氧的供需PPT學習教案

1、會計學1氧的供需氧的供需液體發(fā)酵類型：嫌氣發(fā)酵：乙醇、乳酸、丙酮、丁醇C6H12O6+2ADP+2Pi 2C3H6O3+2ATP (同型乳酸發(fā)酵)好氧發(fā)酵：C6H12O6+ADP+Pi +3NAD(P)+3H+ C5H9O4N+3ATP+3NAD(P)H(谷氨酸發(fā)酵)第1頁/共105頁第2頁/共105頁第3頁/共105頁關系：耗氧關系：耗氧供氧供氧 檢測檢測第4頁/共105頁第5頁/共105頁(Qo2)mCL Qo2= Ko + CL 氧為唯一的限制性基質氧為唯一的限制性基質(QO2)m：最大比耗氧速率：最大比耗氧速率K0： 氧的米氏常數(shù)，最大比耗氧速率為半值時的氧濃度氧的米氏常數(shù)，最大比耗氧

2、速率為半值時的氧濃度第6頁/共105頁微生物 KO(MOL/M3) 好氣氣桿菌 3.10 X 10-5 巨大芽孢桿菌 5.97 X 10-4 弱氧化醋酸菌 1.57 X 10-3 啤酒酵母 10-3 德巴利酵母 10-3 副流感嗜血菌 2 X 10-3 菌體對氧的親和力菌體對氧的親和力第7頁/共105頁耗氧能力耗氧能力第8頁/共105頁 遺傳因素遺傳因素 菌齡菌齡 營養(yǎng)的成分與濃度營養(yǎng)的成分與濃度 有害物質的積累有害物質的積累 培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件第9頁/共105頁第10頁/共105頁影響需氧的因素影響需氧的因素r = QO2 .Xq 菌體濃度菌體濃度q QO2第11頁/共105頁第12頁/共10

3、5頁n第13頁/共105頁第14頁/共105頁第15頁/共105頁臨界氧濃度臨界氧濃度C CCrCr的測定的測定第16頁/共105頁微生物Ccr(mol/m3)溫度(0C)維涅蘭德固氮菌1.84.9X10-230大腸桿菌8.2X10-33.1X10-337.815粘質沙雷氏菌-1.5X10-231脫氮假單胞菌-9X10-330酵母4.6X10-33.7X10-334.820產(chǎn)黃青霉菌-2.2 X10-2-9 X10-32430米曲霉-2.0X10-330第17頁/共105頁時間時間（hrhr）臨界氧臨界氧濃度（濃度（% %）時間時間（hrhr）臨界氧臨界氧濃度（濃度（% %）434.3 207

4、.2830.9 229.31029.7 2414.91213.4 3017.1148.33222.1186.6z 不同培養(yǎng)時間的臨界氧濃度第18頁/共105頁產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣 頭孢菌素頭孢菌素 卷須霉素卷須霉素生長期生長期 5% (相對于飽和氧濃度）相對于飽和氧濃度） 13%產(chǎn)物合成期產(chǎn)物合成期 13% 8%第19頁/共105頁第20頁/共105頁氨基酸氨基酸乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)CO2固定固定NAD(P)H2(FADH2)ATPNAD(P)H2(FADH2)ATP谷氨酸谷氨酸16/3231谷氨酰胺谷氨酰胺64/330脯氨酸脯氨

5、酸16/34/320精氨酸精氨酸14/3-2/32-3賴氨酸賴氨酸8/32/3-2-1蘇氨酸蘇氨酸40-4-4異亮氨酸異亮氨酸22/3-3-1纈氨酸纈氨酸02亮氨酸亮氨酸22苯丙氨酸苯丙氨酸0-7/5酪氨酸酪氨酸6/5-7/5色氨酸色氨酸11/8-7/5氨基酸生物合成中每消耗1摩爾葡萄糖所生成的NAD(P)H2和ATP摩爾數(shù)第21頁/共105頁n溶解氧對發(fā)酵代謝產(chǎn)物生成的影響第22頁/共105頁第23頁/共105頁213456789氣液界面氣液界面氣泡氣泡液膜液膜液相主體液相主體固液界面固液界面細胞團細胞團液膜液膜細胞膜細胞膜細胞細胞生物反應生物反應一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程一、發(fā)酵液中氧的傳遞

