發(fā)酵過程工藝控制培養(yǎng)基和溶氧

1、發(fā)酵過程工藝控制培養(yǎng)基和溶氧第1頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二第一章 發(fā)酵工程總論第二章 發(fā)酵設(shè)備第三章 發(fā)酵工業(yè)原料及其處理第四章 發(fā)酵滅菌與無菌空氣制備第五章 發(fā)酵菌種的制備第六章 發(fā)酵工業(yè)放大第七章 微生物發(fā)酵機(jī)制第八章 發(fā)酵動力學(xué)第九章 發(fā)酵過程工藝控制第十章 發(fā)酵染菌及防治第十一章 發(fā)酵工業(yè)廢物、廢水處理和資源化技術(shù)第十二章 展望發(fā)酵工程第2頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二第九章 發(fā)酵過程工藝控制1 培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響2 氧對發(fā)酵的影響3 溫度對發(fā)酵的影響及控制4 pH對發(fā)酵過程的影響及控制5 泡沫對發(fā)酵的影響及控制6 流加補(bǔ)料的控制

2、7 co2 濃度和呼吸商8 微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測 發(fā)酵染菌及其防治 發(fā)酵工程第3頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：培養(yǎng)基、氧、溫度、pH 、氧的需求、泡沫、補(bǔ)料對發(fā)酵的影響及其調(diào)控。 難點(diǎn)：影響發(fā)酵因素的調(diào)控2/jing/C76/zcr-1.htm第4頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二學(xué)習(xí)本章的目的 微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平除取決于生產(chǎn)菌種本身的性能外，還必須予以微生物合適的環(huán)境條件才能發(fā)揮和表現(xiàn)出它的優(yōu)良生產(chǎn)能力。研究和了解與生產(chǎn)菌種相關(guān)的環(huán)境條件，如培養(yǎng)基組成、溫度、pH 、氧的需求、泡沫、發(fā)酵過程中補(bǔ)料等，可以為掌握菌種在

3、發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，進(jìn)行合理的生產(chǎn)工藝控制提供理論基礎(chǔ)。 第5頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二9-1 培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響及控制 發(fā)酵工程 碳源的種類和濃度對發(fā)酵過程的影響及控制 氮源的種類和濃度對發(fā)酵的影響及控制 磷酸鹽濃度的影響及控制第6頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二一、碳源的種類和濃度對發(fā)酵過程的影響及控制（一）碳源的種類對發(fā)酵的影響及控制 碳源的種類對發(fā)酵的影響主要取決于其性質(zhì)，即快速利用的碳源還是緩慢利用的碳源?？焖倮玫奶荚矗?如葡萄糖 ）能較快地參與微生物的代謝、合成菌體、產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解產(chǎn)物（ 如丙酮酸等 ），對菌體生長

4、有利，但有的分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合成會產(chǎn)生阻遏作用；緩慢利用的碳源多數(shù)為聚合物（ 如淀粉 ），不能被微生物直接吸收利用，需要微生物分泌胞外酶將聚合物分解成小分子物質(zhì)，因此被菌體利用緩慢，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成時間，特別是延長抗生素的分泌期。許多微生物藥物的發(fā)酵就是采用這種方法以獲得較高的產(chǎn)量，如乳糖、蔗糖、麥芽糖及半乳糖分別是青霉素、頭孢菌素 C 、核黃素及生物堿發(fā)酵的最適碳源。因此，選擇合適的碳源對提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量非常重要。第7頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二例：在對青霉素發(fā)酵的早期研究中，人們就認(rèn)識到了碳源的重要性。在快速利用的碳源葡萄糖培養(yǎng)基中，菌體生長良好，

