氧的供需学习.pptx
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1、液体发酵类型:嫌气发酵:乙醇、乳酸、丙酮、丁醇C6H12O6+2ADP+2Pi 2C3H6O3+2ATP(同型乳酸发酵)好氧发酵:C6H12O6+ADP+Pi+3NAD(P)+3H+C5H9O4N+3ATP+3NAD(P)H(谷氨酸发酵)第1页/共105页第2页/共105页通气的重要性氧在纯水中的溶解度:0.25mol/m3(25,0.1MPa)8ppm每立方米培养液单位时间内的需氧量 (假设菌体浓度1015/m m3 3):菌体浓度单位菌体单位时间内的需氧量(生物量呼吸强度)=10=101515个菌体/m/m3 3(10(10-16-16m m3 3/个菌体)(1000kg/m(1000kg
2、/m3 3)(1-80%)kg)(1-80%)kg干菌体/kg/kg菌体 (2.6 102.6 10-3-3molOmolO2 2/kg/kg干菌体.s.s)=0.052molO=0.052molO2 2/(m/(m3 3.s).s)培养液中的氧维持菌体正常生存的时间不超过:0.25/0.052=4.81s第3页/共105页一、细胞对氧的需求二、培养过程中的氧传递 三、影响供氧的因素四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法关系:耗氧供氧 检测第4页/共105页第一节 细胞对氧的需求1、比耗氧速率(呼吸强度)2、摄氧率3、临界氧浓度CCr4、溶解氧对细胞生长的影响5、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响个
3、体体系 菌体产物第5页/共105页1、比耗氧速率比耗氧速率(呼吸强度):单位质量的细胞(干重)在单位时间内消耗氧的量。Qo2 mol O2 kg干细胞-1 s-1 ;mmol O2g菌-1h-1氧浓度和比耗氧速率的关系:氧为唯一的限制性基质(QO2)m:最大比耗氧速率K0:氧的米氏常数,最大比耗氧速率为半值时的氧浓度第6页/共105页一些微生物的K0值菌体对氧的亲和力第7页/共105页一些微生物的最大比耗氧速率 耗氧能力第8页/共105页 遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件影响QO2的因素第9页/共105页2、摄氧率摄氧率:单位体积培养液在单位时间内消耗氧的量。rmol
4、 O2 m-3 s-1;mmol O2L-1h-1r=Qo2 X细胞浓度直接影响培养液的摄氧率,在分批培养过程中,摄氧率发生很大变化。对生生长前期,比耗氧速率摄氧率对生生长后期,比耗氧速率摄氧率第10页/共105页影响需氧的因素r=QO2.Xq 菌体浓度q QO2第11页/共105页碳源种类对细胞的需氧量有很大影响。平衡方程式!C6H12O6+6O2 6CO2+6H2OCH3OH+3/2 O 2 CO2+2H2OCnH2n+2+(3n+1)/2O2 nCO2+(n+1)H2O结论?第12页/共105页当以油脂或烃类为碳源时微生物需要的氧更多,例如用甲醇、石蜡或碳水化合物培养微生物时,每消耗碳源
5、中一个碳原子所需要的氧分别为1.34、1.0和0.4分子。产黄青霉在含葡萄糖、蔗糖和乳糖的培养基中,最大摄氧率分别为3.7210-3,1.9 10-3和1.4 10-3mol/(m3.s)。第13页/共105页培养条件(如pH、温度等)有害代谢产物HAc第14页/共105页3、溶解氧浓度对菌体生长的影响临界氧浓度:培养过程中,当不存在其它限制性基质时,比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升,当溶氧浓度高于临界值时,细胞的比耗氧速率不再上升并保持恒定,则此溶氧临界值为临界氧浓度。即不影响细胞呼吸所允许的最低溶氧浓度。第15页/共105页临界氧浓度CCr的测定第16页/共105页一些微生物的呼吸临界氧
6、浓度CCr第17页/共105页举例:Bacillus thuringiensis发酵过程临界氧浓度问题启示?时间时间(hrhr)临界氧浓临界氧浓度(度(%)时间时间(hrhr)临界氧浓临界氧浓度(度(%)434.3 207.2830.9 229.31029.7 2414.91213.4 3017.1148.33222.1186.6z不同培养时间的临界氧浓度第18页/共105页4、溶解氧对发酵代谢产物生成的影响产物的形成和菌体最适的生长条件,常常不一样 头孢菌素 卷须霉素生长期 5%(相对于饱和氧浓度)13%产物合成期 13%8%第19页/共105页溶解氧浓度对黄色短杆菌生产氨基酸的影响:溶解氧