6、方程第24頁/共105頁一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程第25頁/共105頁第26頁/共105頁第27頁/共105頁nO2 = = = = = C C 1 C 2 C 8 K 1/k1 1/k2 1/k8第28頁/共105頁 1、氣液相間的氧傳遞第29頁/共105頁第30頁/共105頁第31頁/共105頁當氣液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的傳遞速率相當氣液傳遞過程處于穩(wěn)態(tài)時，通過液膜和氣膜的傳遞速率相等，即：等，即：nO2 = = = = ppI1/kGpp*1/KGCICL1/kLC*CL1/KLp 氣相主體氧分壓，氣相主體氧分壓，Pa ; pI 氣液界面氧分壓，氣液界

7、面氧分壓， PaCI 氣液界面氧濃度，氣液界面氧濃度， mol/m3 ; CL 液相主體氧濃度，液相主體氧濃度， mol/m3 p* 與液相主流中溶氧濃度與液相主流中溶氧濃度CL平衡的氣相氧分壓，平衡的氣相氧分壓， Pa ; C* 與氣相主流中氧的分壓強與氣相主流中氧的分壓強p平衡的液相氧濃度，平衡的液相氧濃度， mol/m3 KG 以氧分壓為推動力的總傳遞系數(shù)以氧分壓為推動力的總傳遞系數(shù), mol/(m2sPa)KL 以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)，以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)，m/skG氣膜傳遞系數(shù)氣膜傳遞系數(shù),mol/(m2 s Pa); kL液膜傳遞系數(shù)液膜傳遞系數(shù),m/s;第32頁/共

8、105頁第33頁/共105頁可以認為所有的傳質阻力集中在液膜一側可以認為所有的傳質阻力集中在液膜一側, 因此又稱因此又稱液膜控制液膜控制.第34頁/共105頁傳氧速率傳氧速率Oxygen Transfer Rate (OTR)攝氧速率攝氧速率Oxygen Uptake Rate (OUR) 攝氧率攝氧率 r第35頁/共105頁二、發(fā)酵液中氧的平衡二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中傳遞：傳遞：消耗：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上OTR= kLa(C*-CL)第3

9、6頁/共105頁三、供氧的調(diào)三、供氧的調(diào)節(jié)節(jié)CL有一定的工藝要求，通過有一定的工藝要求，通過kLa和和C*來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)其中其中C*P/HOTRHPkLaOTR= kLa(C*-CL)第37頁/共105頁調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)kLa是最常用的方法，是最常用的方法，kLa反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。 45升升 1噸噸 10噸噸攪拌速度攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1第38頁/共105頁 在發(fā)酵過程中，當溶氧濃度不變時，氧溶于液相的速率等于微生物對溶氧的需求速率，則：在發(fā)酵過程中，當溶氧濃度不變時，

10、氧溶于液相的速率等于微生物對溶氧的需求速率，則： KLa (C* - CL) = QO2 X = rKLa =rC* - CL第39頁/共105頁 當微生物的攝氧率不變時（假定當微生物的攝氧率不變時（假定C C* * 在一定條件下也不變），在一定條件下也不變）， K KLaLa 越大，發(fā)酵液中溶解氧濃度越大，發(fā)酵液中溶解氧濃度C CL L也越大；所以可用也越大；所以可用K KL La a的大小來衡量發(fā)酵設備的通氣效率。的大小來衡量發(fā)酵設備的通氣效率。 KLa =rC* - CL第40頁/共105頁第41頁/共105頁第42頁/共105頁第43頁/共105頁第44頁/共105頁第45頁/共105

11、頁第46頁/共105頁第47頁/共105頁溫度（溫度（）溶解度溶解度（mol/m3)溫度（溫度（）溶解度溶解度（mol/m3)02.18251.26101.70301.16151.54351.09201.38401.03第48頁/共105頁第49頁/共105頁第50頁/共105頁第51頁/共105頁第52頁/共105頁液體液體溶解度溶解度（103kg/m3）溫度（溫度（）乙醇乙醇61.016.0正己烷正己烷90.016.0豆油豆油62.116.0蒸餾水蒸餾水10.115.0（）氧在有機化合物中的溶解度（）氧在有機化合物中的溶解度 氧在某些有機液體中的溶解度高于水中的。氧在某些有機液體中的溶解度