5、但合成的青霉素卻很少；而在緩慢利用的碳源乳糖培養(yǎng)基中，菌體生長緩慢，青霉素的產(chǎn)量卻有明顯的提高。它們的代謝變化如圖 。3%乳糖3%葡萄糖內(nèi)源殘?zhí)?%乳糖內(nèi)源殘?zhí)?%葡萄糖時間/h青霉素效價 /UmL殘?zhí)琴|(zhì)量濃度 /mgmL糖對青霉素生物合成的影響第8頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二（二）碳源的濃度對發(fā)酵的影響及控制碳源的濃度對于菌體生長和產(chǎn)物的合成有著明顯的影響，如培養(yǎng)基中碳源含量超 5% ，細(xì)菌的生長會因細(xì)胞脫水而開始下降。酵母或霉菌可耐受更高的葡萄糖濃度，達(dá) 200 g/L ，這是由于它們對水的依賴性較低。并且，在某一濃度下碳源會阻遏一個或更多的負(fù)責(zé)產(chǎn)物合成的酶，這

6、稱之為碳分解代謝物阻遏。碳源濃度的優(yōu)化控制，通常采用經(jīng)驗法和發(fā)酵動力學(xué)法，即在發(fā)酵過程中采用中間補(bǔ)料的方法進(jìn)行控制。在實際生產(chǎn)中，要根據(jù)不同的代謝類型來確定補(bǔ)糖時間、補(bǔ)糖量、補(bǔ)糖方式等。而發(fā)酵動力學(xué)法要根據(jù)菌體的比生長速率、糖比消耗速率及產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率等動力學(xué)參數(shù)來控制。第9頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二例1：碳源濃度對產(chǎn)物形成的影響以酵母的 Crabtree 效應(yīng)為典型例子，即酵母生長在高糖濃度下，即使溶氧充足，它還會進(jìn)行厭氧發(fā)酵，從葡萄糖產(chǎn)生乙醇，如圖 。當(dāng)葡萄糖濃度大于 0.15 g/L 時便產(chǎn)生乙醇。為了阻止乙醇的生成，需控制生長速率和葡萄糖濃度。在這種情況

7、下采用補(bǔ)料分批或連續(xù)培養(yǎng)可以避免 Crabtree 效應(yīng)的出現(xiàn)。酵母培養(yǎng)基中的Crabtree效應(yīng)；糖濃度對乙醇比生產(chǎn)率、比生長速率和細(xì)胞得率的影響 第10頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二例2：在利用重組畢赤酵母高密度發(fā)酵生產(chǎn)水蜂素的研究中發(fā)現(xiàn)，甲醇一方面作為碳源構(gòu)成細(xì)胞骨架，使細(xì)胞生長；另一方面又作為能源物質(zhì)用于菌體生長、維持外源蛋白的表達(dá)。提高碳源濃度可有效地增加產(chǎn)物表達(dá)的量，但甲醇濃度的提高會抑制細(xì)胞生長甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，利用甲醇傳感器控制甲醇的流加量，同時以限制性速度混合流加甘油，可獲得較高的水蛭素產(chǎn)量。第11頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52

8、分，星期二二、氮源的種類和濃度對發(fā)酵的影響及控制（一）氮源的種類對發(fā)酵的影響及控制1氮源的種類根據(jù)氮的來源可分為無機(jī)氮和有機(jī)氮。發(fā)酵工業(yè)中常用的無機(jī)氮包括硝酸鹽、銨鹽、氨水等；有機(jī)氮包括豆餅粉、花生餅粉玉米漿、蛋白胨、酵母粉、酒糟、尿素等。和碳源一樣，也可以把氮源分為可快速利用氮源和緩慢利用氮源。前者包括氨基（或銨）態(tài)氮的氨基酸（或硫酸銨等）和玉米漿等；后者包括黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等蛋白質(zhì)。第12頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二2不同種類氮源對發(fā)酵的影響及控制可快速利用氮源容易被菌體所利用，有利于菌體生長，但對某些代謝產(chǎn)物的合成，特別是對某些抗生素的合成產(chǎn)生調(diào)節(jié)

