的影響,極譜法,壓力法,恒溫密閉容器中,有體積為VL的液體。通入氣體壓力為P1,體積為VG的氣體至平衡時(shí)為P2。 即有(P1-P2)VG=n RT n=SVL, S= (P1-P2)VG/RTVL, S: 氧的溶解度（mol/m3); R: 氣體常數(shù)，T: 絕對溫度,控制溶氧的工藝手段,改變通氣速率 （通氣量的改變）,在低通氣量的條件下，增大通氣量對提高Kla效果明顯,在通氣量已經(jīng)很大的條件下，再增大通氣量，效果不明顯，甚至?xí)a(chǎn)生副作用。 如泡沫的生成，水分的蒸發(fā)，罐溫的升高，以及雜菌感染的幾率增加,改變攪拌速度 較明顯的增加Kla,通氣泡沫被充分粉碎，增加了有效氣液接觸面積；,使氣泡周圍的液膜和菌體周圍的液膜厚度減小，