7、浓度低于临界氧浓度时,谷氨酸和天门冬氨酸类氨基酸的产量下降;但苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸生产的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.60和0.85倍。第20页/共105页氨基酸氨基酸乙醛酸循环乙醛酸循环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脯氨酸脯氨酸16/34/320精氨酸精氨酸14/3-2/32-3赖氨酸赖氨酸8/32/3-2-1苏氨酸苏氨酸40-4-4异亮氨酸异亮氨酸22/3-3-1缬氨酸缬氨酸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
8、-7/5氨基酸生物合成中每消耗1摩尔葡萄糖所生成的NAD(P)H2和ATP摩尔数第21页/共105页总 结细胞对氧的需求:表示方法:比耗氧速率:表示微生物的相对需氧量摄氧率:表示培养液的相对需氧量临界氧浓度:表示细胞正常生长的最低氧浓度溶解氧对细胞生长的影响溶解氧对发酵代谢产物生成的影响第22页/共105页第二节 培养过程中的氧传递第23页/共105页213456789气液界面气泡液膜液相主体固液界面细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图 一、发酵液中氧的传递方程第24页/共105页一、发酵液中氧的传递方程第25页/共105页氧传递的阻力供氧方面的阻力:1.从气相主体到气液
9、界面的气膜传递阻力1/kG2.气液界面的传递阻力1/kI3.从气液界面通过液膜的传递阻力1/kL4.液相主体的传递阻力kLB第26页/共105页耗氧方面的阻力:5.细胞或细胞团表面的液膜阻力1/kLC6.固液界面的传递阻力1/kIS7.细胞团内的传递阻力1/kA8.细胞壁的阻力1/kW9.胞内反应阻力1/kR第27页/共105页氧的传递通量氧的传递通量(nO2):通过单位面积的氧传递速率。nO2=推动力/阻力=pi/(1/ki)=Ci/(1/ki)nO2:氧的传递通量,mol/(m2 S)pi:各阶段的推动力(分压差),Pa1/ki:各阶段的传递阻力,N.s/mol ki:传递系数 mol/(
10、m2 s Pa)气体nO2=C C 1 C 2 C 8 K 1/k1 1/k2 1/k8第28页/共105页 1、气液相间的氧传递第29页/共105页双膜理论基本前提:()在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面,在界面气泡一侧存在着一层气膜,在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态,氧分子以扩散方式,即籍浓度差推动穿过双膜进入液相主流。气泡内除开气膜以外的气体分子处于对流状态,称为气体主流,主流中的任一位点氧分子的浓度相等;液体主流中的氧也是如此。第30页/共105页()传递阻力主要集中在界面两侧的层流膜上。(3)在双膜之间的两相界面上,氧的分压强与溶于
11、界面液膜中的氧浓度处于平衡关系。(4)传质过程处于稳定状态,传质途径上各点的氧浓度不随时间而变化。第31页/共105页当气液传递过程处于稳态时,通过液膜和气膜的传递速率相当气液传递过程处于稳态时,通过液膜和气膜的传递速率相等,即:等,即:nO2=ppI1/kGpp*1/KGCICL1/kLC*CL1/KLp 气相主体氧分压,Pa;pI 气液界面氧分压,PaCI 气液界面氧浓度,mol/m3;CL 液相主体氧浓度,mol/m3 p*与液相主流中溶氧浓度CL平衡的气相氧分压,Pa;C*与气相主流中氧的分压强p平衡的液相氧浓度,mol/m3 KG 以氧分压为推动力的总传递系数,mol/(m2sPa)
12、KL 以氧浓度为推动力的总传递系数,m/skG气膜传递系数,mol/(m2 s Pa);kL液膜传递系数,m/s;第32页/共105页气膜的氧传递通量:以氧分压为推动力的气-液相间的氧传递通量液膜的氧传递通量:以氧浓度为推动力的气-液相间的氧传递通量 下标 I和L K 和 k第33页/共105页根据n nO O2 2=(C=(C*-C-CL L)/(1/K)/(1/KL L)得:1/K1/KL L=(C=(C*-C-CL L)/n)/nO O2 2 =(C =(C*-C-Ci i)/n)/no o2 2+(C+(Ci i-C-CL L)/n)/nO O2 2 (1)(1)根据亨利定律 P=H