9、作用而影響產(chǎn)量。例如，鏈霉菌的竹桃霉素發(fā)酵中，采用促進(jìn)菌體生長的銨鹽濃度，能刺激菌絲生長，但抗生素的產(chǎn)量反而減少。銨鹽對柱晶白霉素、螺旋霉素同樣產(chǎn)生類似的調(diào)節(jié)作用。緩慢利用氮源對延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量是有好處的。但一次性的投入也容易促進(jìn)菌體生長和養(yǎng)分過早耗盡，導(dǎo)致菌體過早衰老而自溶，從而縮短產(chǎn)物的分泌期?？紤]到上述原因，發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有快速和緩慢利用的混合氮源。例如：氨基酸發(fā)酵用銨鹽（硫酸銨或醋酸銨）和麩皮水解液、玉米漿作為氮源；鏈霉素發(fā)酵采用硫酸銨和黃豆餅粉作為氮源；紅霉素發(fā)酵采用硫酸銨和黃豆餅粉作為碳源，其中借助吸附緩釋原理，將無機(jī)氮儲存在一個庫中緩慢釋放，即培養(yǎng)基

10、中無機(jī)氮源濃度高時將其納入庫中，菌絲生長需要時又可自動流加進(jìn)來，以此來調(diào)節(jié)氮的利用。第13頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二氮源種類對發(fā)酵過程的影響除體現(xiàn)在其是快速利用氮源或緩慢利用氮源外，還有一些特殊的作用。例如，賴氨酸生產(chǎn)中，培養(yǎng)基中甲硫氨酸和蘇氨酸的存在可提高賴氨酸的產(chǎn)量，但由于純氨基酸價格昂貴，生產(chǎn)中常用黃豆水解液來代替。谷氨酸生產(chǎn)中，使用尿素作為氮源，尿素可發(fā)生氨基化，從而提高谷氨酸的產(chǎn)量。在使用 Streptococcus zooepidemicus H23 發(fā)酵產(chǎn)生透明質(zhì)酸的試驗中，由于酵母粉中含有大量的生長因子，用酵母粉作為氮源，菌體生長良好，透明質(zhì)酸的產(chǎn)

11、量也最高。但使用 Torulopsis glabrata WSH - IP12 發(fā)酵產(chǎn)生丙酮酸時，同樣使用酵母粉作為氮源，當(dāng)酵母粉濃度增加時，雖然細(xì)胞干重不斷增加但丙酮酸產(chǎn)量卻迅速下降。有機(jī)氮源除了作為菌體生長繁殖的營養(yǎng)外，有的還是產(chǎn)物的前體，如纈氨酸、半胱氨酸和 - 氨基己二酸是合成青霉素和頭孢菌素的主要前體。無機(jī)氮源一般比有機(jī)氮源吸收利用快，但無機(jī)氮源的迅速利用常會引起 pH 的變化。第14頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二（二）氨源的濃度對發(fā)酵的影響及控制與碳源相似，氮源的濃度過高，會導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡，且影響傳質(zhì)；濃度過低，菌體營養(yǎng)不足，影響產(chǎn)物的合成。不同產(chǎn)物的發(fā)

12、酵中，所需的氮的濃度也不同。例如，谷氨酸發(fā)酵需要的氮源比一般的發(fā)酵多得多。一般的發(fā)酵工業(yè)碳氮比為 100 （0.2 2.0），谷氨酸發(fā)酵的碳氮比為 100（15 20），當(dāng)碳氮比為 100 11 以上，才開始積累谷氨酸。在谷氨酸發(fā)酵中，用于合成菌體的氮僅占總耗用氮的 3% 6% ，而 30% 80% 用于合成谷氨酸。在實際生產(chǎn)中，采用尿素或氨水作為氮源時，由于一部分用于調(diào)節(jié) pH ，一些分解而逸出，往往實際用量很大。當(dāng)培養(yǎng)基中糖濃度為 12.5% ，總尿素用量為 3% 時，含碳量為 5% ，含氮量為 1.4% ，此時碳氮比為 10028 。氨濃度對谷氨酸的產(chǎn)率也有影響。在菌體生長階段，如 NH