12、高于水中的。第53頁/共105頁0 02020404060608080100100120120溶氧能力（mg/L）溶氧能力（mg/L）正己烷正己烷全氟化碳全氟化碳液態(tài)烷烴液態(tài)烷烴水水第54頁/共105頁第55頁/共105頁第56頁/共105頁第57頁/共105頁第58頁/共105頁第59頁/共105頁第60頁/共105頁第61頁/共105頁例例 某一產(chǎn)品的發(fā)酵某一產(chǎn)品的發(fā)酵 d N p0/v DO 產(chǎn)量產(chǎn)量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生產(chǎn)糖化酶黑曲霉生產(chǎn)糖化酶 N 230 230

13、 270 通氣比通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產(chǎn)量產(chǎn)量 1812 2416 2846提高提高d、N顯著提高顯著提高DO，提高了產(chǎn)量，提高了產(chǎn)量提高提高N, 比提高比提高Q有效有效第62頁/共105頁第63頁/共105頁第64頁/共105頁表面活性劑月桂基磺酸鈉濃度對表面活性劑月桂基磺酸鈉濃度對dB、KL、KLa的影響的影響第65頁/共105頁電解質溶液濃度對電解質溶液濃度對KLa的影響的影響第66頁/共105頁第67頁/共105頁第68頁/共105頁0.5780.755六箭葉渦輪0.7131.00六彎葉渦輪0.4880.938六平葉渦輪攪拌槳形式第69頁/共105頁kLa關聯(lián)式關

14、聯(lián)式攪拌器形式攪拌器形式kLa (P(PG G/V/VL L) )0.950.95g g 0.670.67翼碟式攪拌器翼碟式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.940.94g g 0.50.5渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.550.55g g 0.50.5空心渦輪型自吸式攪拌器空心渦輪型自吸式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.70.7g g 0.30.3六葉渦輪式攪拌器六葉渦輪式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.670.67g g 0.670.67渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器kLa (P(PG

15、 G/ V/ VL L) )0.40.4g g 0.50.5六葉渦輪式攪拌器六葉渦輪式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.330.33g g 0.560.56渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.530.53g g 0.670.67槳式攪拌器槳式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.720.72g g 0.110.11伍式攪拌器伍式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.560.56g g 0.70.7N N0.70.7渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器kLa (P(PG G/ V/ VL L) )0.40.4g

16、g 0.50.5N N0.50.5翼碟、平槳和渦輪式攪拌器翼碟、平槳和渦輪式攪拌器第70頁/共105頁反應器尺寸反應器尺寸/L/L5 50.950.950.670.675005000.60.60.70.70.670.6750 00050 0000.4 0.4 0.50.50.50.5第71頁/共105頁第72頁/共105頁mm第73頁/共105頁第74頁/共105頁 d. All of the above are correct第75頁/共105頁第76頁/共105頁第77頁/共105頁第78頁/共105頁第79頁/共105頁第四節(jié)第四節(jié) 溶解氧、攝氧率和溶解氧、攝氧率和kLa的測定方法的測定

17、方法一、溶解氧一、溶解氧CL的測定的測定1、化學法、化學法O2 2 Na2S2O3 第80頁/共105頁2、溶氧電極、溶氧電極q 極譜型極譜型(陰極陰極)：O2+2H+2e H2O2q 原電池型原電池型(陰極陰極)：O2+2H2O+4e 4OH-第81頁/共105頁第82頁/共105頁 極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優(yōu)點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通

18、常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優(yōu)點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約530A(主要取決于陰極的表面積和測試溫度主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。，可以不用配套儀表，經(jīng)一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。 q 膜：耐溫、透氣、不通水膜：耐溫、透氣、不通水q 測定：一般是得到相對值測定：一般是得到相對值第83頁/共105頁2 2 攝氧率攝氧率的的測定測定（1）瓦氏呼吸儀法瓦氏呼吸儀貯液器中的KOH吸收尾氣CO2 ，從測壓計讀出的三角瓶壓力變化速率

19、就是氧的消耗速率。根據(jù)樣品液體積算出攝氧率，如果已知細胞濃度，可求出呼吸強度。第84頁/共105頁第85頁/共105頁i ih h 進氣的相對濕度（進氣的相對濕度（% %）第86頁/共105頁第87頁/共105頁dCL = -r dt第88頁/共105頁限制因子！第89頁/共105頁第90頁/共105頁剩余的剩余的I2用標定的用標定的Na2S2O3溶液滴溶液滴定定2Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaI第91頁/共105頁第92頁/共105頁第93頁/共105頁第94頁/共105頁第95頁/共105頁第96頁/共105頁第97頁/共105頁dCL/dt = kLa(C*-CL) rCL=(-1/ kLa)(dCL/dt +r)+C*t第98頁/共105頁第99頁/共