13、C(H P=H C(H 亨利常数)得:P=H C*P=H C*,P Pi i=H C=H Ci i代入(1 1)式,得 1/K1/KL L=(P-P=(P-Pi i)/(H n)/(H no o2 2)+(C)+(Ci i-C-CL L)/)/n nO O2 2 即1/K1/KL L=1/(H k=1/(H kG G)+1/k)+1/kL L (2)(2)对于难溶气体(如氧),气膜传递阻力与液膜传递阻力相比可以忽略不计,即1/(Hk1/(HkG G)1/k1/kL L(H H值很大)因此k kL LKKL L。n nO2 O2=K=KL L(C(C*-C-CL L)=k=kL L(C(C*-C
14、-CL L)(3)(3)可以认为所有的传质阻力集中在液膜一侧,因此又称液膜控制.第34页/共105页OTR=kOTR=kL La(Ca(C*-C-CL L)(4 4)OTR OTR 体积溶氧速率(kmol/(mkmol/(m3 3.h).h)或mol/(mmol/(m3 3.s).s),单位体积培养液中的氧传递速率 a a 比表面积(m m2 2/m/m3 3),单位体积液体中气液 两相的总界面积 k kL La a 以C*-CC*-CL L为推动力的体积溶氧系数,反映了发酵罐的传氧速率大小。传氧速率Oxygen Transfer Rate(OTR)摄氧速率Oxygen Uptake Rate
15、(OUR)摄氧率 r第35页/共105页二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递:消耗:r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上OTR=kLa(C*-CL)第36页/共105页三、供氧的调节CL有一定的工艺要求,通过kLa和C*来调节其中C*P/HOTRHPkLaOTR=kLa(C*-CL)第37页/共105页调节kLa是最常用的方法,kLa反映了设备的供氧能力,一般来讲大罐比小罐要好。45升 1吨 10吨搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1第38页/共105页 在发酵过程中,当溶氧浓度不变时,氧溶于液相的速率等于微生
16、物在发酵过程中,当溶氧浓度不变时,氧溶于液相的速率等于微生物对溶氧的需求速率,则:对溶氧的需求速率,则:KLa(C*-CL)=QO2 X=rKLa =rC*-CL第39页/共105页 当微生物的摄氧率不变时(假定当微生物的摄氧率不变时(假定C C*在一定条件下也不变),在一定条件下也不变),K KLaLa 越大,发越大,发酵液中溶解氧浓度酵液中溶解氧浓度C CL L也越大;所以可用也越大;所以可用K KL La a的大小来衡量发酵设备的通气效的大小来衡量发酵设备的通气效率。率。KLa =rC*-CL第40页/共105页小结双膜理论氧传递通量nO2体积溶氧速率OTR体积溶氧系数kLa第41页/共
17、105页复 习比耗氧速率摄氧率临界氧浓度双膜理论氧传递通量nO2体积溶氧速率OTR体积溶氧系数kLa第42页/共105页Theratelimitingstepinthemovementofoxygenfromthegasphaseinabubbletothecellisthemovementofoxygenmoleculesthrougha.thegas-liquidinterface.b.thebubbleboundarylayer.c.thebulkliquid.d.thegasphase.第43页/共105页AfermentationsystemhasakLaof3s-1andaCo*o
18、f5ppmofO2.Ifthebulkliquidiscompletelydepletedofoxygen,thentheoxygentransferratewillequal:a.zerob.15mg.l-1.s-1c.10mg.l-1.s-1d.5mg.l-1.s-1第44页/共105页Amicrobialpopulationinasuspensionculturewillonlybelimitedbyoxygenavailabilityifa.thedissolvedoxygenconcentrationislessthanthecriticalconcentrationb.thedis
19、solvedoxygenconcentrationisgreaterthanthecriticalconcentrationc.dissolvedoxygenlevelsaregreaterthanthesaturationconcentrationofoxygend.always.第45页/共105页Ifoxygenistheratelimitingsubstrateinabioreactor,thenifataparticulartimetheoxygentransferrateis23kg.h-1,thentheoxygenuptakewillbea.23kg.h-1b.lessthan