13、4+ 過量，會抑制菌體生長；在谷氨酸合成階段，如 NH4+ 下不足， - 酮戊二酸不能還原氨基化，而積累 - 酮戊二酸，如 NH4+ 過量，使谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，都會影響谷氨酸的產(chǎn)量。在使用 Streptococcus zooepidemicus H23 發(fā)酵產(chǎn)生透明質(zhì)酸的試驗中，當(dāng)酵母粉的濃度為 20 g/L 時，透明質(zhì)酸的含量、細(xì)胞干重、細(xì)胞產(chǎn)率均達(dá)到最大值，殘?zhí)亲畹汀＠纾^續(xù)提高酵母粉濃度，殘?zhí)巧?，?xì)胞干重和透明質(zhì)酸都逐漸下降。 第15頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二此外，為了調(diào)節(jié)菌體生長和防止菌體衰老自溶，除了基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的氮源外，有時還需要補(bǔ)加氮源來控制

14、濃度。生產(chǎn)上常用的方法有：第一，補(bǔ)加有機(jī)氮源，根據(jù)微生物的代謝情況，添加某些具有調(diào)節(jié)生長代謝的有機(jī)氮源，如酵母粉、玉米漿、尿素等。例如，青霉素發(fā)酵中，后期出現(xiàn)糖利用緩慢、菌體濃度變稀、菌絲展不開，pH 下降的現(xiàn)象，補(bǔ)加尿素水溶液就可改變這種狀況并提高產(chǎn)量。第二，補(bǔ)加無機(jī)氮源，工業(yè)中常用的方法是補(bǔ)加氨水或硫酸銨，其中氨水既可作為無機(jī)氮源，又可調(diào)節(jié) pH 。在抗生素的發(fā)酵工業(yè)中，補(bǔ)加氨水可提高產(chǎn)量，如果與其他條件配合，有些抗生素的發(fā)酵單位可提高 50% 。如在紅霉素的發(fā)酵生產(chǎn)中加入氨調(diào)節(jié) pH ，并且可作為無機(jī)氮源，能提高紅霉素的產(chǎn)率和有效組分的比例。（二）氨源的濃度對發(fā)酵的影響及控制第16頁，共

15、49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二三、磷酸鹽濃度的影響及控制磷是構(gòu)成蛋白質(zhì)、核酸和 ATP 的必要元素，足微生物生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的營養(yǎng)物質(zhì)。在發(fā)酵過程中，微生物從培養(yǎng)基中攝取的磷一般以磷酸鹽的形式存在。因此，在發(fā)酵工業(yè)中，磷酸鹽的濃度對菌體的生長和產(chǎn)物的合成有一定的影響。微生物生長良好時，所允許的磷酸鹽濃度為 0.32 300 mmol/L ，但次級代謝產(chǎn)物合成良好時所允許的磷酸鹽最高平均濃度僅為 l mmol/L 。當(dāng)提高到 l0 mmol/L時，可明顯抑制其合成。菌體生長所允許的濃度和次級代謝產(chǎn)物合成所允許的濃度相差懸殊。因此，控制磷酸鹽濃度對微

16、生物次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵的意義非常大。例如，桿菌肽發(fā)酵中無機(jī)磷酸鹽的濃度應(yīng)控制在 0.1 l mmol/L ，這時可以合成桿菌肽，不受其影響。但是，如果濃度高于 l mmol/L ，則桿菌肽合成明顯受到抑制。但也有一些產(chǎn)物要求磷酸鹽濃度高些，如黑曲霉NRRL330 菌種生產(chǎn) - 淀粉酶，若加入 0.2% 磷酸二氫鉀則活力可比低磷酸鹽提高 3倍。還有報道用地衣芽孢桿菌生產(chǎn) - 淀粉酶時，添加超過菌體生長所需的磷酸鹽濃度，則能顯著增加 - 淀粉酶的產(chǎn)量。第17頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二在磷酸鹽濃度的控制方面，通常是在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適當(dāng)?shù)臐舛冉o予控制。高濃度磷酸鹽對許多抗

