[工學]第七章發(fā)酵工業(yè)中氧的供需(已修改)
2025-03-06 00:47 本頁面
【正文】 本章內容 一、 細胞對氧的需求 (為什么要供氧？為什么要 控制溶氧？） 二 、 發(fā)酵過程中氧的傳遞 （ 如何實現(xiàn)供氧 ？ 如何控制溶氧 ？ ） 三、 影響氧傳遞的因素 四、 攝氧率、溶解氧 、 KLa的測定 微生物對氧的需求 （一） 氧在微生物發(fā)酵中的作用 （二） 可利用氧的特征 （二） 微生物的耗氧特征 （四） 溶解氧控制的意義 （一）氧在微生物發(fā)酵中的作用 （對于好氣性微生物而言） ? 呼吸作用 ? 直接參與一些生物合成反應 C O O HCHOHCHCH O 323 2? ?? （二）可利用氧的特征 ? 只有溶解狀態(tài)的氧才能被微生物利用。 (1)呼吸強度（比耗氧速率） QO2 ： 單位質量干菌體在單位時間內消耗氧的量。 單位： mmolO2/（ kg干菌體 h ） 。 (2) 攝氧率 γ （耗氧速率）：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內消耗氧的量。單位： γ=QO2x x—— 細胞濃度， kg(干重 )/m3 )( 32 hmm m o lO ? 2. QO2與溶氧濃度 CL關系 (1) 當 CLCcr時 ， QO2＝ (QO2)m (2) 當 CL Ccr時 ， k0： 親和常數 （ 半飽和常數 ）， 單位 ： mol/m3 k0特征 ： k0越大，親和能力越小 ， QO2越小 。 ? 不同微生物的 k0特征值不一樣，可以此作為通氣操作的依據 。 L0Lm2O2O CkC)Q(Q?? (3) Ccr的 定義 ? 微生物的比耗氧速率受發(fā)酵液中氧的濃度的影響，各種微生物對發(fā)酵液中溶氧濃度有一個最低要求，即不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度，稱為臨界氧濃度，以 Ccr表示。 ? CL Ccr， QO2 保持恒定 ? CL Ccr， QO2 大大下降 微生物對氧的需求 一般對于微生物： CCr: ＝ 1～ 15%飽和濃度 例： 酵母 *103 , % 產黃青霉 *102 mmolL1, % 定義： 氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度 /臨界溶氧溶度 所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度 1. 3. 培養(yǎng)過程中細胞耗氧的一般規(guī)律 A. 培養(yǎng)初期： QO2逐漸增高 ， x較小 。 B. 在對數生長初期：達到 (QO2 )m， 但此時 x較低 ， γ并不高 。 C. 在對數生長后期：達到 γm, 此時 QO2 (QO2 )m ， xxm D. 對數生長期末： S↓ , OTR(傳氧速率 )↓ , QO2 ↓ 而 γ∝ (QO2 , x , OTR), 雖然 x=xm,但 QO OTR 占主導地位 ， 所以 γ↓ E. 培養(yǎng)后期 ： S→ 0， QO2 ↓↓ , γ↓↓ 4. 影響微生物耗氧的因素 ? 微生物本身遺傳特征的影響，如 k0↑， QO2↓ ? 培養(yǎng)基的成分和濃度 ? 碳源種類 耗氧速率：油脂或烴類 葡萄糖 蔗糖 乳糖 ? 培養(yǎng)基濃度 濃度大 , QO2 ↑。 濃度小 , QO2↓ ? 菌齡的影響 :一般幼齡菌 QO2大 ,晚齡菌 QO2小 4. 影響微生物耗氧的因素（續(xù)） ? 發(fā)酵條件的影響 pH值 → 通過酶活來影響耗氧特征 。 溫度 → 通過酶活及溶氧來影響耗氧特征： T ↑, DO2 ↓ ? 代謝類型 (發(fā)酵類型 )的影響 若產物通過 TCA循環(huán)獲取 ,則 QO2高 ,耗氧量大 若產物通過 EMP途徑獲取 ,則 QO2低 ,耗氧量小 ? 溶解氧濃度對細胞生長和產物合成的影響可能是不同的，所以須 了解長菌階段和代謝產物形成階段的最適需氧量 。 ? 氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產量的限制因素。 ? 目前 ,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率 ,就能大大降低空氣消耗量 ,從而降低設備費和動力消耗 ,且減少泡沫形成和染菌的機會 , 大大提高設備利用率。 （四）溶解氧控制的意義 發(fā)酵過程中氧的傳遞 （一） 供氧的實現(xiàn)形式 （二）發(fā)酵過程中氧的傳遞 1. 氧的傳遞途徑與傳質阻力 2. 氣體溶解過程的雙膜理論 3. 氧傳遞方程 (一 ) 供氧的實現(xiàn)形式 搖瓶水平：搖床轉速慢，裝量多 攪拌緩和，通氣緩和 表面通氣，膜透析（擴散） 搖瓶水平：轉速快，裝量少 通無菌空氣并攪拌 氣升式 發(fā)酵罐水平 需氧量小 發(fā)酵罐 需氧量大 氣升式發(fā)酵罐 ? 利用空氣噴嘴噴出高速的空氣，空氣以氣泡式分散于液體中，在通氣的一側，液體平均密度下降，在不通氣的一側，液體密度較大，因而產生與通氣側的液體產生密度差，從而形成發(fā)酵罐內液體的環(huán)流。氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)點是能耗低，液體中的煎切作用小，結構簡單。在同樣的能耗下，其氧傳遞能力比機械攪拌是通氣發(fā)酵罐要高得多。 氧從氣泡到細胞的傳遞過程示意圖 酵母的呼吸強度與溶氧濃度的關系 疣孢漆斑霉在分批培養(yǎng)時呼吸強度的變化 氧在空氣中的分壓氧溶解于液相的濃度氣液接觸面氣膜 液膜擴散方向pp iC iC Lp p iC LC i 雙膜理論的氣液接觸 穩(wěn)態(tài)過程中，在 KLa一定時，細胞濃度對呼吸強度的影響 1) 氣膜傳遞阻力 1/kG 2) 氣液界面?zhèn)鬟f阻力 1/kI 3) 液膜傳遞阻力 1/kL 4) 液相傳遞阻力 1/kLB 5) 細胞或細胞團表面的液膜阻力 1/kLC 6) 固液界面?zhèn)鬟f阻力 1/kIS 7) 細胞團內的傳遞阻力 1/kA 8) 細胞膜 、 細胞壁阻力 1/kW 9) 反
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