传氧与通气搅拌

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1、2022-6-11第四章第四章 传氧与通气搅拌传氧与通气搅拌2022-6-12教学目的与要求：教学目的与要求：要求学生了解溶氧理论及意义要求学生了解溶氧理论及意义K KL La a和溶氧速率的调控，掌握影响传氧速率的因素及溶和溶氧速率的调控，掌握影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定。氧系数的测定。教学重点：教学重点：影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定影响传氧速率的因素及溶氧系数的测定教学难点：教学难点：K KL La a和溶氧速率的调控和溶氧速率的调控2022-6-13本章主要内容本章主要内容一、概述一、概述二、微生物有氧呼吸二、微生物有氧呼吸三、传氧理论三、传氧理论四、影响传氧速率的因素四、影

2、响传氧速率的因素五、溶氧系数及其测定五、溶氧系数及其测定六、六、K KL La a和溶氧速率的调控和溶氧速率的调控一、一、 概述概述1 1、生化反应器通气与搅拌有两个目的、生化反应器通气与搅拌有两个目的: :使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬使发酵液充分混合，以便形成均匀的微生物悬浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从浮液，促使底物从发酵液向菌体内及代谢产物从菌体内向发酵液的传递。菌体内向发酵液的传递。 供给微生物生长和代谢所需的氧气。供给微生物生长和代谢所需的氧气。2022-6-15好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因

3、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，在生物反应作用，因此供氧对需氧微生物是必不可少的，在生物反应过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖和积累所需要的代谢产物。需氧微生物的氧化酶系是存在于细累所需要的代谢产物。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胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧气。气。2022-6-16 一般认为在通风发酵过程中，微生物利用一般认为在通风发酵过程中，微生物利用

4、空气气泡中氧的过程可分为两个阶段进行空气气泡中氧的过程可分为两个阶段进行:空空气中的氧首先溶解在液体中，这得阶段叫做气中的氧首先溶解在液体中，这得阶段叫做“供氧供氧”，然后微生物才能利用液体中的溶解然后微生物才能利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作氧进行呼吸代谢活动，这个阶段较作“耗氧耗氧”2、 微生物的临界氧浓度微生物的临界氧浓度微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物的耗氧速率受发酵液浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求这一溶氧浓度叫做这一溶氧浓度叫做“临界氧浓度临界氧浓度”。不同的微生不同的微生物的需氧量不同。同一

5、种微生物的需氧量，随物的需氧量不同。同一种微生物的需氧量，随菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代菌龄和培养条件不同而异。菌体生长和形成代谢产物的耗氧量也往往不同。谢产物的耗氧量也往往不同。2022-6-182022-6-192022-6-1103 3、溶解氧控制的意义、溶解氧控制的意义 在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态下的在生物反应过程中，微生物只能利用溶解状态下的氧（最近有报道在气氧（最近有报道在气- -液界处的微生物也能直接利用气相液界处的微生物也能直接利用气相中的氧）。中的氧）。氧是很难溶解的气体，在氧是很难溶解的气体，在2525、100MPa100MPa下，空下，空气中的氧

6、在水中的溶解度气中的氧在水中的溶解度0.25mmol/L0.25mmol/L。由于微生物不断消由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工耗发酵液中的氧，而氧的溶解度很低，由于微生物在人工环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的环境内比较集中，浓度大；另外在这种稠厚的培养液氧的溶解度比在水中更小，就必须采用溶解度比在水中更小，就必须采用强化供氧强化供氧。 近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步，近年来，许多好气性发酵已发展到如此地步，以至氧的需求超过现有的生物反应设备的氧传递以至氧的需求超过现有的生物反应设备的氧传递的能力，其后果是的能力，其后果是氧传递速率成为

7、产量的限制因氧传递速率成为产量的限制因素。素。氧的供应不足可能引起生产菌种的不可弥补氧的供应不足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损失或可能导致细胞代谢转向所不需的化合物的产生。的产生。了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量，就可能分别地合理地供氧。适需氧量，就可能分别地合理地供氧。 2022-6-1122022-6-113二、微生物的有氧呼吸二、微生物的有氧呼吸1 1、比生长速率和氧浓度的关系、比生长速率和氧浓度的关系 在好气性发酵中，当培养液中限制性生长底在好气性发酵中，当培养液中限制性生长底物的浓度一定或过量，而溶

8、解氧浓度较低时，物的浓度一定或过量，而溶解氧浓度较低时，氧氧为微生物生长的主要限制性底物，为微生物生长的主要限制性底物，微生物的比生微生物的比生长速率与氧浓度的关系用长速率与氧浓度的关系用MonodMonod方程方程表示为：表示为：2022-6-11421mOdXCXdtKC（6-16-1）2:/l):/l)mOXtCK-1-1微 生 物 的 比 生 长 速 率 (h)： 菌 体 浓 度 (g/l)： 时 间 （ h)最 大 比 生 长 素 率 （ h）： 溶 氧 浓 度 （ mmol氧 饱 和 常 数 （ mmol2022-6-115 按式（按式（6-16-1），作），作-C-C关系曲线。在

9、氧浓度关系曲线。在氧浓度很低的情况下，微生物细胞的比生长速率很低的情况下，微生物细胞的比生长速率随着随着溶解氧浓度的升高正比的增长，随后增长速度逐溶解氧浓度的升高正比的增长，随后增长速度逐渐减慢，当氧浓度渐减慢，当氧浓度达到一定值（达到一定值（C C临临）时，比生长）时，比生长速率不再增长，过高，速率不再增长，过高， 反而下降。反而下降。2022-6-1162022-6-117 各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即各种微生物所要求的最低溶氧浓度，即临界氧浓度临界氧浓度C C临临是不同的。是不同的。2022-6-118 在发酵生产中，为了不使微生物的在发酵生产中，为了不使微生物的生长和代谢受到氧浓

10、度的影响，保证发生长和代谢受到氧浓度的影响，保证发酵过程正常进行，酵过程正常进行，必须使溶解氧浓度维必须使溶解氧浓度维持在微生物的临界氧浓度以上。持在微生物的临界氧浓度以上。2022-6-1192、比耗氧速率与氧浓度的关系（一）耗氧速率 单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率，以率，以r r表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：表示。耗氧速率与菌体浓度成正比：式中：式中： r r耗氧速率（耗氧速率（mmolOmmolO2 2/l.h) /l.h) Q QO2O2 比耗氧速率（比耗氧速率（mmolOmmolO2 2/g.h)/g.h) X X 菌体浓度（菌体浓度

11、（g/l)g/l)2d crQ oXd t2022-6-120 耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌耗氧速率随微生物的种类、代谢途径和菌体浓度的不同而不同，其大致范围为：体浓度的不同而不同，其大致范围为：25-25-100mmol/l.h100mmol/l.h，某些耗氧速率特别高的微生物，某些耗氧速率特别高的微生物，则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物则远远超过此数值。另外，微生物生长和产物形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵形成阶段的好氧速率有时并不一致，某些发酵中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。中过高的溶氧浓度反而对产物的形成不利。2022-6-121供氧、耗氧和产物形成的关系