17、生素，如鏈霉素、新霉素、四環(huán)素、土霉素、金霉素、萬古霉素等的合成具有阻遏和抑制作用，磷酸鹽濃度太低時，菌體生長不夠，也不利于抗生素合成。因此，常采用生長亞適量（對菌體生長不是最適合但又不影響生長的量）的磷酸鹽濃度。磷酸鹽最適濃度取決于菌種特性、培養(yǎng)條件、培養(yǎng)基組成和原料來源等因素，并結(jié)合具體條件和使用的原材料進(jìn)行實驗來確定。培養(yǎng)基中的磷含量還可能因配制方法和滅菌條件不同而有所變化，在使用時應(yīng)特別小心。在發(fā)酵過程中，若發(fā)現(xiàn)代謝緩慢、耗糖低的情況，可適量的補(bǔ)充磷酸鹽。如：在西所米星發(fā)酵中，高濃度磷酸鹽會提高發(fā)酵液中淀粉水解酶活力和丙酮酸濃度、降低堿性磷酸酯酶活力，對西所米星合成產(chǎn)生抑制。所以，西所

18、米星發(fā)酵生產(chǎn)中采用分段控制發(fā)酵液中的磷酸鹽濃度，在菌體生長期控制在 3.14 mmol/L 以內(nèi)，在產(chǎn)物合成期應(yīng)控制 0.l mmol/L 以下。第18頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二第九章 發(fā)酵過程工藝控制1 培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響2 氧對發(fā)酵的影響3 溫度對發(fā)酵的影響及控制4 pH對發(fā)酵過程的影響及控制5 泡沫對發(fā)酵的影響及控制6 流加補(bǔ)料的控制7 co2 濃度和呼吸商8 微生物培養(yǎng)過程的參數(shù)檢測 發(fā)酵染菌及其防治 發(fā)酵工程第19頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二9-2 氧對發(fā)酵的影響及控制1、細(xì)胞對氧的需求 2、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論 3、溶解氧

19、的測定方法 4、氧傳遞系數(shù)的測定 5、影響氧傳遞速率的主要因素 6、控制溶氧的工藝手段 發(fā)酵工程第20頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二 好氣性微生物的生長發(fā)育和代謝活動都需要消耗氧氣，因為好氣性微生物只有氧分子存在情況下才能完成生物氧化作用。因此，供氧對需氧微生物是必不可少的，在發(fā)酵過程中必須供給適量無菌空氣，才能使菌體生長繁殖積累所需要的代謝產(chǎn)物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于細(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。 發(fā)酵液中溶解氧的多少，一般以溶解氧系數(shù)（Kd）表示。由于各種好氣微生物所含的氧化酶體系（如過氧化氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化

20、酶等）的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。 第21頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二比耗氧速率（呼吸強(qiáng)度）： 單位質(zhì)量的干細(xì)胞在單位時間內(nèi)消耗氧的量molO2/（kg干細(xì)胞s ） 用Qo2 表示。臨界溶氧濃度： 好氧性微生物生長繁殖所需要的最低溶解氧的濃度。(mol/m3)攝氧率(耗氧速率）： 指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的消耗氧 的量，以 r 表示，單位為molO2/m3s 。一、細(xì)胞對氧的需求 飽和溶氧濃度： 在一定溫度和壓力下，空氣中的氧在水中的溶解度。(mol/m3)1、三個基本概念第22頁，共49頁，2022年，5月20

21、日，4點(diǎn)52分，星期二 r=Qo2X 式中： r - 微生物耗氧速率molO2/m3s； Qo2-菌體呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率） ； molO2/（kg干細(xì)胞s ） ； X -發(fā)酵液中菌體濃度（kg/m3） 一、細(xì)胞對氧的需求 2、耗氧速率與呼吸強(qiáng)度之間的關(guān)系第23頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二3、注意點(diǎn)1)判斷：在生產(chǎn)中，要保證最高產(chǎn)物產(chǎn)量，供氧時必須使溶氧濃度大于臨界溶氧濃度（）。溶氧濃度大于臨界溶氧濃度可以得到最高的微生物濃度（）。2)碳源種類對細(xì)胞的耗氧速度沒有影響（）。 一、細(xì)胞對氧的需求 3)培養(yǎng)液中基質(zhì)濃度對細(xì)胞的耗氧速度有很大的影響（）。 例如在鏈霉素的發(fā)