20、23kg.h-1c.greaterthan23kg.h-1d.cannotbedetermined第46页/共105页Henryslawrelatesa.thepartialpressureofoxygenandthesaturationconcentrationofoxygenintheliquid.b.theoxygentransferrateandthebubblesizec.theoxygentransferrateandthetemperatured.theoxygentransferratetothepartialpressureofoxygenintheliquid第47页/共1
21、05页第三节 影响供氧速率的因素气液传递速率方程:OTR=kLa(C*-CL)1 1、影响推动力的因素 C C*()纯氧在不同温度水中的溶解度(大气压强1.01105Pa)温度(温度()溶解度溶解度(mol/m3)温度(温度()溶解度溶解度(mol/m3)02.18251.26101.70301.16151.54351.09201.38401.03第48页/共105页 (2)(2)与空气平衡的纯水中,氧的溶解度计算经验公式(在1.01101.01105 5Pa,4-33)Pa,4-33):C*C*w w=14.6/(t+31.6)=14.6/(t+31.6)C*C*w w 与空气平衡的水中氧浓
22、度,mol/mmol/m3 3第49页/共105页(3)氧在电解质溶液中的溶解度Sechenov公式lgC*w/C*e=KCEC*e氧在电解质溶液中的溶解度CE电解质溶液的浓度KSechenov常数(随气体种类、电解质种类和温度变化)第50页/共105页如果是几种电解质的混合溶液,则可根据溶液的离子强度计算:lgC*w/C*e=hiIi hi为第i种离子的常数;Ii为离子强度 Ii=ZiCEiZi第i种离子的价数CEi第i种离子的浓度第51页/共105页()氧在非电解质溶液中的溶解度lgC*w/C*n=KCnC*n氧在非电解质溶液中的溶解度Cn非电解质或有机物的浓度第52页/共105页液体液体
23、溶解度溶解度(103kg/m3)温度(温度()乙醇乙醇61.016.0正己烷正己烷90.016.0豆油豆油62.116.0蒸馏水蒸馏水10.115.0()氧在有机化合物中的溶解度 氧在某些有机液体中的溶解度高于水中的。第53页/共105页(6 6)氧载体(7)罐压国外0.6-1105Pa(表压)(8)空气中的氧含量第54页/共105页、影响气液比表面积的因素 a假定在体积为VL的液体中所截留的气体体积为 VG,气泡直径为dB,则比表面积 a=SB n/VL SB单个气泡表面积 n气泡个数 =4 (dB/2)2 VG/(4/3 (dB/2)3)/VL =6VG/(dB VL)气体的截留率 H0=
24、VG/VL(截留在液体中的气体体积与液体体积之比)a=6H0/dB dB H0第55页/共105页假定培养液高度为HL,气泡上升速度为B,通气的流量G G,气泡在液体中的平均滞留时间 t t H HL L/B B V VG G/Q/QG G H H0 0VL/G G 即 H H0 0 H HL LG G/(/(VL B B)代入式a=6H0/dB,得到:a a 6 H6 HL LG G/(V/(VL L B B d dB B)第56页/共105页正常通气产生气泡群 d dm m=m=mj jd dBjBj3 3/m/mj jd dBjBj2 2 (气泡的平均直径)m mj j是直径为d dBj
25、Bj的气泡个数。则a=6Ha=6H0 0/d/dm m通过对气泡所受力的分析可以得到 dc=K dc=K 0.60.6/0.20.2L L(P PG G/V/VL L)0.40.4 dc 稳定气泡的最大直径,m;界面张力,N/m;液体的密度kg/m3;K 常数;VL体积,m3;PG通气状态下搅拌功率,W第57页/共105页3、影响液膜传递系数的因素 kL氧在液膜中稳态扩散,可由Fick第一定律求出 扩散通量:nO2=-DL dC/dx=DL(CI-CL)/L DL:扩散系数;dC/dx:溶质在扩散方向的浓度梯度;L:液膜有效厚度 双膜理论:no2=(CI-CL)/(1/kL)kL=DL/L,即
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