22、酵過程中，初始的攝氧率為34 molO2/m3h，補(bǔ)料后（78 h）升為40.9 molO2/m3h，隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，在94 h又降到15-20 molO2/m3h。第24頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二4 細(xì)胞的耗氧速率與培養(yǎng)時間及細(xì)胞濃度有關(guān) Qo2干重PH疣孢漆斑霉在分批培養(yǎng)時比耗氧速率的變化Qo2干重r=Qo2Xr 請問耗氧速率和比耗氧速率(Qo2)在細(xì)胞培養(yǎng)的哪一階段達(dá)到最高值？第25頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二5 培養(yǎng)條件（如pH、溫度等）對細(xì)胞的需氧要求也有影響，一些有害代謝產(chǎn)物的積累，也會抑制細(xì)胞的呼吸 。 何謂氧的滿足度

23、？問題1 舉例說說各種氨基酸的生產(chǎn)與最佳溶氧濃度的關(guān)系 ？為什么？問題2 舉例說說微生物的次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)也與臨界溶氧濃度有關(guān) ？問題3第26頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二二、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論 1、氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程 對于大多數(shù)微生物細(xì)胞的培養(yǎng)過程，細(xì)胞分散在培養(yǎng)液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培養(yǎng)液中通往空氣來進(jìn)行。氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞內(nèi)要克服一系列阻力，首先氧須從氣相溶解于培養(yǎng)基中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上被利用。第27頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二213456789氣液界面氣泡液膜液相主體固液界面細(xì)胞團(tuán)液膜細(xì)胞膜細(xì)胞

24、生物反應(yīng)氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖二、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論 1、氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程第28頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二213456789氣液界面氣泡液膜液相主體固液界面細(xì)胞團(tuán)液膜細(xì)胞膜細(xì)胞生物反應(yīng)氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖 氧從空氣泡傳遞到細(xì)胞的過程中需要克服哪幾種阻力？p206問題1 氧的整個傳遞過程可分為供氧和耗氧兩個方面，請分別指出這兩個過程的傳氧路線？問題2第29頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二2、氧的傳遞速率總方程式 OTR=K L（c*-cL）式中： OTR-單位體積培養(yǎng)液中的傳氧速率(mol/m3s)；KL-以濃度

25、差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（m/s) 比表面積（m2/m3) KL-以濃度差為推動力的體積傳遞系數(shù),(s-1）； cL-溶液中氧的實際濃度（mol/m3）；c*-與氣相中氧分壓p平衡時溶液中氧濃度,(mol/m3）。 第30頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二二、培養(yǎng)過程中氧的傳質(zhì)理論 3、氣體溶解過程的雙膜理論 氧首先由氣相擴(kuò)散到氣液兩相接觸界面,再進(jìn)入液相,界面的一側(cè)是氣膜,另一側(cè)是液膜,氧從氣相擴(kuò)散到液相必須穿過這兩層膜。 氧從空氣主流擴(kuò)散到氣液界面的推動力是空氣中氧的分壓力與界面處氧分壓之差，氧穿過界面溶于液體，繼續(xù)擴(kuò)散到液體中的推動力是界面處氧的濃度與液體中氧濃度之差

26、。（P207）第31頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二三、溶解氧的測定方法 1、化學(xué)法 化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是測定比較準(zhǔn)確，能直接得到氧的濃度，往往是其他測定方法的基礎(chǔ)，也常用于衡量其他方法的準(zhǔn)確性。 2、極譜法 3、復(fù)膜氧電極法 4、壓力法 復(fù)膜氧電極測定的是氧的分壓 第32頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二四、氧傳遞系數(shù)（KLa）的測定1、亞硫酸鹽氧化法 2、取樣極譜法 3、物料衡算法 4、動態(tài)法 5、排氣法 6、復(fù)膜電極法第33頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二五、影響氧傳遞速率的主要因素 根據(jù)氣液傳遞速率方程： OTR=K L（

27、c*-cL）凡是影響推動力c*-cL、比表面積和傳遞系數(shù)的因素都會影響氧傳遞速率。1、溶液的性質(zhì)對氧的溶解度的影響 隨溫度的升高而降低與酸的種類及濃度有關(guān)電解質(zhì)溶液氧的溶解度降低 （為什么） 第34頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二 要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多種，其中最簡單的方法是增加罐壓。但是要注意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓，從而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分（如CO2）分壓也相應(yīng)增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影響了細(xì)胞的生長和產(chǎn)物的代謝，所以增加罐壓是有一定限度的。 另一種方法是增加空氣中氧的含量，進(jìn)行富氧通氣操作

28、。即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富氧空氣，然后通入培養(yǎng)液。目前由于這三種分離方法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。 提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些？問題第35頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二2、氣液比表面積 比表面積：氣泡表面積與體積之比，比表面積越大，氧傳遞速率越大，主要體現(xiàn)以下三個方面：A、氣液比表面積的大小取決于截留在培養(yǎng)液的氣體體積以及氣泡的大小。截留在液體中的氣體越多，氣泡的直徑越小，那么氣泡比表面積就越小。 B、攪拌對比表面積的影響較大。因為攪拌一方面可使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動，延長停留時間，增大氣體的截留率，另一方面攪拌的

29、剪切作用又使氣泡粉碎，減小氣泡的直徑。 說說攪拌對比表面積的影響？問題C、增大通氣量可增加空氣的截留率，從而使比表面積增大。 第36頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二3、攪拌 攪拌的作用： 把通入的氣體打碎，強(qiáng)化湍流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，增加了溶氧速率，使微生物懸浮混合均勻，促進(jìn)代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。 攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳遞速率都有影響。 #攪拌器#第37頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二1）攪拌能把大的空氣泡打碎成為微小氣泡，增加了氧與液體的接觸面積，而且小氣泡

30、的上升速度要比大氣泡慢，相應(yīng)地氧與液體的接觸時間也就增長；2）攪拌使液體作渦運(yùn)動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運(yùn)動上升，延長了氣泡的運(yùn)動路線，增加了氣液的接觸時間；3）攪拌使發(fā)酵液呈湍流運(yùn)動，從而減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因而增大了KL值；4）攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動力均一，同時也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。 采用機(jī)械攪拌是普通提高溶氧系數(shù)的行之有效的方法。它能從以下幾個方面改善溶氧速率：第38頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二在發(fā)酵生產(chǎn)中，攪拌有何作用？問題1在發(fā)酵生產(chǎn)中，攪拌是如何改善溶氧速率的？問題

31、2攪拌器的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、組數(shù)、攪拌器間距以及在罐內(nèi)的相對位置等對氧的傳遞速率都有影響。 第39頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二4、空氣的線速度 氧傳遞系數(shù)K L是隨空氣量的增加而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時，空氣的線速度也就相應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)K L相應(yīng)地也增大。 當(dāng)然過大的空氣線速度會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。 第40頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二5、空氣分布管 空氣分布管的型式、噴口直徑及管口與罐底距離的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。 當(dāng)通風(fēng)量較小時，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，相應(yīng)地溶氧系數(shù)就越大。而當(dāng)通風(fēng)量超過一定值后，氣泡的直徑與通風(fēng)量有關(guān)，與噴口的直徑無關(guān)。 第41頁，共49頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)52分，星期二6、培養(yǎng)液的性質(zhì) 在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等等都引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子液度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對氧傳遞系數(shù)K L帶來很大的影響。 此外，發(fā)酵液粘度的改變還會影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力，從而影響到氧傳遞系數(shù)K